Сага о светодиодных лампах. Часть 1 — история и терминология

Этой статьей я хотел бы начать серию публикаций, посвященных приборам, которые человечество применяет для освещения. Как явствует из заголовка, основное внимание планируется уделить светодиодным лампам, их сравнению и рассказу о том, почему одни лампы получаются хорошими, а другие — плохими, сопровождаемому наглядными примерами того и другого. Да-да, все верно — планируются замеры, распиливания и раскручивания. Однако прежде чем начинать что-то мерять и сравнивать, всегда полезно немного погрузиться в историю вопроса и поговорить о том, что же и зачем надо мерять.

Прежде всего я, как и обещал, предлагаю погрузиться в историю. Тем не менее, поскольку копаться в пыли веков — занятие на любителя, я спрятал эту часть под спойлер.

Погрузиться в историю освещения.
В деле создания искусственных источников света человечество прошло долгий путь – от костров, факелов и плошек с маслом до лампы Арганда, от лампы Арганда к классической керосиновой лампе, и, в конце концов, к электрическому освещению, символом и основным представителем которого по праву является лампа накаливания. Фактически, лампа накаливания была абсолютно господствующим прибором бытового освещения более ста лет, с того момента, как в начале двадцатого века она стараниями Эдисона приобрела современный вид. К слову, вопреки расхожему мнению, Эдисон не изобретал ее — поместить нагреваемое током тело в стеклянную колбу с бескислородной атмосферой первым догадался Лодыгин, и именно ему принадлежат патенты как на собственно лампу накаливания, так и на использование в качестве тела накала тугоплавких металлов, в частности, вольфрама (US Patent No. 575002), который применяется в лампочках и по сей день. Гений же Эдисона состоял в том, что он смог довести идеи всех, работавших над проблемой электрического освещения ранее, до коммерческого применения, приносящего реальную прибыль; именно благодаря ему лампа накаливания из лабораторного прибора стала повсеместным, привычным и удобным источником света.

image
(Источник картинки)

Несмотря на появление люминесцентных газоразрядных ламп ближе к середине двадцатого века (знакомые всем белые трубки) можно с уверенностью сказать, что за последние сто лет в бытовом освещении не произошло существенных перемен. В домашних условиях классические газоразрядные лампы так и не прижились, поскольку требовали гораздо более сложной, громоздкой, дорогой и порой надоедливо гудящей схемы включения, а при запуске мигали. Конечно, они обеспечивали существенную по сравнению с лампами накаливания экономию энергии, но в быту комфорт важнее экономии… К слову, в некоторых случаях их применение было невозможно и на производстве – поскольку газоразрядной лампе практически не присуща инерция, в классической схеме включения она на самом деле не горит непрерывно, а включается и выключается сто раз в секунду. Казалось бы, что плохого? Ведь человеческий глаз достаточно инерционен, чтобы не замечать этого. Тем не менее, иногда это может быть просто опасно из-за так называемого стробоскопического эффекта: при определенном соотношении частот мерцания и вращения детали, например, на токарном станке, последняя может казаться неподвижной или вращающейся гораздо медленнее истинной скорости. В частности, если за один полупериод сети деталь будет делать полный оборот, при каждой вспышке лампы глаз будет видеть ее в одном и том же положении, а человеку будет казаться, что она неподвижна. Очевидно, чем может окончиться такая ошибка. Именно по этой причине светильники местного освещения рабочей зоны, которые можно наблюдать на станках, никогда не содержат газоразрядных ламп (ГОСТ 12.2.009-99).

image
(Wikipedia)

Конечно, современная схемотехника в состоянии решить все перечисленные проблемы (и достаточно успешно решает их в «сберегайках»). Однако к тому моменту, как это стало возможно, в мире освещения произошло событие, сравнимое с изобретением лампы накаливания – были изобретены и доведены до промышленного производства белые светодиоды.

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным полупроводниковым прибором датируется 1907-м годом, когда Генри Раунд наблюдал свечение нетеплового характера при прохождении тока через контакт металла и карбида кремния; позже, в 1923-м году, Олег Лосев независимо пришел к тем же результатам и создал то, что уже можно было назвать светодиодом. Оба исследователя вполне оценили масштабы своих открытий, однако уровень науки того времени не позволил продвинуться дальше по пути применения обнаруженных эффектов для освещения. Первый светодиод, который смог покинуть лабораторию, был изобретен Ником Холоньяком в 1962-ом году. Тем не менее, до освещения было еще очень далеко – излучаемый свет был неярок и ограничивался красным и оттенками оранжевого.

