Система управления освещением на светодиодах    

Задачи и принципы построения

Э. Б. Слободник, канд. техн. наук, генеральный директор,

Е. Х. Аллаш, заместитель генерального директора, ООО «Рэмик-2»,

В. А. Казаков, профессор, чл.-кор. Российской экономической академии, генеральный директор,

С. Б. Казанцев, исполнительный директор, ООО «РИТМ-2»

Конец XX века ознаменовался появлением принципиально новых электрических источников света – светодиодов (в иностранной литературе обычно называемых LED – Light Emitted Diode). Светодиод – это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение, которое в видимой области воспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Полупроводник – это материал, который пропускает электрический ток в одном направлении. Излучение в этих источниках генерируется не за счет нагревания нити накала, как в лампах накаливания, и не за счет электрического разряда, как в МГЛ, а за счет выделения энергии электронами при прохождении тока через границу металла и полупроводника. В отличие от всех остальных источников света, излучение светодиодов не содержит тепловых (инфракрасных) и ультрафиолетовых лучей. Поэтому светодиоды не нагревают освещаемые предметы и не вызывают их выцветания. Размеры их очень малы, что позволяет легко перераспределять световой поток в пространстве с помощью отражателей или линз. Благодаря этому на светодиодах можно создавать высокоэффективные светильники для витринного и экспозиционного освещения, не принимая дополнительных мер по защите освещаемых предметов от перегрева и ультрафиолетового облучения. В последнее время получили широкое распространение белые светодиоды – своеобразный гибрид светодиода и люминесцентной лампы. Это монохроматический синий диод, покрытый слоем люминофора, который под действием синего излучения светодиода излучает цвет в широкой области спектра – от зеленого до красного. При смешении с собственным излучением светодиода получается свет, который человеческим глазом воспринимается как весьма близкий к обычному дневному свету, иногда с небольшим смещением в сторону холодных тонов. В последние годы эффективность светодиодов существенно возросла. В настоящее время она достигает в зависимости от цвета 30 лм/Вт и более (для сравнения, лучшая светоотдача у ламп может достигать в лабораторных условиях 200 лм/Вт). Типичный светодиод потребляет ток 15–20 мА при рабочем напряжении 1,7–4,6 В. Цветопередача находится в пределах Ra > 80.

Основные преимущества светильников на светодиодах:

1. Направленность светового потока – возможность создавать точечную направленность света. Светодиоды размещаются на плоской поверхности и производят идеальное направленное освещение. Показатель использования светового потока равен 90 %, тогда как у стандартного источника света он составляет не более 60–75 %;

2. Контрастность при освещении поверхности светодиодами в 400 раз превышает контрастность газоразрядных ламп, что обеспечивает идеальную четкость освещаемых объектов и цветопередачу (индекс цветопередачи составляет 80–85);

3. Отсутствие стробоскопического эффекта. При работе светодиодной матрицы отсутствует вредный эффект низкочастотных пульсаций, свойственный люминесцентным и газоразрядным источникам света;

4. Моментальное включение – не требуют времени на «разогрев» до полноценного уровня светоотдачи;

5. Низкий пусковой и рабочий токи, что снимает опасность перегрузки сети в момент включения светильников со светодиодами. Рабочий и пусковой токи равны 0,7–1,1 А, у светильников с газоразрядной лампой пусковой ток равен 4,5 А, а рабочий – 2,1 А;

6. Устойчивость к износу – срок действия не зависит от частоты включения / выключения. На продолжительность срока службы обычных ламп влияет частота включения / выключения;

7. Контролируемость и управляемость – совместимость с электронными системами контроля, которые управляют интенсивностью и цветом светового потока;

8. Устойчивость к низким температурам – возможность работы на холоде и в неблагоприятных условиях. В условиях низких температур эффективность излучения люминесцентных ламп резко падает. Эффективность светодиодов немного повышается при низких температурах, что делает их незаменимыми в наружном освещении;

9. Прочность и надежность – отсутствие стеклянных деталей и нити накала делает их незаменимыми в условиях промышленности, на транспорте, эскалаторах и в других ситуациях. Светодиоды также широко используются как антивандальное освещение, т. к. не содержат стекла, что отвечает требованиям безопасности и для детских комнат;

10. Специальные димеры для светодиодов работают с максимальной амплитудой, и минимальная интенсивность света составляет 5 % от максимума, а бывает и даже меньше;

11. Ресурс светильников со светодиодными матрицами составляет 40–70 тыс. ч работы, что эквивалентно 15–20 годам работы в режиме городского освещения (за это время галогеновую лампу пришлось бы сменить 100 раз, а металлогалогеновую – 30);

12. Экономия электроэнергии достигает 50 % по сравнению с традиционными газоразрядными лампами и 90 % – по сравнению с лампами накаливания.

