Методика тестирования светодиодных ламп

17 июля 2013, среда 00:00
для раздела Лаборатория

Оглавление

Обоснование методики

Светодиодные лампы, как и любые другие, призваны освещать наше место обитания. Стоит отметить, что производственные помещения могут требовать специфических условий, да и вряд ли ответственные лица станут читать подобные обзоры, а потому методика исследования работы осветительных устройств будет ориентирована на условия использования ламп именно в жилом секторе.

Какие свойства и особенности предполагает применение компактных ламп в домашних условиях? Попробуем сформулировать основные пожелания:

  • Высокая яркость (световой поток);
  • Равномерное освещение комнаты;
  • Низкий нагрев;
  • Привычная форма и геометрические размеры;
  • Стабильность характеристик, отсутствие каких-либо дефектов;
  • Продолжительный срок службы;
  • Низкая цена.

Последний пункт выходит за рамки методики тестирования, но сам факт его очевидной важности нельзя не отметить. Теперь об этих и других требованиях подробнее.

Основные требования

Высокая яркость

Лампа должна освещать помещение, это основная функция и цель ее использования. Для получения этой характеристики будет измеряться величина светового потока, показывающая световую энергию, излучаемую лампой во всех направлениях. Освещение используется для человека, поэтому обязательно учитывается мера заметности глазом, что обязывает в большей степени зачитывать «зеленые» составляющие спектра, ниже «красные» и еще меньше «синие». Это означает, что при проведении работ требуется соблюсти два обязательных условия:

  • Измерить поток излучения лампы;
  • Фотоприемник обязан учитывать спектральную световую эффективность (чувствительность глаза).





Первое требование можно осуществить различными способами, но метод интегрирующего фотометрического шара стабильнее в получаемых результатах и проще в использовании. Второе условие обязывает применение специальных светофильтров, что не является серьезной проблемой.

Равномерное освещение комнаты

Повторюсь, лампа должна освещать помещение, и делать это максимально качественно. Никому не нужно «яркое пятно» прямо под светильником и «чернота ночи» на стенах и потолке, а потому при получении информации о продукте важно знать меру равномерности излучения – угол испускания света. Причем, существуют две характеристики: «угол пучка» (Beam angle) и «угол рассеивания прожектора».

Отличаются они порогом, первый измеряется по уровню 50%, второй – 10% от максимума. Для получения численных данных следует построить диаграмму направленности излучения, и по критериям 50% и 10% вычислить два угла свечения. К сожалению, получаемая информация позволит лишь оценить меру направленности излучения лампы. Альтернативный вариант с прямым измерением освещенности различных участков эквивалента комнаты прорабатывается и может заменить измерение «углов» впоследствии.

Низкий нагрев

Небольшая температура лампы, сниженное потребление электричества (при высокой светоотдаче) – все эти характеристики представляют повышенный интерес, а потому должны быть измерены. В данном контексте интересует температура поверхности лампы (ее боковой поверхности, радиатора), мощность потребления из сети 220 В и величина светового потока.

Причем полезно знать не только данные на момент включения и после продолжительного времени работы, но и изменение их в процессе использования. Повышенная нестабильность или нехарактерное изменение во времени говорит о внутренних проблемах в лампе (блоке светодиодов или электронике). Всю эту информацию можно получить во время долговременного статического прогона в фотометрическом шаре.

Привычная форма и геометрические размеры

На каждую лампу будет приводиться достаточное количество фотографий для оценки ее формы, размеров и упаковки. Последняя представляет интерес с той точки зрения, что это позволяет проще отождествить выбранную модель на полках магазинов. Кроме того, не так уж редки случаи появления ламп с одной и той же маркировкой, но с разной упаковкой и/или конструктивно-техническими отличиями.

Кроме иллюстративного представления, в таблице описания лампы будут приводиться ее геометрические размеры, конструктивные особенности и вес.





Стабильность характеристик, отсутствие каких либо дефектов

Лампа обязана создавать неизменный световой поток, при этом не должно происходить изменений цвета или интенсивности свечения. Для получения количественного описания этих свойств будет измеряться цветовая температура и уровень пульсаций как мера стабильности светового потока.

При обнаружении сколь-нибудь заметного изменения цвета свечения для различных режимов работы лампы, исследование дополнится графиками зависимости Тц (цветовой температуры) от условий эксплуатации.

Срок службы

Самый сложный раздел. Прямое измерение деградации свойств светодиодных ламп крайне затруднено огромным сроком их службы. Стендовые испытания в 6000 часов выглядят довольно жутко (две трети года), но никто не сможет пойти на такой срок тестирования – помимо того, что пострадает оперативность испытаний, исчезнет смысл в самих исследованиях, ведь индустрия светодиодных ламп весьма активно развивается и к моменту получения отчета о надежности, самих ламп может уже не оказаться в продаже.

