Перспективы использования светодиодных светильников

С. В. Гужов, руководитель направления «Энергоэффективность в системе образования», Московский центр энергоэффективных технологий Департамента образования Москвы

Рынок светодиодных светильников

Сегодня на отечественном и мировом рынке представлена широкая линейка светодиодных светильников (СДС):

• источники света для прямой замены ламп накаливания (ЛН) и компактных люминесцентных ламп (КЛЛ);
• аналоги офисных светильников для Armstrong, светильников типа MR‑16 и т.д.;
• светильники для архитектурной подсветки и оформления дизайнерских решений;
• системы для формирования масштабных экранов;
• мощные прожекторы;
• аналоги уличных светильников для освещения различных типов автотрасс;
• разнообразные светильники для нужд ЖКХ.

Современным светодиодным светильникам присущи все атрибуты устройств, способных к управлению через компьютерные интерфейсы. На практике пока нет возможности говорить о существующих схемах централизованного управления, хотя технически вполне возможно выпускать соответствующие блоки управления.

Рисунок 1. Структурная блок-схема управляемого светодиодного светильника

Структурная блок-схема управляемого СДС состоит из нескольких составляющих (рис. 1, поз. 1–6). Существенные различия схем разных фирм заключаются в принципиальной схеме блока управления и в типе применяемого фильтра подавления высокочастотных помех.

Стоит отметить, что начиная с 2010 года в сферах уличного освещения и светильников ЖКХ появилась продукция с функцией управления световым потоком по различным каналам (рис. 1, поз. 7–11).

Большая часть составляющих (рис. 1, поз. 1–6) конструктивно объединена в стандартные блоки, доступные для любого рядового покупателя. Блок управления (БУ) представляет уникальный прибор, изготавливаемый по собственным разработкам производителя. В зависимости от сложности, функциями блока управления могут являться:

• контроль корректности параметров сетевого тока и напряжения;
• контроль температуры на СД;
• обеспечение возможности изменения тока и напряжения на СД с целью их диммирования;
• самоконтроль логических цепей и цепей диммирования светильника на предмет их исправности;
• взаимодействие с различными датчиками, обработка полученных данных и определение плана функционирования и т.д.

Для реализации подобных функций современные БУ СДС компонуются на основе логических элементов и микроконтроллеров. Иными словами, современным светодиодным светильникам присущи все атрибуты устройств, способных к управлению через компьютерные интерфейсы. Таковых к настоящему моменту разработано более 50: LAN, EIB, Modbus, RS‑485, RS‑232, Ethernet и т.д. Все они используются для автоматизации зданий. Что применяется для автоматизации передовых и наиболее технологичных светодиодных светильников? Ничего…

Адресное управление

Как же производить адресное управление множеством СДС? Можно использовать следующие способы:

1. В пределах каждого помещения установить все необходимые датчики, завязанные на блок управления. Запрограммировать БУ и увязать на него каждый из светильников. Основные недостатки: крайняя трудоемкость процесса наладки и корректировки (что неизбежно в 80%), а также высокая стоимость дополнительных устройств.

2. Присоединение всех датчиков проводным интерфейсом к единой системе управления освещением по зданию и адресное управление светильниками с использованием того же проводного интерфейса. Основные недостатки: высокая стоимость километров соединительных кабелей, а также невысокая дальность действия (до 300 м) проводных интерфейсов, что влечет дополнительные затраты на маршрутизаторы и усилители сигнала.

3. Использование беспроводных интерфейсов на основе ячеистых технологий [3] для осуществления связи между датчиками, центральным блоком управления и светильниками.

Современные радиоинтерфейсы га-рантированно работают автономно от встроенных батарей на протяжении 15 лет. Каждое устройство одновременно работает как источник собственных и как передатчик чужих сигналов. Подобная сеть является самоконфигурирующейся. При ее наладке достаточно просто конфигурировать группы и задавать соответствующие сценарии их работы. Главное – систему можно легко перенастраивать на уровне отдельного светильника. В России подобные системы несколько лет используются в беспроводных системах опроса приборов учета. В Израиле ячеистые сети используются военными для передачи видеоизображения с автономных камер. Никого из нас не удивляет радиоуправляемая игрушка или устройство Bluetooth. Используемый радиоканал легко может использоваться для передачи любого компьютерного интерфейса. А что сейчас применяется для абсолютно аналогичного беспроводного управления светодиодными светильниками? Ничего…

Применять надо уметь

Теперь коснемся непосредственно светодиодной составляющей светильника. О преимуществах светодиодов сказано достаточно. Но специалистам известен и ряд недостатков, связанных со сложностями изготовления и эксплуатации светильников. Стоит отметить, что все эти недостатки происходят, по сути, от неумелого и неправильного применения.

1. Наиболее часто мы слышим укор, что срок службы блока питания светодиодных светильников существенно меньше заявленного срока службы светодиодной сборки: 15 и 40 тыс. ч соответственно. Но это не проблема самих светодиодов, здесь виновата не развитая до должного уровня компонентная база.

2. Светодиодные источники света неудобно применять в существующих светильниках. Тяжело повторить нужную КСС. Проблема в том, что все СДС проектируются без учета светотехнических преимуществ СД. В 90% случаев бал правит задача простой подгонки КСС для приспособленных под другие источники света люстр, торшеров, бра. И мало кто задумывается о том, что новые источники света требуют новых светильников. Это затормаживает сферу СДС.

3. В большинстве светильников светодиоды открыты для взгляда. При этом в глазу наблюдателя возникает эффект засветки, аналогичный по вредности воздействию сварки. Это вновь возвращает нас к вопросу правильности и грамотности конструирования новых СДС или приспособления светодиодов для корпусов старых светильников. Только сейчас такие крупные компании, как, например, Philips, начинают выпускать на рынок СДС полностью на отраженном свете.

4. Большинство типов пластика, используемого для изготовления плафонов СДС, подвержены ускоренному старению из-за воздействия повышенной температуры и особого спектра излучения светодиодов. Корень данной проблемы лежит в слабой развитости и недостаточной распространенности сферы изготовления соответствующих пластмасс.

5. Светодиоды – устройства, работающие с управлением по току, в то время как привычные нам ЛН и КЛЛ сконструированы под источники ЭДС. Для включения в сеть СДС приходится дополнительно использовать блоки питания, которые удорожают изделия и являются источниками паразитных гармонических составляющих тока.

6. Нормативами принято сетевое напряжение ~220 В с допустимыми колебаниями до –10%. Но светодиодные светильники могут нормально работать при сетевом напряжении до –25%. Принятые сейчас требования к качеству напряжения не позволяют раскрыть все преимущества СДС.

Таким образом, даже в светильниках среднего и высшего ценового сегмента российского рынка светодиоды используются далеко не на 100% своих возможностей, поэтому значительная доля потребителей не осознает всего потенциала, предлагаемого светодиодными светильниками. Ситуацию можно сравнить с проблемой замены костра в пещере древнего человека на лампочку накаливания. Древний человек наверняка скажет, что лампа накаливания гораздо хуже: света столько же, а мамонта на ней не зажарить. А что делается специалистами упомянутых выше областей науки и техники для преодоления недоиспользования возможностей светодиодов в освещении? Практически ничего. Только в последний год мы начали разговаривать о недостатках светодиодных светильников и намечать пути к улучшению.

Подводим итоги

Начиная с середины первого десятилетия XXI века светодиодное освещение в России перестало быть сказкой. Уже около 5 лет каждый знал, что светодиодное освещение – это наиболее эффективное и долговечное решение. Техника развивается, появились сверхъ-яркие светодиоды, системы светораспределения на полностью отраженном свете, новейшие адресные системы управления RGB-матрицами. Но прошло уже 5 лет, а самым главным недостатком светодиодных светильников по-прежнему называют только высокую цену. Но научную мысль не остановить.

Все чаще в практике строительства приходится слышать сетования на нерадивых изготовителей, которые «не могут догадаться решить элементарные монтажные недоработки светильников». Эти жалобы – только следствие более глубинных проблем.

Действительно, за последние 5 лет производителями светодиодных светильников предложено весьма мало (если не ничего) из доступных решений централизованного контроля и управления светодиодным освещением (АСКУО). Сегодня широко применяются системы для управления габаритными светодиодными экранами и иными масштабными осветительными системами. Технически все они представляют обособленные системы, управляемые отдельными протоколами по отдельным сетям. Это не вызывает проблем, покуда мы говорим о монтаже уникальных объектов, т.к. для возведения уникальных объектов формируют уникальные сметы. Но когда мы говорим о серийном строительстве, то сразу сталкиваемся с проблемой наличия спроса в отсутствие предложения.

При переходе в светодиодном освещении от маленьких пилотных зданий к серийным управляемым осветительным установкам возникает множество проблем: начиная от недостаточной квалификации монтажников и привычки зажигать лампочки «на искру» до вопросов качества серийных образцов СДС.

Рисунок 2. Тенденции развития некоторых показателей светодиодных систем освещения

Результаты анализа качества развития вышеперечисленных параметров СДС представлены на рис. 2. Можно говорить о достаточно быстром росте срока службы БП, повышении паспортных температурных режимов работы светодиодов, улучшении сложности БП и их приспособленности к российским нормам. Но БП практически не улучшаются в направлении интеграции их в единую систему управления. Также не улучшается ситуация в области неприспособленности большинства производимых светильников для использования в них светодиодных источников света. Но СДС производятся сразу с корпусом и могут применяться отдельно. Одновременно неприспособленность светодиодных систем к дистанционному управлению становится тормозящим фактором, мешающим созданию качественных светильников, соответствующих ожиданиям рынка.

Основными направлениями постоянной модернизации и улучшения светодиодных осветительных систем являются внедрение новейших поколений светоизлучающих диодов; разработка и улучшение систем светораспределения; моделирование и производство более качественных блоков питания. Настоящая статья открывает новое направление для улучшения существующих и разработки совершенно новых объединенных систем управления и контроля осветительных систем и иных слаботочных систем здания. Проведенный анализ показал: недостатков современных светодиодных осветительных систем более чем достаточно. Более того, ни одна из предлагаемых рынком систем освещения на основе светодиодов не раскрывает возможности светоизлучающих полупровод-ников на 100%.