Исследование светотехнических характеристик светодиодных ламп ретрофитов Uniel

e-mail: , ORCID:

Ашрятов А. А. и др. Исследование светотехнических характеристик светодиодных ламп ретрофитов Uniel. Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 4. С. 349–360. DOI: 1560-9278-2023-26-4-349-360.

e-mail: , ORCID:

Ashryatov, A. A. et al. 2023. Study of the lighting characteristics of Uniel retrofit LED lamps. Vestnik of MSTU, 26(4), pp. 349–360. (In Russ.) DOI:

В современном мире искусственное освещение играет ключевую роль в обеспечении комфорта и функциональности. Одним из наиболее важных этапов в эволюции осветительных технологий стало появление светодиодных ламп (СДЛ). Эти источники света сразу привлекли внимание эффективностью, долговечностью и энергосберегающими характеристиками, заметно превосходя традиционные лампы накаливания и энергосберегающие люминесцентные лампы ( Байнева и др., 2018; Лишик и др., 2017; Баринова и др., 2020б).

Одной из разновидностей СДЛ являются лампы ретрофиты, разработанные с целью замены традиционных ламп накаливания, галогенных и люминесцентных ламп в существующих светильниках и осветительных системах. Термин "ретрофит" в данном контексте указывает на то, что эти СДЛ предназначены для обновления или модернизации старых светильников без необходимости полной замены инфраструктуры освещения ( Байнева и др., 2020; Макарова и др., 2019 ).

Актуальность исследования обусловлена необходимостью анализа светотехнических характеристик светодиодных ламп ретрофитов в результате широкого распространении на рынке световой продукции различного качества, а также оценкой изменения качества СДЛ ретрофитов при расширении их номенклатуры у отдельно взятого производителя.

Научная новизна статьи заключается в тщательном и всестороннем исследовании светотехнических характеристик СДЛ ретрофитов. В условиях быстрого развития светотехнических технологий, которые позволяют создавать более эффективные СДЛ ретрофиты, и множества предложений на рынке освещения данное исследование предоставляет информацию о том, какие из СДЛ ретрофитов действительно достойны внимания, а какие могут вызвать сомнения у потребителей. Полученные результаты могут послужить основой для принятия обоснованных решений при выборе СДЛ.

Цель работы – исследование и сравнение светотехнических характеристик СДЛ ретрофитов формфактора A60 и G45 производства российско-китайской компании Uniel в процессе расширения номенклатуры выпускаемых СДЛ ретрофитов.

Материалы и методы

Для исследования светотехнических характеристик были выбраны СДЛ ретрофиты российско-китайской компании Uniel: Uniel LED-G45-6W/4000К, Uniel LED-A60-8W/6500К и Uniel LED-A60-9W/4000К по три образца для каждой лампы. Тип цоколя у каждой из ламп – стандартный резьбовой Е27, а корпус – форм-фактора G45 для лампы Uniel LED-G45-6W/4000К и А60 для ламп Uniel LED-A60-8W/6500К и Uniel LED-A60-9W/4000К (рис. 1).

а                    б                      в

Рис. 1. Светодиодные лампы ретрофиты:

а – Uniel LED-G45-6W/4000К, б – Uniel LED-A60-8W/6500К, в – Uniel LED-A60-9W/4000К

Fig. 1. Retrofit LED lamps:

а – Uniel LED-G45-6W/4000К, б – Uniel LED-A60-8W/6500К, в – Uniel LED-A60-9W/4000К

В табл. 1 представлены светотехнические параметры, заявленные производителем СДЛ ретрофитов.

Таблица 1. Светотехнические параметры, заявленные производителем СДЛ ретрофитов Table 1. Lighting parameters provided by the manufacturer of LED retrofit lamps

Параметр	Наименование лампы
	Uniel LED-G45-6W/4000К	Uniel LED-A60-8W/6500К	Uniel LED-A60-9W/4000К
Напряжение питающей сети, В	175–250	175–250	175–250
Световой поток, лм	480	700	800
Потребляемая мощность, Вт	6	8	9
Световая отдача, лм/Вт	80	≥ 85	85
Индекс цветопередачи (R а )	95	≥ 80	95
Цветовая температура, К	4 000	6 500	4000
Коэффициент пульсации, %	< 5	< 5	< 5
Коэффициент мощности (cos φ)	> 0,7	0,7	> 0,7
Ток лампы, мА	38	—	56
Угол свечения, град	240	270	270
Срок службы, ч	30000	30000	30000

Лампы Uniel LED-A60-8W/6500К произведены согласно информации, указанной на упаковке, в апреле 2017 г., лампы Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К согласно информации, нанесенной на корпуса ламп (рис. 1), изготовлены в сентябре 2020 г.