Со временем ученые существенно улучшили характеристики светодиодов – расширили набор возможных цветов свечения вплоть до зеленого, повысили светоотдачу и яркость кристаллов. Но настоящий прорыв произошел в 1994-ом году, когда Сюдзи Накамура изобрел синий светодиод, подходящий для промышленного производства. Только тогда впервые стало возможно получить белое свечение, скомбинировав уже существующие красные и зеленые со свежеизобретенными синими кристаллами. Вскоре (в 1996-ом году) был изобретен и классический на сегодня белый светодиод – синий кристалл, покрытый люминофором, переизлучающим часть энергии синего света в желтой области. Именно так работают современные осветительные светодиоды – смешение синего света от синего кристалла и желтого от люминофора дает белый свет.

image
(Источник картинки)


Итак, будем считать, что исторический ликбез проведен. Теперь поговорим о том, какие же параметры есть у светодиодных ламп и зачем их надо мерять, ведь, казалось бы, светодиоды — чистый идеал освещения: долговечны, практически не нагреваются в отличие от ламп накаливания, почти не содержат вредных веществ в отличие от газоразрядных ламп; лучшие их экземпляры превосходят в эффективности газоразрядные лампы, худшие – как минимум гораздо эффективнее сравнимых ламп накаливания.

Однако понятно, что идеалов не бывает. У светодиодов тоже есть свои особенности, делающие технику их применения отдельным инженерным миром. Например, лампа накаливания совершенно спокойно работает при температурах в тысячи градусов – светодиоды очень требовательны к охлаждению: часто заявляемый срок службы в сотни тысяч часов (для сравнения – у лампочки накаливания около тысячи) достигается только при практически комнатной рабочей температуре, или, как минимум, чрезвычайно щадящем режиме. Эффективность светодиодов тоже зависит от качества их охлаждения. Как и газоразрядные трубки, светодиоды нельзя включить в сеть просто так – им нужна особая схема-драйвер, от качества которой напрямую зависит общее качество лампы. Отдельная проблема – обеспечение совместимости с традиционными светильниками. Геометрия лампы накаливания чужда светодиодам – охлаждение (в котором лампа накаливания не нуждалась) часто затруднено; ограниченность объема предъявляет серьезные требования и к габаритам драйвера, что тоже отражается на характеристиках.

Одним словом, природа светодиодов принуждает искать различные компромиссы при создании светильника на их основе. Поиск устойчивого идеала конструкции, для лампы накаливания завершившийся в первой половине двадцатого века, в случае светодиодов еще идет; потому сейчас на рынке одинаково часто встречаются как действительно хорошие продукты, так и явно неудачные модели. При этом, если с лампами накаливания все было просто, то светодиодные лампы обладают большим количеством характеристик, некоторые из которых незаметны «на глаз», а то и вовсе неочевидны для неискушенного человека, но при этом напрямую определяют качество лампы.

В целом, параметры светодиодных ламп можно разделить на две группы: световые и электрические. Внимание ко второй группе объясняется тем, что компактные люминесцентные и светодиодные лампы идеологически гораздо ближе к стиральным машинам, блендерам, бритвам и прочей более-менее сложной бытовой технике, чем к «просто лампочкам». С лампами накаливания все понятно – электрически это просто сопротивление, потому и долго мерять ничего не надо, все и так ясно. В интересующем нас случае мы, напротив, имеем дело с некоторой хитрой схемой, в конечном итоге вносящей ощутимый вклад в общую эффективность; потому игнорировать электрические параметры здесь никак нельзя.

К световым параметрам прежде всего относится полный световой поток лампы ([total] luminous flux). Если по-простому, характеризует, сколько же света она излучает в целом во все стороны. Параметр это интересный и полезный, однако надо сказать, что простому смертному он мало что поясняет. Измеряется поток в идеально сферическом фотометре (правда, не в вакууме), и потому к поведению лампы в обычном светильнике имеет несколько опосредованное отношение. Самое ценное для нас применение оного – сравнение разных ламп по светоотдаче (о которой далее). Единица измерения – люмен (lm).

С точки зрения пользователя гораздо более интересен такой параметр, как освещенность (illuminance) – показатель того, насколько ярко лампа что-то освещает. На самом деле это, конечно, не относится к характеристикам самой лампы, а зависит в том числе и от конструкции светильника, расстояния от него до освещаемой поверхности, расположения этой самой поверхности и прочего, вроде коэффициента отражения окружающих предметов. Поэтому как-либо обобщить его сложно. Измеряется освещенность в люксах (lux, lx). Уровни освещенности нормируются санитарными правилами и нормами.