Дополнительная трудность заключается еще и в том, что деградация свойств светодиодных ламп выражается в простом снижении яркости, в отличие от компактных люминесцентных ламп, которым более свойственно сгорание накала или выход из строя электронного балласта. Поэтому вместо теста на надежность будет проводиться измерение температуры кристалла светодиода, ведь это одна из самых важных характеристик, прямо определяющих срок его службы. При повышении температуры выше пороговой резко повышается скорость деградации люминофора, что в наибольшей степени и вызывает снижение светового потока лампы.

Постановление №602

В середине 2011 года правительством РФ были утверждены требования к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения. Полный текст можно скачать по этой ссылке (Постановление 602). Текст короткий и к прочтению рекомендуется.

Процитирую некоторые моменты этого, без сомнения, полезного документа:

2. в) в отношении осветительных устройств для освещения объектов жилищно-коммунального хозяйства: ...
световая отдача (энергоэффективность) со светодиодами или светодиодными лампами – не менее 50 лм/Вт.





3. Установить следующие минимально допустимые значения световой отдачи (энергоэффективности) и продолжительности горения ламп: ...
з) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофиты), модулей светодиодных источников света в зависимости от значения цветовой температуры:

при значении цветовой температуры 2700 K, 3000 K – 50 лм/Вт;
при значении цветовой температуры 3500 K, 4000 K, 4500 K – 60 лм/Вт;
при значении цветовой температуры 5000 K, 5500 K, 6500 K – 70 лм/Вт;
продолжительность горения – не менее 25000 часов.

5. Установить следующие минимально допустимые значения коэффициента мощности:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников в составе осветительного прибора мощностью от 5 Вт до 25 Вт - не менее 0.7;
б) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников в составе осветительного прибора мощностью более 25 Вт – не менее 0.85;

6. Установить, что спад светового потока составляет:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов) в составе осветительного прибора при соблюдении условий эксплуатации, указанных в сопроводительной документации, – менее 30 процентов за 25000 часов;

7. Установить следующие минимально допустимые значения индекса цветопередачи:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников света в зависимости от области применения:

для наружного освещения – 60;
для внутреннего освещения – 70;

8. Установить значения коррелированной цветовой температуры в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников света и компактных люминесцентных ламп - 2700 K, 3000 K, 3500 K, 4000 K, 4500 K, 5000 K, 5700 K и 6500 K с допустимыми отклонениями согласно приложению № 2.

Извините, но здесь стоит сделать лирическое отступление. В документе приведено множество цифр, но нет ни одного упоминания об уровне пульсаций (мерцания и прочего). Составители документа не считают его важным, или это сделано умышлено, дабы наводнить рынок продукцией, наносящей вред здоровью?

При измерении характеристик ламп будут учтены требования постановления 602, коль скоро это действующие нормы и обязательны к применению. А именно:

  • Расчет светоотдачи и продолжительности горения (косвенно);
  • Измерение коэффициента мощности;
  • Изменение интенсивности светового потока;
  • Измерение коррелированной цветовой температуры.

Для выполнения этих расчетов будет измеряться спектр и интенсивность светового потока, мощность потребления и коэффициент мощности. При предоставлении диаграмм на цветовом пространстве CIE 1931 будет дополнительно нанесена сетка допуска по п8.





Оборудование

Выполнение работ обязывает к использованию некоторого набора оборудования для обеспечения необходимых уровней напряжения питания лампы, измерения мощности потребления и оценки «оптических» свойств лампы.

С точки зрения электроники вопрос снимается применением эмулятора сети Agilent 6812B, способного обеспечить необходимый уровень точности установки характеристик сети и измерения электрических характеристик. С «оптикой» несколько сложнее, для измерения светового потока требуется фотометрический шар значительного размера, что затрудняет приобретение готового устройства и вынуждает заняться изготовлением собственной кустарной оснастки.

Фотометрический шар

По счастью, технология работы «фотометрического шара» довольно проста и в ней крайне мало ограничений. Ничего не мешает выполнять его в форме куба или любой другой геометрической формы, важны лишь два условия:

  • Равномерная форма без резких углов;
  • Матовое покрытие внутренней поверхности без искажения цветового баланса света с коэффициентом отражения не менее 0.8.

Первое условие не является жестким, а вот второе уже обязательно к исполнению, иначе изделие потеряет способность интегрировать (усреднять) световой поток в своем объеме.