СДЛ ретрофит Uniel LED-A60-8W/6500К согласно информации, приведенной на упаковке, является "яркой светодиодной лампой", имеющей комфортное свечение для глаз, индекс цветопередачи (Ra) более 80 и световую отдачу более 85 лм/Вт (табл. 1).

СДЛ ретрофиты Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К, которые можно отнести к более современным лампам, заявляются производителем как СДЛ, свет которых максимально близок к солнечному, поэтому они подходят для освещения детских, классных и игровых комнат, а также подойдут всем, кто заботится о своем здоровье в любом возрасте. Лампы обладают высочайшим индексом цветопередачи (R a ) – 95, у них практически отсутствует пульсация светового потока. При этом СДЛ ретрофиты Uniel LED-G45-6W/4000К имеет световую отдачу 80 лм/Вт, а Uniel LED-A60-9W/4000К – 85 лм/Вт (табл. 1).

Исследование характеристик СДЛ было проведено в лаборатории Центра коллективного пользования "Светотехническая метрология" (Институт электроники и светотехники МГУ им. Н. П. Огарёва)1.

Для измерения светотехнических характеристик ламп согласно ГОСТ IEC 62612-2019² была использована фотоколориметрическая измерительная установка от фирмы Gooch & Housego. Данная установка включает фотометрический шар OL IS7600, многоканальный спектрорадиометр OL 770 UV/VIS, оптоволоконный кабель 770–7G–3.0, прецизионный источник постоянного тока OL410–200 PRECISION LAMP SOURCE (используемый для питания вспомогательной лампы AUX LAMP A180), арматуру для крепления ламп, регулируемый автотрансформатор (для изменения напряжения питающей сети), блок мультиметров UNI-T UTD890D и компьютер ( Микаева и др., 2012 ).

Коэффициент пульсации освещенности и освещенность измерялись с использованием прибора пульсметр-люксметр ТКА-ПКМ 08. Кривые силы света (КСС) исследуемых ламп измерялись с помощью гониофотометра GО 2000А.

Ранее проведенные исследования распределения температуры по поверхности СДЛ показали, что в ряде случаев результаты измерений температуры СДЛ с помощью тепловизора типа Testo 881 отличаются от результатов измерения температуры с помощью контактной термопары. Это связано с тем, что показания тепловизора зависят от коэффициента излучения материалов исследуемого объекта. Поэтому распределение температуры по поверхности СДЛ проводили с помощью термопары контактного термометра типа Testo 925 ( Ашрятов и др., 2011 ).

Светотехнические параметры ламп были измерены после 15 минут их непрерывной работы.

Результаты и обсуждение

Светотехнические характеристики СДЛ, полученные в результате исследования (усредненные по трем образцам), представлены в табл. 2. Световая отдача рассчитана как отношение излучаемого светового потока к потребляемой мощности СДЛ.

Таблица 2. Светотехнические параметры светодиодных ламп ретрофитов Table 2. Lighting parameters of LED retrofit lamps

Параметр	Наименование лампы
	Uniel LED-G45-6W/4000К	Uniel LED-A60-8W/6500К	Uniel LED-A60-9W/4000К
Световой поток, лм	456	584	737
Потребляемая мощность, Вт	5,6	6,7	9
Световая отдача, лм/Вт	81,43	86,59	80,99
Индекс цветопередачи (R а )	97	83	97
Цветовая температура, К	4041	6670	4050
Коэффициент пульсации, %	0,7	0,3	1,7
Коэффициент мощности (cos φ)	0,569	0,557	0,548

Анализ заявленных и измеренных светотехнических характеристик СДЛ показал следующее:

• –    значение измеренного светового потока для всех ламп ниже заявленного производителем на 5 % для лампы Uniel LED-G45-6W/4000К, 7,9 % – для Uniel LED-A60-9W/4000К, что согласно ГОСТ IEC 62612-2019³ находится в пределах допуска. Световой поток лампы Uniel LED-A60-8W/6500К ниже номинального на 16,6 % и не соответствует допустимому;

• –    величина измеренной потребляемой мощности для ламп Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-8W/6500К ниже заявленной на 6,7 и 16,3 % соответственно. Мощность, потребляемая лампой Uniel LED-A60-9W/4000К, соответствует заявленной. Таким образом, измеренные мощности ламп не превышают номинальные значения более чем на 15 %, что отвечает требованиям ГОСТ IEC 62612-2019;

• –    световая отдача для всех ламп, кроме Uniel LED-A60-9W/4000К, выше заявленной. Значение световой отдачи у лампы Uniel LED-A60-9W/4000К ниже заявленного значения на 4,7 %;

• –    измеренные значения индекса цветопередачи (R_a) выше значений, заявленных производителем;

• –    измеренные значения цветовой температуры для всех ламп лежат в пределах диапазонов допустимых отклонений для заявленного значения⁴;

• –    измеренные значения коэффициента пульсации соответствуют заявленным для всех ламп.

В табл. 3 представлены результаты измерения характеристик СДЛ в зависимости от напряжения питающей сети после 15 минут непрерывной работы ламп. Параметры ламп, измеренные в начальный момент времени, отмечены пометкой "0 мин".

Таблица 3. Изменение светотехнических характеристик светодиодных ламп ретрофитов в зависимости от напряжения питающей сети

Table 3. Changes in the lighting characteristics of retrofit LED lamps depending on the mains voltage

Наименование лампы	U с , В	Р, Вт	cos φ	I, мА	К п , %	Е, клк
Uniel LED-G45-6W/4000К	175	5,29	0,621	48,7	0,4	2,27
Uniel LED-A60-8W/6500К		6,81	0,614	63,1	0,2	2,70
Uniel LED-A60-9W/4000К		8,97	0,612	50,6	1,5	3,41
Uniel LED-G45-6W/4000К	220 (0 мин)	5,89	0,582	46,0	0,4	2,55
Uniel LED-A60-8W/6500К		6,91	0,567	55,1	0,2	3,28
Uniel LED-A60-9W/4000К		9,50	0,572	41,6	1,0	3,83
Uniel LED-G45-6W/4000К	220	5,56	0,569	44,4	0,7	2,28
Uniel LED-A60-8W/6500К		6,74	0,557	55,5	0,3	2,72
Uniel LED-A60-9W/4000К		9,04	0,548	38,5	1,7	3,42
Uniel LED-G45-6W/4000К	250	5,75	0,533	43,2	0,7	2,30
Uniel LED-A60-8W/6500К		6,77	0,514	52,7	0,3	2,72
Uniel LED-A60-9W/4000К		9,11	0,525	34,8	1,5	3,41

Анализ результатов, представленных в табл. 3, показал, что вне зависимости от величины питающего напряжения (в пределах диапазона, указанного производителем) величина светового потока ламп, связанного напрямую с освещенностью, практически не изменяется. В то же время у ламп накаливания, на смену которым и разрабатываются СДЛ ретрофиты, величина светового потока зависит от напряжения питающей сети (Козловская и др., 2009). Стабилизация светового потока в СДЛ (в отличие от обычных ламп накаливания, у которых вольфрамовая спираль напрямую подключается к сети) осуществляется за счет специализированного драйвера, позволяющего стабилизировать силу тока, протекающего через светодиоды вне зависимости от напряжения питающей сети (Малышев, 2021). Также стоит отметить, что все лампы имеют достаточно низкое значение коэффициента мощности, не соответствующее значениям, указанным производителем (табл. 1). Таким образом, электроэнергия, потребляемая лампами, расходуется нерационально в результате присутствия в потребляемом токе большей реактивной составляющей (Вильданов и др., 2015; Баринова и др., 2020а).

Спектры излучения исследуемых ламп представлены на рис. 2–4.

Рис. 2. Спектр излучения лампы Uniel LED-G45-6W/4000К Fig. 2. Emission spectrum of the Uniel LED-G45-6W/4000K lamp

Рис. 3. Спектр излучения лампы Uniel LED-A60-8W/6500К Fig. 3. Emission spectrum of the Uniel LED-A60-8W/6500К lamp

Анализ спектра излучения позволяет сделать вывод, что лампы Uniel LED-A60-8W/6500К комплектуются светодиодами белого свечения, спектр которых, как известно ( Шуберт, 2008 ), состоит из синей полосы излучения полупроводникового кристалла с максимумом ~450 нм и полосы люминофора с максимумом ~560 нм, который преобразует часть синего излучения кристалла в излучение, расположенное в длинноволновой области спектра ( Нестеркина и др., 2020 ). Согласно данным⁵, эти лампы нецелесообразно использовать для освещения помещений, где находятся дети дошкольного и школьного возраста. Спектры излучения ламп Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К кроме излучения синей полосы полупроводникового кристалла с максимумом ~450 нм содержат излучение двух люминофоров, полосы которых имеют максимумы ~560 нм (зеленый цвет) и ~630 нм (красный цвет), благодаря которому снижается цветовая температура светодиодов. При этом интенсивность синего излучения (~450 нм) лампы Uniel LED-A60-9W/4000К (рис. 4) примерно в полтора раза ниже того же излучения у лампы Uniel LED-A60-8W/6500К (рис. 3), чем объясняется заявление производителя о целесообразности использования ламп Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К для освещения детских, классных и игровых комнат.

Рис. 4. Спектр излучения лампы Uniel LED-A60-9W/4000К

Fig. 4. Emission spectrum of the Uniel LED-A60-9W/4000К lamp

Кривые силы света (КСС) в системе фотометрирования С , γ для СДЛ представлены на рис. 5–7.

Пространственное распределение излучения СДЛ характеризуется шириной диаграммы направленности ( Справочная…, 2019 ), т. е. двойным углом половинной яркости (2 Θ 0,5 ), при котором интенсивность излучения уменьшается в два раза по сравнению с максимальным значением и вычисляется на основании результатов измерения распределения светового потока в пространстве ( Бугров и др., 2013 ).

Исследование светораспределения ламп в пространстве показало, что двойной угол половинной яркости у ламп Uniel LED-G45-6W/4000К составил 173 град, у ламп Uniel LED-A60-8W/6500К – 195 град и у ламп Uniel LED-A60-9W/4000К – 181 град. В то же время на упаковке ламп Uniel LED-G45-6W/4000К указан "угол свечения" 240 град, а у ламп Uniel LED-A60-8W/6500К и Uniel LED-A60-9W/4000К – 270 град (табл. 1). Такая большая разница в величине распределения излучения у исследованных ламп показывает, что либо термин "угол свечения" не соответствует термину "двойной угол половинной яркости", либо он значительно завышен. Исследование источников информации не дало описание термина "угол свечения".

Рис. 5. КСС лампы Uniel LED-G45-6W/4000К

Fig. 5. Light intensity curves (LIC) of the lamp Uniel LED-G45-6W/4000К

AVERAGE BEAM ANg£e(50«) :195.2 DEG

Рис. 6. КСС лампы Uniel LED-A60-8W/6500К

Fig. 6. LIC of the lamp Uniel LED-A60-8W/6500К

Вместе с тем исследование светораспределения СДЛ с отсутствующим рассеивателем показало, что двойной угол половинной яркости СДЛ в этом случае равен двойному углу половинной яркости SMD светодиодов, которые используются в лампе, и составляет 120 град, что соответствует косинусному типу КСС. Практически весь световой поток СДЛ в этом случае направляется в одну полусферу (Агаева и др., 2015). Таким образом, увеличение 2Θ0,5 связано с тем, что опаловый рассеиватель выполнен в виде шарового сегмента с углом 240 град. При этом светодиоды в лампе располагаются на печатной плате, имеющей покрытие с высоким коэффициентом отражения, и благодаря многократным отражениям, происходящим внутри лампы, часть излучения направляется в противоположную полусферу, т. е. в сторону цоколя. Таким образом, величина двойного угла половинной яркости увеличивается.

AVERAGE BEAU ANg£e(50«) :181.1 DEG

Рис. 7. КСС лампы Uniel LED-A60-9W/4000К

Fig. 7. LIC of the lamp Uniel LED-A60-9W/4000К

Результаты измерения температуры СДЛ приведены на рис. 8–10.

Рис. 8. Распределение температуры по корпусу лампы Uniel LED-G45-6W/4000К

Fig. 8. Temperature distribution over the lamp body Uniel LED-G45-6W/4000K

Как показано на рис. 8–10, распределение температуры по поверхности лампы зависит от ее ориентации в пространстве. Чаще всего лампа эксплуатируется либо цоколем вниз, либо цоколем вверх, реже – в горизонтальном положении (Егоров и др., 2017). Распределение температуры по поверхности корпуса ламп, приведенное на рис. 8–10, объясняется тем, что корпус лампы представляет собой композитную конструкцию, внешняя поверхность которой выполнена из пластмассы, внутри которой расположен алюминиевый вкладыш, рассеивающий тепло. Максимальная температура для всех ламп (вне зависимости от положения цоколя вниз или вверх) приходится на точку 3, где алюминиевый вкладыш контактирует с алюминиевой печатной платой, на которой расположены светодиоды. Минимальная температура у всех ламп при расположении цоколем вниз находится в точке 2, т. е. в центральной части рассеивателя. Однако в результате преобладающего процесса конвекции над теплопроводностью верхняя точка 1 рассеивателя имеет большую температуру по сравнению с точкой 2. При расположении ламп цоколем вверх максимальная температура также находится в точке 3, поскольку именно в данной области располагается источник тепла – печатная плата со светодиодами. Однако наблюдается повышение температуры в точке 4 и уменьшение в точках 1 и 2, что связано с воздействием конвекционных потоков нагретого воздуха на верхние участки корпуса лампы.

Рис. 9. Распределение температуры по корпусу лампы Uniel LED-A60-8W/6500К

Fig. 9. Temperature distribution over the lamp body Uniel LED-A60-8W/6500К

Рис. 10. Распределение температуры по корпусу лампы Uniel LED-A60-9W/4000К

Fig. 10. Temperature distribution over the lamp body Uniel LED-A60-9W/4000К

Стоит отметить, что внешняя поверхность пластмассового корпуса лампы Uniel LED-A60-8W/6500К выполнена в виде ребер. Таким образом, в тех местах, где расположены ребра (точки 5 и 6), толщина слоя пластмассы по сравнению с толщиной слоя пластмассы в точках 3 и 4 больше. Как известно, пластмасса обладает существенно меньшей теплопроводностью, чем алюминий6. Такая конструкция корпуса лампы позволяет иметь малую толщину слоя пластмассы в районе точек 3 и 4 и тем самым обеспечивать хорошее охлаждение светодиодов. Наличие рёбер на корпусе лампы в точках 5 и 6, с одной стороны, обеспечивает более удобную и качественную установку лампы в светильник, а с другой – конструкционную прочность крепления композитного корпуса к цоколю лампы.

Заключение

Измеренное значение начального светового потока всех ламп, кроме Uniel LED-A60-8W/6500К, соответствует значениям, указанным производителем. У лампы Uniel LED-A60-8W/6500К измеренный начальный световой поток менее 90 % от номинального светового потока. Также наблюдается небольшое снижение световой отдачи у лампы Uniel LED-A60-9W/4000К. Все исследуемые лампы имеют низкие показатели коэффициента мощности, не соответствующие номинальным значениям, что свидетельствует о наличии значительной реактивной составляющей в потребляемом токе. При этом измеренные мощности ламп Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-8W/6500К ниже заявленных на 6,7 и 16,3 %, а мощность, потребляемая лампой Uniel LED-A60-9W/4000К, соответствует заявленной, что отвечает требованиям ГОСТ IEC 62612-2019.

Исследование светораспределения ламп в пространстве показало, что "угол свечения", указанный на упаковках испытуемых ламп, не идентичен измеренному двойному углу половинной яркости. Такая большая разница в величине распределения излучения у исследованных ламп показывает, что либо термин "угол свечения" не соответствует термину "двойной угол половинной яркости", либо он значительно завышен.

Остальные светотехнические характеристики ламп адекватны значениям, указанным изготовителем, а также нормативным документам, регламентирующим допустимые отклонения параметров.

Сравнительный анализ СДЛ ретрофитов производителя Uniel показывает, что лампы Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К, выпущенные в 2020 г., имеют лучшие светотехнические характеристики по сравнению с лампами Uniel LED-A60-8W/6500К, выпущенными в 2017 г. Это свидетельствует о повышении качества светотехнических параметров СДЛ ретрофитов данного производителя. Повышение качества светотехнических характеристик Uniel СДЛ ретрофитов в новых моделях свидетельствует о стремлении производителя к улучшению своих продуктов и предоставлению более эффективных и качественных решений для освещения.

Таким образом, лампы Uniel LED-G45-6W/4000К и Uniel LED-A60-9W/4000К целесообразно рекомендовать для использования в качестве источников света на замену традиционным лампам накаливания.