Исследование изменения светотехнических характеристик полупроводниковых источников света различного конструктивного исполнения в процессе эксплуатации

В настоящее время актуальна проблема экономии электроэнергии в условиях ограниченности ресурсов и роста их потребления. Параметры техники освещения и облучения в значительной степени влияют на показатели производительности в различных отраслях народного хозяйства. Анализ результатов эффективности применения светотехнических приборов и установок представлен в ряде публикаций (Amelkina et al., 2018; Kovalenko et al., 2017; Нестеркина и др., 2019; Мариллас и др., 2019; Прикупец и др., 2019; Макарова и др., 2019), в которых приоритет в качестве эффективных источников света отдан полупроводниковым источникам (светодиодам). В связи с широким внедрением полупроводниковых источников света в целях освещения и декларированием фирмами-изготовителями больших значений срока службы данных источников возникает необходимость провести экспериментальные испытания маломощных светодиодных ламп, используемых в качестве замены ламп накаливания.

Целью настоящего исследования является анализ изменения в процессе эксплуатации светотехнических характеристик светодиодных ламп различной мощности и конструктивного исполнения: мощности, светового потока, световой отдачи, спектрального распределения излучения, коррелированной цветовой температуры.

Материалы и методы

Для проведения эксперимента были приобретены светодиодные лампы мощностью 9, 10, 12 Вт различного конструктивного исполнения: Philips 12W, HomeClub (LEDA60122727), FL-LED BA ECO, ASD Led-Свеча, General (GLD-R63-9-230-E27-4500), Ecola Reflector 9W (G7KW90ELC). Внешний вид ламп представлен на рис. 1–3.

б

в

Рис. 1. Внешний вид ламп мощностью 12 Вт: а – Philips 12W; б – HomeClub 12W (LEDA60122727); в – FL-LED BA ECO 9W Fig. 1. Appearance of 12W lamps: a – Philips 12W;

б – HomeClub 12W (LEDA60122727); в – FL-LED BA ECO 9W

Рис. 2. Внешний вид лампы ASD Led-Свеча мощностью 10 Вт

Fig. 2. The appearance of 10W lamp ASD Led-Candle

а                  б

Рис. 3. Внешний вид ламп мощностью 9 Вт: а – General 9W (GLD-R63-9-230-E27-4500);

б – Ecola Reflector 9W (G7KW90ELC) Fig. 3. Appearance of 9W lamps: a – General 9W (GLD-R63-9-230-E27-4500);

б – Ecola Reflector 9W (G7KW90ELC)

Исследование характеристик светодиодных ламп проводилось в центре коллективного пользования научным оборудованием "Светотехническая метрология" МГУ им. Н. П. Огарёва в соответствии с ГОСТом ¹ . В ходе испытаний был выбран режим эксплуатации ламп (время горения в сутки составляло 22 ч при одном включении и одном отключении ламп), который контролировался с помощью реле времени (данный режим может использоваться в производственных условиях). Измерения электрических и светотехнических параметров полупроводниковых ламп были проведены с учетом различных этапов срока службы (до начала работы ламп; после 1 500 ч работы; после 3 000 ч работы) и при номинальном напряжении питающей сети с помощью фотоколориметрической измерительной установки Gooch&Housego, включающей фотометрический шар OL IS 7600 диаметром 2 м, многоканальный спектрорадиометр OL 770 VIS/NIR, оптоволоконный кабель 770-7G-3.0, прецизионный источник постоянного тока OL410-200 PRESISION LAMP SOURCE (для питания вспомогательной лампы AUX LAMP A180), арматуру (для крепления ламп и компьютера).

Измерения выполнялись в помещении с неподвижным воздухом при температуре 25 ± 2°С, относительной влажности воздуха до 80 % и атмосферном давлении до 107 кПа; стены, пол и потолок имели глубоко-матовое черное покрытие; исключено влияние постороннего отраженного света от измерительного оборудования.

Пределы допускаемой относительной погрешности измерения светового потока составляли ±9 %, пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения координат цветности ∆Х = ∆Y ± 0,002, пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения коррелированной цветовой температуры ±25 К, погрешность установки выходного тока ±0,02 %. Принцип действия фотоколориметрической измерительной установки заключался в определении мощности излучения посредством измерения абсолютной спектральной плотности излучения, интегрировании ее и нахождении полной мощности излучения, попадающей на фотометрическую площадку (торец оптоволоконного ввода, связанного со спектрометром и ПЗС-линейкой); вычисления производились автоматически. Программное обеспечение, входящее в состав установки, выполняло функции отображения на экране управляющего компьютера информации в удобном для оператора виде, а также задания условий измерений ² .

Результаты и обсуждение

На первом этапе эксперимента проводились измерения электрических и светотехнических характеристик: мощности, светового потока, световой отдачи, коррелированной цветовой температуры. Заявленные производителем параметры, а также параметры, полученные в ходе исследования, представлены в табл. 1–4.

Таблица 1. Заявленные производителем характеристики ламп Table 1. Manufacturer's declared lamp specifications

Название лампы	Philips	Home Club	General Reflector	Ecola	FL-LED BA ECO	ASD Led-Свеча
Световой поток, лм	1 150	1 000	430	674	670	900
Коррелированная цветовая температура, К	3 000	2 700	4 500	2 800	2 700	3 000
Срок службы, ч	30 000	30 000	50 000	50 000	30 000	30 000
Мощность, Вт	12	12	9	9	9	10
Световая отдача, лм/Вт	95,8	83,3	47,8	74,8	74,4	90

Таблица 2. Измеренные параметры ламп до начала работы Table 2. Measured lamp parameters before operation

Название лампы	Philips	Home Club	General Reflector	Ecola	FL-LED BA ECO	ASD Led-Свеча
Световой поток, лм	1 341	1 026	663	609	352	775
Коррелированная цветовая температура, К	2 997	3 078	3 929	2 990	3 087	3 010
Мощность, Вт	10	12	9	7	4	9
Световая отдача, лм/Вт	134,1	85,5	73,66	87	88	86,11

¹ См.: ГОСТ Р 54350-2015. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2015. 41 с. ; ГОСТ Р 55702-2013. Источники света электрические. Методы измерений электрических и световых параметров. Введ. 2013-11-08. М. : Стандартинформ, 2013. 44 с.

Таблица 3. Измеренные параметры ламп после 1 500 ч работы Table 3. Measured lamp parameters after 1,500 hours of operation

Название лампы	Philips	Home Club	General Reflector	Ecola	FL-LED BA ECO	ASD Led-Свеча
Световой поток, лм	1 168	752	665	634	351	649
Коррелированная цветовая температура, К	3 062	3227	3 997	3 022	3 108	3 053
Мощность, Вт	10	12	9	7	4	9
Световая отдача, лм/Вт	116,8	62,66	73,88	90,57	87,75	72,11

Таблица 4. Измеренные параметры ламп после 3 000 ч работы Table 4. Measured lamp parameters after 3,000 hours of operation

Название лампы	Philips	Home Club	General Reflector	Ecola	FL-LED BA ECO	ASD Led-Свеча
Световой поток, лм	1023	523	445	521	276	484
Коррелированная цветовая температура, К	3 068	3 233	4 045	3 024	3 141	3 090
Мощность, Вт	10	12	9	7	4	9
Световая отдача, лм/Вт	102,3	43,58	49,44	74,42	69	53,77

По полученным результатам построен график зависимости световой отдачи от времени эксплуатации

Рис. 4. График зависимости световой отдачи светодиодных ламп от срока службы

Fig. 4. The dependence of the light output of LED lamps on the service life

На втором этапе исследований было проведено измерение спектральных характеристик полупроводниковых источников света.

Результаты измерений спектральных характеристик на примере лампы Home Club 12W в зависимости от срока эксплуатации представлены на рис. 5.

Анализ измерений спектральных характеристик ламп в зависимости от срока эксплуатации показал, что в течение срока службы максимум длины волны в среднем на 1–2 нм сдвигался в область коротковолновых длин волн, полуширина спектра синей линии изменялась от 1 до 7 нм, незначительно менялись и другие спектральные характеристики.

LED Peak Wavelength : 599.6 ne

Peak Spectral Value : 2.868e-062 W/nii

Half Bandwidth : 128.0 nm

Color Temperature : 3078 К

Dominant Wavelength : 581.9 no

Purity : 0.524

Total Radiant Flux (Power) : 3.0713*4000 W

TLF/Averaged LED Intensity : 1.026er003 Im

Center Wavelength : 589.4 no

a)

LED Peak Wavelength : 597.5 no

Peak Spectral Value : 1.479e-002 W/ne

Half Bandwidth : 130.1 nm

Color Temperature : 3227 К

Doeinant Wavelength : 581.9 no

Purity : 0.462

Total Radiant Flux (Power) : 2.2783et000 W

TLF/Averaged LED Intensity : 7.52de+002 Im

Center Wavelength ; 587.4 nm

LED Peak Wavelength ; 597.3 nm

Peak Spectral Value : 2.425e-002 W/no

Half Bandwidth : 131.6 nm

Color Temperature : 3233 К

Dominant Wavelength : 582.0 his

Purity : 0,430

Total Radiant Flux (Power) : 1.598164000 W

TLF/Averaged LED Intensity : 5.23564082 Im

Center Wavelength : 586.6 nm

в)

Рис. 5. Спектральное распределение и параметры лампы HomeClub 12W: а – до эксплуатации; б – после 1 500 ч эксплуатации; в – после 3 000 ч эксплуатации Fig. 5. Spectral distribution and parameters of the HomeClub 12W lamp:

a – before operation; б – after 1,500 hours of operation; в – after 3,000 hours of operation

Заключение

Анализ измерений показал, что заявленным параметрам соответствовали лампы Philips и Ecola. В процессе работы наименьшим спадом параметров обладала лампа Ecola, наибольшим – Home Club. Наибольшую световую отдачу в течение всего периода исследований имела лампа Philips, наименьшую – FL-LED BA ECO.

Для всех типов ламп наблюдалось незначительное увеличение коррелированной цветовой температуры, которое не превышало 5 %.

Сравнительный анализ изменения спектрального распределения излучения в процессе эксплуатации свидетельствует о том, что максимум длины волны в среднем на 1–2 нм сдвигался в область коротких длин волн.

Снижение световой отдачи ламп в зависимости от времени горения (3 000 ч) составило: Philips – 23,8; Home Club – 49,4; General Reflector – 32,8; Ecola – 14,9; FL-LED BA ECO – 21,5; ASD Led-Свеча – 38,3 %.

В процессе исследования параметров полупроводниковых источников света были доказаны высокая эффективность и целесообразность их использования в сравнении с традиционными источниками света.