Дабы не нарушать инструкции, форма измерительного объема была выбрана классической, в виде шара. Из требований к прибору следует выделить несколько позиций, прямо влияющих на качество работы устройства. Далее я буду ссылаться и цитировать фрагменты ГОСТ Р 54350-2011:

  • (п11.3.4.1) Общая площадь поверхности осветительного прибора не должна превышать 2% площади внутренней поверхности шара, а для протяженных осветительных приборов отношение максимального габаритного размера осветительного прибора к диаметру шара должно быть не более 2:3;
  • (п11.3.4.1) Напольный светильник должен быть расположен в шаре так, чтобы его светящаяся часть находилась в центре шара;
  • (п11.3.4.2) Для осветительных приборов с плоским выходным отверстием допускается проводить измерение светового потока через окно в фотометрическом шаре.

Первый пункт обычно переводится так: диаметр шара должен быть в десять раз больше самого большого диаметра излучающего прибора. Если провести пересчет «диаметра» в «поверхность», как раз и получается ограничение в 2%. Площадь поверхности сферы вычисляется по известным формулам. Для шара 60 см площадь поверхности составит примерно 11300 см2, типичной светодиодной лампы (с внешним диаметром 60 мм и высотой 110 мм) составит 120 см2 (усеченный конус радиатора) плюс 113 см2/2 (колба светорассеивателя), что в сумме дает 233 см2.

Второй пункт является какой-то несуразностью и это стоит обсудить, но у данного документа есть замечательное свойство – он «допускает» много того, что прямо зачеркивает все жесткие ограничения, оговоренные ранее. Из третьего пункта следует, что светильник может находиться в любом месте фотометрического шара и даже вне его (при этом световой поток передается через небольшое окошко). Впрочем, существенным является лишь «необязательность» размещения светильника в центре шара. Приведу здесь пояснительную картинку из ГОСТ’а.

Конструкция фотометрического шара ГОСТ Р 54350-2011 для одиночной лампы

258x248  8 KB

На рисунке выше изображены следующие элементы:

1. Фотометрический шар;
2. Измеряемый осветительный прибор (отсутствует на картинке);
3. Фотоприемник;
4. Экран;
5. Вспомогательная лампа;
6. Крышка зазора;
7. Измерительная лампа.

Если по тексту ГОСТ у меня есть какие-то сомнения, то к приведенному в том же документе графическому представлению конструкции фотометрического шара нет никаких замечаний, а потому именно такая конструкция и будет реализовываться, с небольшим упрощением.

«Вспомогательная лампа», отмеченная на рисунке, выполняет две функции – подтверждает (калибрует) фотоприемник при изменении свойств (старении) фотоприемника и светорассеивающего внутреннего покрытия фотометрического шара. Вторая ее функция заключается в компенсации световых потерь на поглощение в измерительной лампе.

Вот этот фактор важен и может явиться источником повышенной погрешности измерений. Дело в том, что интегрирующий фотометрический шар работает на основании выравнивания испускаемого света лампы по всему объему/поверхности шара. В какое место не светила бы лампа, насколько «направленной» она бы не оказалась, за счет многократных отражений от внутренней поверхности с низким коэффициентом поглощения, в шаре установится одинаковая светимость во всех точках (если форма прибора «шар»). Причем в его центре обязательно произойдет концентрация светового потока.

Нормы ГОСТ’а обязывают (но не очень строго) размещать лампу в центре шара, что неизбежно вызовет повышенные потери и цветовые искажения светового потока из-за «не идеально белого» корпуса лампы. Если с изменением «цвета» фотометрический шар ничего поделать не может, то общее снижение показаний компенсируется за счет калибровки с помощью вспомогательной лампы. Иначе говоря, если выдерживать требование на размещение лампы в геометрическом центре шара, то придется или делать калибровку под каждый тип (конструкцию, цвет) лампы, или сам фотометрический шар делать очень большим. Первое «возможно», хотя не доставляет радости, второе «увы», он и так слишком велик.

Второй момент, который стоит исследовать – влияние экрана, защищающего фотодатчик от прямой засветки лампы. По данному вопросу ГОСТ’а указывается необходимость обеспечения минимальной площади «затемнения», но индивидуальная настройка под каждую лампу крайне обременительна. Место размещения экрана, по ГОСТ’у, должно находиться близко к лампе (посмотрите на предыдущий рисунок), но это весьма спорный момент. В связи с тем, что я внес измерительный датчик внутрь шара, что привело к увеличению его угла зрения, некоторое снижение видимости из-за близко расположенного экрана можно «простить». К тому же, дополнительная помеха находится на периферии, что дополнительно снижает потери.

Итак, после изготовления оболочки и покраски шар выглядит следующим образом.

Фотометрический шар

450x435  26 KB

Внутреннее устройство получило более классическое исполнение.

Фотометрический шар, вид изнутри на верхнюю половину

450x437  16 KB

Исследуемая лампа устанавливается в жестко закрепленный патрон. Центр свечения лампы находится примерно на расстоянии трети диаметра шара от его центра. Нижняя половина шара лишена каких-либо элементов внутри себя, а потому ее внутреннее устройство не заслуживает внимания. Внутренний диаметр шара 60 см, что позволяет измерять световой поток ламп с внешним диаметром до 60 мм. Приведу снимок фотодатчика.

Двойной измерительный датчик с фильтрами.

450x338  28 KB

Он состоит из двух кремниевых pin фотодиодов с рабочей площадью 10х15 мм, закрытых светофильтрами. Сам фильтр в процессе отладки многократно менялся и в версии, изображенной на рисунке, применен (очередной) фильтр от фотоаппарата. Для того чтобы черная каемка светофильтра не поглощала излучение, фильтр оклеен алюминиевой фольгой. Такое исполнение неизбежно вызовет блики, но они не попадают в поле зрения датчика, а потому не являются дефектом.

Кроме самого «шара», существует и другая проблема – светофильтры датчика. Для подобных измерений ГОСТ обязывает к применению кривую чувствительности глаза, которая выглядит следующим образом.

Кривая чувствительности глаза

400x350  8 KB

На графике отмечены уровни компонентов «синий»/ «зеленый»/ «красный», принятые за эквивалентное соотношение их «видимости». А именно, если зеленый принять за «1», то красный воспринимается как «1/2», а синий «1/5». Именно такие коэффициенты используются в системах, работающих с черно-белым и цветным изображениями. Например, телевизионное вещание. Эта особенность «формализации» весьма ценна и позже будет использована.

Принцип преобразования через «кривую чувствительности» был сформулирован и принят к использованию довольно давно, в эпоху ламп с равномерным спектром свечения, но не все «традиционное» означает «абсолютная истина». Если применить кривую видимости к «синему» светодиоду (не «голубому»), то прибор ничего не покажет, ведь 410-440 нм находятся вне полосы пропускания взвешивающего фильтра. И не важно, что вы видите свет своими глазами, аппаратура будет сообщать «0». Устраивает? Я уважительно отношусь к серьезной документации, которыми являются ГОСТ’ы и другие нормативные документы, но в этом случае существует явное противоречие с логикой.

Применение кривой чувствительности приведет измерение к «сферическому коню». Но и отсутствие фильтра окончится не менее печально. Как же выйти из ситуации? Если внимательно посмотреть на стандартную кривую, то можно отметить, что в зеленой-красной областях особых замечаний нет, особенно с точки зрения измерения характеристик обычных бытовых светильников. Сложности начинаются в синем участке, но этот дефект можно обойти, прибегнув к формализации кривой чувствительности, приведенной ранее (и, повторюсь, реально широко используемой) – чувствительность к синему цвету в пять раз меньше, чем к зеленому. Этого определения вполне достаточно.

Как итог обсуждения, для работы измерительной системы фотометрического шара требуется два датчика с разными длинами волн. Один на зеленый-красный диапазон со стандартной характеристикой, второй – равномерный «синий» фильтр.

Первый фильтр.

Спектральная чувствительность датчика зеленой-красной составляющей

450x156  6 KB

Датчик выполнен на кремневом pin фотодиоде с типичной спектральной характеристикой, которая уже учтена при выводе диаграммы. Для сравнения, приведу официальную кривую чувствительности глаза в логарифмическом представлении.

Кривая чувствительности глаза в логарифмическом масштабе

450x184  6 KB

По областям зеленых и красных цветов графики достаточно близки, а в области «синего» в моем фильтре следует резкий спад, и это хорошо – «синяя» компонента будет приниматься своим собственным датчиком.

Второй фильтр.

Спектр фильтра синего света для фотодатчика

450x156  6 KB

Фильтр слегка захватывает «зеленый», но это несущественно, весовой вклад этого датчика в несколько раз меньше основного (зеленый-красный) и на итоговом значении практически не скажется. К сожалению, фильтр пропускает ближний УФ, поэтому на фотодиод дополнительно установлено 2 мм силикатное стекло.

Для получения результирующего значения светового потока исследуемых ламп ток обоих датчиков складывается с соответствующими весовыми коэффициентами.

Страницы материала
Страница 1 из 2
Оценитe материал

Комментарии 9 Правила

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают