Исследование влияния напряжения питания на температуру и световой поток фитосветодиодного модуля 6040-А2525(А)

Введение. Сооружения защищенного грунта широко используются для выращивания растений и позволяют получать свежую продукцию в любое время года. Одним из важных параметров, необходимых для жизнедеятельности растений, является освещенность, при этом наиболее благоприятно освещение синего и красного светового спектра с длинами волны 3 80-490 и 600-720 нм соответственно [1]. Оба этих цвета содержатся в фитосветильниках, которые обретают всё большую популярность из-за их эффективности. Фитосветильники ведущих производителей имеют высокие технические характеристики и недешевы, однако в продаже имеются недорогие фитосветодиодные модули, в основном китайского производства, на основе которых можно собрать фитосветильник нужной мощности. Недостатком дешевых светодиодных модулей является их существенно меньший срок службы. Как показали наши эксперименты с недорогими модулями 6040-А2525(А) с номинальным напряжением питания 220 В, в них происходит перегрев кристалла светодиода даже при использовании радиатора охлаждения значительной площади. Известно, что повышенная температура кристалла светодиода существенно снижает его срок службы из-за ускоренной деградации [2]. Чтобы увеличить срок службы модулей за счет уменьшения температуры, можно понизить напряжение питания. Но при его снижении падает и световой поток модуля, поэтому следует найти некий оптимальный баланс между температурой кристалла (следовательно, и его долговечностью) и световым потоком.

Экспериментальная установка (рис. 1) устроена следующим образом: на фитосветодиодный модуль 6040-А2525(А) подается напряжение, которое можно регулировать с помощью лабораторного автотрансформатора; фотоэлемент люксметра Ю-116 установлен на расстоянии 20 сантиметров от светодиодного модуля, температура измеряется при помощи цифрового термометра в средней точке модуля.

Выявлено, что при повышении напряжения свечение светодиодов наступает при напряжении в 150 вольт. Далее снимались показатели люксметра и термометра с шагом одна минута, пока температура и освещенность не достигала установившегося значения. После этого напряжение повышалось на 10 вольт, и опыт повторялся. Полученные экспериментальные данные сведены в таблицу 1.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

Таблица 1 – Экспериментальные данные

№ опыта	U, В	T, С	E, Лк
1	140	23	0
2	150	27	550
3	160	34	1300
4	170	50	2400
5	180	82	3410
6	190	110	4000
7	200	110	4100
8	210	110	4100
9	220	110	4100

На основании экспериментальных данных был проведен корреляционный и регрессионный анализы в программном пакете для статистического анализа Statistica [3, 4, 5], при этом фактором является U (напряжение, В), а целевыми функциями – T (температура светодиодного модуля, ˚C) и E (освещённость, Лк). На рис. 2 представлены результаты анализа.

Рисунок 2 – Результаты анализа корреляционной связи

Двумерные зависимости корреляционной связи между фактором и целевыми функциями приведены на рис. 3.

Рисунок 3 – Двумерные зависимости корреляционной связи температуры светодиодного модуля T и освещённости E от напряжения U

По результатам корреляционного анализа можно сделать следующие выводы:

‒ Корреляционная связь между напряжением, подаваемым на фитосветильник, U и температурой светодиодного модуля T сильная, корреляция прямая (r (X;Y) равен 0,9446), корреляционная связь существенна на 5% уровне значимости.

‒ Корреляционная связь между между напряжением, подаваемым на фитосветильник, U и освещенностью Е сильная, корреляция прямая (r (X;Y) равен 0,9422), корреляционная связь существенна на 5% уровне значимости.

‒ Корреляционная связь между температурой светодиодного модуля T и освещенностью Е сильная, корреляция прямая (r (X;Y) равен 0,974), корреляционная связь существенна на 5% уровне значимости.

Также был произведен регрессионный анализ исходных данных для температуры светодиодного модуля T (рис.4) и освещенности Е (рис. 5).

Рисунок 4 – Результаты регрессионного анализа зависимости температуры светодиодного модуля T от напряжения, подаваемого на фитосветильник, U

Уравнение регрессии для температуры T согласно данным таблицы результатов регрессионного анализа имеет вид:

Т = 0,005114 • и2 - 0,533635 • U

Согласно уравнению, на увеличение температуры светодиодного модуля T влияет напряжение, подаваемое на фитосветильник, в степени 2, а на уменьшение – напряжение, подаваемое на фитосветильник, в первой степени.

Рисунок 5 – Результаты регрессионного анализа зависимости освещенности Е от напряжения, подаваемого на фитосветильник, U

Уравнение регрессии для освещенности Е согласно данным таблиц результатов регрессионного анализа имеет вид:

Е = 0,2229 • U2 - 26,0881 • U

Согласно уравнению на увеличение освещенности Е влияет напряжение, подаваемое на фитосветильник, в степени 2, а на уменьшение – напряжение, подаваемое на фитосветильник, в первой степени.

По результатам регрессионного анализа можно сделать следующие выводы:

‒ Уравнения регрессии имеют вид:

Т = 0,005114 • U2 - 0,533635 • U,Е = 0,2229 • U2 - 26,0881 • U.

‒ Коэффициенты уравнений регрессии значимы по критерию Стьюдента на 5% уровне. Об этом свидетельствует и практически нулевое значение уровня вероятности p для квантили t, т.к. p< 0,05.

‒ Значения всех коэффициентов детерминации R2>0,8 (0,985839172>0,8 и 0,977839392 > 0,8) и находятся в диапазоне от 0,94 до 0,999 (0,94<0,98583917< 0,999 и 0,94 < 0,97783939 < 0,999). Следовательно, значения отклика объяснимы значениями факторов на 97% и более, регрессионная модель может использоваться для прогноза.

‒ Сравнение табличных значений критерия Фишера с что между откликом и фактором

расчетными значениями показали, существует зависимость.

проведенных экспериментальных при напряжении питания

Заключение. На основании исследований   выявлено, что фитосветодиодных модулей 6040-А2525(А) свыше 175 В наблюдаются такие показатели светового потока, при которых допустимо их практическое применение, а при напряжении до 180 В температура модулей не превышает 90 оС.

Таким образом, для увеличения срока службы фитосветодиодного модуля 6040-А2525(А) рекомендуется снизить напряжение питания до величины от 175 до 180 В, при этом световой поток составит 73-83 % от номинального.

Azov-Black Sea Engineering Institute, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education Donskoy State Agrarian

Sevruk Dmitry Anatolyevich, master of the profession line 35.04.06 "Agroengineering", profile "Electrical equipment and electrical technology"», Azov-Black Sea Engineering Institute, Donskoy State Agrarian University, Zernograd, Russian Federation.