Экономия энергии – общемировая проблема, поскольку невозможно производить энергию без разрушительных последствий для окружающей среды и климата. В европейских странах начата борьба против нерационального использования электричества, объявив врагом номер один обычные лампочки накаливания – ведь они только 4 % потребляемой энергии превращают в свет, а все остальное – тепловые потери. Крупнейшие компании соревнуются за то, чтобы предложить наиболее эффективное решение, которое можно было бы использовать для общего освещения. Поэтому внедрение в России энергосберегающих технологий является в настоящее время приоритетным направлением и требует не только активности частных и государственных предприятий, но и значительной поддержки государства на муниципальном уровне. Если взять, к примеру, ЖКХ, то его реформа невозможна без эффективных энергосберегающих программ и технологий, иначе она просто захлебнется в неплатежах: уж больно «кусачими» с каждым годом становятся цены на энергоресурсы. Так, например, в 2005 году российский жилищно-коммунальный сектор потребил более 60 % всей произведенной в стране электроэнергии – 22 из 36 млрд кВт·ч. При советской власти все было с точностью до наоборот: 70 % энергии потребляла промышленность. Ежегодно на отечественном рынке реализуется 1,5 млрд лампочек более трехсот видов. Так, например, по данным академика Академии электротехнических наук (АЭН РФ), докт. техн. наук Айзенберга Ю. Б., если считать, что в жилых домах Москвы не менее 1 млн лестничных клеток, то при замене на них светильников с ЛН (40 Вт) на светильники с СД (10 Вт) может быть получена годовая экономия электроэнергии около 150 млн кВт·ч при тех же параметрах освещения. Применение светильников с СД в коридорах, холлах и т. п. может увеличить эту цифру еще в 2–3 раза.

Двумя московскими предприятиями для ЖКХ была разработана система управления освещением, построенная на применении светодиодных осветительных приборов различного назначения и световой мощности. Каждый прибор оснащен импульсным источником питания собственной разработки, позволяющим управлять параметрами освещения при неизменно высокой стабильности.

Технические характеристики ESP

1. Вход: - напряжение питания – 24–264 В AC/DC; 2. Программирование функций: - запуск выбранной функции – интерфейс TTY или «сухой контакт»; - число программируемых функций – 3; - формирование циклических или конечных последовательностей импульсов, состоящих из циклов включения, диммирования и выключения; - максимальное число циклов – 48; - диммирование характеризуется уровнем диммирования, временем нарастания и временем выдержки; 3. Измерительная цепь защиты: - ток нагрузки Iном – 10 А; - пределы уставки защиты по току – 0,2–1,7 Iном; - время определения тока короткого замыкания – не более 1 мс; 4. Выход: - бесконтактный ключ с определением перехода через ноль; 5. Индикация: - норма; - авария; - короткое замыкание; - обрыв нагрузки. 6. Корпус: - степень защиты – корпус IP40; - клеммник – IP20; - условия эксплуатации – УХЛ4; - монтаж – DIN-рейка NS35/7,5 EN50022; - габаритные размеры – 69 х 125 х 60 мм.

Концептуально система управления освещением для ЖКХ подразделена на три подсистемы:

• для освещения подъездов жилых домов, холлов, лестничных клеток и внутридомовых помещений;
• для освещения дворов, игровых дворовых площадок, детских площадок и т. п.;
• для освещения улиц, площадей и прожекторного освещения.

В зависимости от применения, светильники имеют или встроенное управление, или регулируются от блока в щитовом или настенном исполнении.

Управление ведется по параметрам:

• освещенности (включение / выключение);
• по временным параметрам (включение и выключение через заданные интервалы времени);
• по сигналу датчика присутствия;
• диммирование в сочетании с датчиком присутствия и без него;
• освещенности и заданным временным параметрам, в сочетании с диммированием и без него.

Система управления освещением комплектуется из изделий, выпускаемых на сегодняшний день мелкими партиями и подготовленными к серийному производству. Это светильники типов:

• светильник для общественных помещений (рис. 1);
• светильник консольный для освещения улиц и площадей (рис. 2);
• светильник для внутридомовых помещений и спортивных залов (рис. 3).

  Рисунок 1. Светильник для общественных помещений

  Рисунок 2. Светильник консольный для освещения улиц и площадей

  Рисунок 3. Светильник для внутридомовых помещений и спортивных залов

Технические характеристики светильников представлены в таблице.

Управление светильниками осуществляется интеллектуальным электронным ключом ESP, позволяющим подсоединять (бесконтактно) различные виды нагрузок (до 15 А) к сети 85–264 В с источником питания АС, и автоматом управления освещением FR-11.

Технические характеристики FR-11

- напряжение питания – 24–220 В; - род тока – постоянный, переменный; - режим работы – 100 % (непрерывный); - условия эксплуатации УХЛ4 – 5–40 °С; - степень защиты – IP20; - диапазон температур хранения – -40–85 °С. Характеристики каналов управления: Канал 1: - диапазон регулирования уровня срабатывания – 0–100 Люкс; - тип регулировки – плавный; - выход – два нормально разомкнутых релейных контакта; Канал 2: - диапазон регулирования уровня срабатывания – x 1; x 1,5; x 2; x 3 от уровня, установленного для канала 1; - тип регулировки – ступенчатый; - выход – нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт; - номинальные режимы коммутации на одну контактную группу реле (количество циклов срабатывания, не менее) при cos φ ≥0.5:             – 0,1A, 12 В ~ не менее 5•105;             – 5 А, 30 В = не менее 9•104;             – 5А, 220 В ~ не менее 9•104; - допустимые режимы коммутации – 103 замыканий до 30 А на время до 0,1 с с размыканием до 5А, ~245 В или = 30 В до 0,1 Гц. Система управления освещением имеет функцию диспетчеризации по телефонной сети (модуль интерфейса) или через модуль GPRS.

Ключ обладает высоким быстродействием, малыми габаритами и возможностью программировать функции – формирование циклических или конечных последовательностей импульсов. Ключ является импортозамещающим и превосходит по своим характеристикам продукцию фирмы Chorus Gewiss: GW90841 – регулятор освещения для резистивной / индуктивной нагрузки.

Автомат управления освещением FR-11 представляет собой микропроцессорное устройство, многофункциональное фотореле, предназначенное для автоматизированного принятия решения на включение и выключение нагрузок в зависимости от уровня освещенности датчика. Управление производится по двум каналам. Включение первого канала осуществляется при достижении установленного уровня освещенности «сверху», после чего канал остается включенным в течение установленного интервала «Ночь». Затем нагрузка выключается на установленный интервал «Утро». По истечении последнего интервала нагрузка снова включается и остается включенной до достижения уровня освещенности заданного значения освещенности «снизу».

Второй канал включается при достижении «сверху» уровня освещенности, кратной установленной для первого канала, и выключается при достижении того же уровня «снизу». Данный канал может быть использован для включения дежурного освещения в помещении. Кроме того, первый канал может быть включен в течение интервала «Утро» путем замыкания внешних контактов автомата, что позволяет осуществлять ручное управление освещением. Внешние контакты могут работать в трех различных режимах, определяемых установкой DIP-переключателей на лицевой панели прибора, – переключение канала в противоположное состояние при изменении состояния любого входного контакта; включение канала на 3 мин. при срабатывании одного канала и удержании канала включенным при замыкании другого; включение канала на 3 мин. при изменении состояния на любом из входных контактов.

В настоящее время назрела необходимость создания в России программы развития светодиодной промышленности, светотехнических устройств на основе светодиодов и повсеместного применения этих устройств в общественном освещении, что внесет существенный вклад в решение проблемы сбережения энергии.