Световая отдача (luminous efficacy) – важный параметр, световой КПД лампы. Показывает, сколько света лампа выдает на один Ватт потребляемой мощности. Измеряется в люменах на Ватт. Абсолютный теоретический предел световой отдачи равен 683 лм/Вт. Правда, эта цифра справедлива только для монохроматического источника зеленого цвета. Для источника белого света, который, разумеется, с позиций общего освещения интересен более всего, теоретический максимум составляет около 240 лм/Вт.

Цветовая температура (CT, CCT – [correlated] color temperature) – если по простому, показывает оттенок излучаемого света, от красноватого до синеватого. Измеряется в Кельвинах. Надписи на упаковках ламп «2700K», «4200K», «6500K» — это про нее. Почему цвет измеряется в единицах температуры? Смысл в следующем: если нагреть абсолютно черное (неотражающее) тело до указанной температуры, то оно будет светиться таким же цветом, как и тот световой прибор, на котором написаны эти цифры.

Цветовая температура 2700 — 3000 Кельвин соответствует классическому оттенку ламп накаливания. Лампы накаливания, к слову, и не дают в этом смысле особого выбора – свет в них получается в результате настоящего нагревания, а нагреть вольфрам до температуры более примерно трех тысяч Кельвин не получится — при 3700K он уже плавится, а нить накаливания в процессе работы все же должна сохранять достаточную механическую прочность. В светодиодных и люминесцентных лампах процесс получения света не связан с нагреванием непосредственным образом, потому возможно получение любого оттенка.

Для справки, цветовая температура около 4200K соответствует утреннему солнцу, а за 6500K принят стандартный дневной свет.

Коррелированная цветовая температура – термин, применяемый к источникам с линейчатым спектром (газоразрядные лампы), к которым классическое определение цветовой температуры, строго говоря, неприменимо. В смысле восприятия глазом означает то же самое.

Вообще, выбор цветовой температуры ламп для домашнего освещения – вопрос субъективный. Можно только порадоваться, что современные технологии дают нам возможность выбирать.

Индекс цветопередачи (CRI, color rendering index) – показывает, насколько цвета, наблюдаемые в свете искусственного источника освещения, будут близки к тем, которые мы наблюдаем при свете солнца. Измеряется в относительных единицах либо процентах; идеальное значение, соответствующее солнечному свету, – 100% или 1. Этот параметр – пожалуй самый субьективный из объективных параметров освещения. Тестируется он на специально определенных цветах, некоторые из которых имеют поэтичные описания вроде «цвет увядшей розы». Если говорить о его практической значимости, то дело вот в чем: наверняка многим знакомо ощущение, что лампа светит вроде как ярко, но при этом совершенно «не освещает». Именно за это отвечает индекс цветопередачи. В целом можно сказать, что все, у чего CRI выше 80%, будет именно освещать, а не просто светить.

Вообще же цветовая температура и индекс цветопередачи – субъективные по восприятию параметры. Так что тут просто надо пробовать и остановиться на том, что больше нравится.

Пульсации светового потока – из-за того, что напряжение в сети переменное, лампы могут мерцать. Низкочастотные пульсации плохи по многим причинам, одна из которых – упоминавшийся в «исторической» части стробоскопический эффект. Разумеется, производители всеми силами стараются сделать световой поток светильника как можно более равномерным. Измеряются пульсации светового потока в процентах; на пульсации также существуют санитарные нормы.

На этом со световыми параметрами ламп можно закончить и перейти к электрическим характеристикам. Из них наибольший интерес представляют КПД схемы управления и коэффициент мощности.

С КПД схемы управления все понятно – можно поставить в лампу самые лучшие светодиоды на свете, но свести все их преимущества в ноль схемой стабилизации тока, расходующей больше мощности, чем сами излучатели. Имеряется КПД, как известно, в процентах, вычисляется как отношение мощности на выходе к мощности на входе. Идеальное значение, разумеется, 100%.

Коэффициент мощности, «косинус фи» (PF, power factor) – более тонкая материя. Скажем так, он показывает, насколько разумно и аккуратно устройство распоряжается сетевой энергией. Дело в том, что, как уже говорилось, современная продвинутая лампа – это не резистор, потребление тока оной носит сложный характер; при этом потребляемый ток часто не совпадает по форме и фазе с сетевым напряжением. Не вдаваясь (пока что) в подробности скажу, что это приводит к хитрым эффектам, которые в глобальном масштабе могут доставить много головной боли энергетическим компаниям. По простому – чем больше коэффициент мощности, тем лучше. Измеряется он в процентах или относительных единицах, идеальное значение – 100% или 1. Единичный коэффициент мощности имеет простое сопротивление без емкостных и индуктивных составляющих. Для сети это самая дружелюбная нагрузка. Предельное значение коэффициента мощности, которое еще можно считать приличным, составляет 0,8 (ГОСТ 13109-97).

В целом, перечисленные параметры можно считать основными численными характеристиками, описывающими качество светильника. Конечно, сюда еще стоит добавить такие категории, как качество исполнения а также красота и «правильность» схемотехники, но это уже чисто субъективные соображения, которые, вообще говоря, находят некоторое отражение и в объективных параметрах. Кроме того, конкретно для светодиодных ламп необходимо оценивать и качество охлаждения, поскольку оно непосредственно сказывается на эффективности и сроке службы.

На этом пока что все. Если у читателей обнаружится интерес к предложенной мной тематике, то в следующих статьях мы оценим, как параметры, конструкция и схемотехника некоторых распространенных светодиодных ламп соотносятся с вечными идеалами.

Примечание


В связи с обилием в статье цифр и фактов, отдельно отмечу, что все утверждения, источник которых не указан явно, взяты из Википедии (англоязычной либо русскоязычной).

Комментарии 35

    +3
    Спасибо, продолжайте!
    Жаль только, что даже CRI указывают далеко не все производители, что уж говорить про более экзотические параметры.
      +1
      Не за что, обязательно продолжу. На подходе более интересный материал, как я и обещал, с живыми замерами тех самых параметров, которые не приводят, разборкой и прочим. Тем не менее, написание статей требует времени. Если все будет хорошо, я надеюсь постить статьи каждую пятницу, до до тех пор, пока материал не кончится или интерес сообщества не иссякнет.

      ИМХО от указания CRI толку мало, хотя, например, Gauss LED и еще некоторые его приводят. Он слишком субъективен по восприятию… Лучше бы коэффициент пульсаций приводили.
        +1
        Однажды в магазине были образцы ламп включены, «на глаз» мерацания не было заметно ни у одной, а вот через камеру телефона не мерцала только одна из пяти выставленных. Интересно, насколько точный такой «тест».

        Еще из интересных параметров, которые не так просто измерить — реальный срок службы и светимость во времени, через полгода-год и т.п.
          +1
          Боюсь, такой тест неточен, т.к. он отлавливает только биения кадровой частоты камеры и пульсаций лампы. Диапазон оценки, скорее всего, будет где-то до 100 Гц (исходя из типичной частоты кадров), в то время как коэффициент пульсаций нормируется до 300 Гц.

          Ну, такие параметры можно измерить только вкрутив лампочку в люстру и наблюдая ее каждый день. Забегая вперед скажу, что я таки вкрутил и наблюдаю.
            0
            Это пульсирует на 240гц (если ставить не максимальную яркость или не крайнюю цветовую температуру). Через камеру мобильника мерцание видится влегкую.

            Наблюдение — плохо. Слишком субъективно. Помните истории про то, как поставили вышку сотовой связи в деревне, у всех сразу начала болеть голова, они побежали жаловаться и выяснилось, что вышку еще даже включить не успели? Плацебо…
          0
          Не соглашусь по поводу указания CRI. Если CRI равен 95, то свет лампочки скорее всего не отличишь от света лампы накаливания. А если не указан, то рискуешь получить мебель с зеленоватым оттенком в свете такой лампы. Так что характеристика очень полезная.
            0
            Могу посоветовать Икеа. Офигенные по цене/качество. Вот, например, 300 рублей, Е27, регулируемая яркость, 600 lm, больше 85 CRI
            image
              0
              А по температуре это 2700К?
                0
                Да, все тёплые. 55-60 лм/Вт из-за теплого спектра и высокого CRI. Немного выше, чем у КЛЛ. Зато мгновенные.
              0
              Ну, насчет неотличимости — это только если цветовая температура составляет 2700 — 3000 K. В противном случае вполне отличимо.
          0
          Разумеется, производители всеми силами стараются сделать световой поток светильника как можно более равномерным.
          У некоторых, похоже, сил слишком мало.

          К счастью, в продаже не так уж трудно найти диодные лампы на 12 V DC. Подключив их к БП со стабилизацией, избавляюсь от пульсаций.
            0
            После 12 В всё рано нужен стабилизатор тока, который уменьшит КПД.
              0
              Я обошёлся без стабилизатора тока. Внутри лампы, похоже, резисторы, как на лентах. Они тоже КПД уменьшают. В общем, мой способ избавления от пульсаций далеко не лучший.
                0
                Резистор — это тоже стабилизатор тока :-)
                0
                Ну, если стабилизатор будет импульсный, то не так уж и уменьшит.
                  +1
                  0.9*0.9=0.81
              0
              Спасибо. Ждём продолжения.
              Кстати, хотелось бы обзора не только ламп, но и светильников, лент и прочих средств освещения.
              А то недавно купил ленточку для подсветки, но цветопередача у неё явно не дотягивает даже до люминесцентных ламп, не говоря уж про лампы накаливания, хотя формально цветовая температура та же.
                +1
                Не за что, я рад интересу.

                Все это, в принципе, есть в планах. Так что если ничто не помешает, то дойдем и до светильников, лент и прочего…

                Как я уже говорил выше, я постараюсь успевать со статьями за неделю. Это не основное мое занятие, но постараюсь. :)
                +5

                Пригодится) очень важный момент психофизиологии восприятия света.
                  +1
                  Вау, интересный график, спасибо.
                    +1
                    Именно поэтому тем омерзительно-синюшно выглядит тусклый свет на 6000К, который нормально выглядит в ярком варианте.
                  0
                  А вы уделите внимание системам питания светодиодов? По идее, для питания светиков нужно применять специальные источники (LED-драйверы), но, похоже, производители лампочек далеко не всегда этим заморачиваются.
                    0
                    Знаю автора — будет. Плюс, будут бонусные материалы тут.
                      +2
                      Ну вот, заспойлерил мой уютный тихий бложик. Эх. :)

                      Подтверждаю, планы бонусных материалов есть. Не все влезает в рамки статей, при этом некоторые вещи все же стоят того, чтобы ими поделиться.
                      +2
                      Разумеется, самое пристальное. Это очень важный вопрос. Как я обещал, будут расковыривания ламп с анализом примененных решений. Потерпите еще немного. Скажу по секрету только вам — этот этап начнется через одну статью. ;) Следующая статья будет посвящена сравнению параметров ламп, которые можно померять извне. А вот дальше начнется жесткое гик-порно. :)
                      0
                      Круто было бы понять, какие типы ламп с какими характеристиками лучше использовать в каких-то определенных ситуациях: при работе с монитором компьютера, чтении книги, офисном освещении, фоновом освещении дома и т.п.
                        0
                        Эмпирическое правило простое:

                        1. Лампы с коэффициентом пульсаций более 20% — полный треш. Лучше их домой вообще не брать, разве только в кладовку.

                        2. Остальное субъективно. Свет лампы должен быть комфортен лично вам.
                          0
                          1. Про коэффициент пульсации я уже понял из второй части вашего исследования, жаль производители скрывают такие параметры;
                          2. Вы упомянули, на некоторых предприятиях не допускается использование газоразрядных ламп. Любопытны подобные рекомендации в сочетании, например, с монитором (он тоже имеет определенную частоту обновления).

                          Спасибо!
                            0
                            На ваши вопросы дает ответ СанПиН, на который я ссылался. Но если Kp менее 15 — 20%, уже без разницы, все и так хорошо.
                              +1
                              Всетаки прав автор в моменте о цветопередаче. Если свет складывается из парочки компонент, то этот свет будет хреново освещать невходящие в его спектр цвета окружающих предметов.
                              Все мы это чувствовали, на самом деле: когда сидишь под светом газоразрядных ламп, а цветные вещи становятся блеклыми, как будто черно белые.
                              По-моему этот момент не менее важен, чем мерцание.
                                0
                                Обновления, а не мерцания.
                                  0
                                  Лед подстветка вполне себе мерцает при не 100% яркости, там ШИМ димминг.
                                    0
                                    Там высокочастотный димминг, никаких проблем для глаз.
                                    Взял вот проверил, фотодиод+осциллограф. Фонарик с ШИМ-ом показывает пульсации на 30% и явная пила — послесвечение люминофора порядка 0.5мс, монитор с LED-подсветкой на минимальной яркости — никаких пульсаций, светильник в котором галогеновые лампочки 12В — тоже никаких пульсаций.
                                      0
                                      монитор с LED-подсветкой на минимальной яркости — никаких пульсаций, светильник в котором галогеновые лампочки 12В — тоже никаких пульсаций.


                                      Там, вероятно, понижающая бестрансформаторная топология. В ней, несмотря на ШИМ, ток через нагрузку течет все время рабочего цикла. В мониторе может быть повышающая, но с выходным конденсатором достаточной емкости.
                                      0
                                      А если параллельно LED поставить конденсатор, который, по идее, должен будет сгладить пульсации от ШИМ'а?

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое