Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Итан Бири (Ethan Biery), руководитель отдела проектирования, Lutron electronics co. В статье обсуждается состояние рынка устройств для регулирования яркости светодиодного освещения и средств его управления, а также даются рекомендации по их выбору.

Быстрое внедрение светодиодных осветительных приборов в системы освещения основано на таких преимуществах как высокая энергоэффективность, продолжительный срок службы (в среднем — 50 тыс. ч) и высокое качество светового потока, что позволяет использовать эти приборы почти в любом приложении. Светодиодные лампы характеризуются очень небольшим количеством инфракрасного излучения и не содержат ртути.

Несмотря на эти явные преимущества, остались нерешенными проблемы совместимости светодиодных ламп, драйверов и средств управления, что препятствует широкому распространению технологий твердотельного освещения. Наилучшей стратегией при выборе светодиодного осветительного прибора является такая, которая учитывает множество факторов, включая тип приложения, параметры регулирования освещенности (диммирования) и требования к управлению.

Чтобы заказчики смогли убедиться в правильности своего выбора, им демонстрируется работа дорогостоящих макетов осветительных установок, и представляются результаты испытаний. Многие производители светодиодных кристаллов и средств управления затрачивают немало времени и усилий на тестирование диммеров и научные исследования, и потому могут предоставить заказчикам данные о совместимости светодиодных ламп, драйверов и приборов управления.

ВАЖНА НЕ ТОЛЬКО ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Переход на светодиодное освещение зданий и домов позволяет сократить энергопотребление и расходы в соответствии с новыми строительными нормами и правилами. Зачем же еще разрабатывать средства для регулирования яркости светодиодного освещения? Ответ прост: чтобы в максимальной мере повысить энергоэффективность, увеличить срок службы источников света, повысить гибкость, увеличить производительность систем и обеспечить безопасные и комфортные условия нашего проживания.

Кроме того, в результате обновления многих стандартов по энергоэффективности средства регулирования яркости можно установить во многие приложения. К настоящему времени появился также широкий ряд средств управления, начиная с модуляторов, диммеров и заканчивая централизованной системой управления освещением, что обеспечивает максимальную гибкость, а также средства измерения и отчетности для эффективного анализа расхода энергии. Более совершенные, конфигурируемые системы регулируют нагрузку на энергосети с учетом реального потребления пользователей, позволяя избежать превышения расчетного предела ее энергоемкости.

Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Более того, легко устанавливаемые средства беспроводного управления облегчают переоснащение, сокращают расходы на монтажные работы и программирование, а также способствуют повышению окупаемости. Выбирая средство управления светодиодными лампами, необходимо предусмотреть возможность сотрудничества с производителем, гарантирующим совместимость и эксплуатационные качества устройства. Это позволит исключить многие типичные проблемы, связанные с эксплуатацией светодиодных приборов. Давайте подробно обсудим, зачем и как реализовать систему регулирования освещенности.

УВЕЛИЧЕНИЕЭКОНОМИИ И СРОКА СЛУЖБЫ СИСТЕМЫ
Управление яркостью светодиодного прибора позволяет сэкономить на расходе электроэнергии приблизительно в соотношении 1:1, что соответствует или даже превышает показатели эффективности при управлении люминесцентными лампами. Показатель 1:1 значит, что при понижении яркости на 50% расход энергии уменьшается приблизительно на ту же величину. Эффективность использования светодиодов повышается в еще большей мере при регулировании их освещенности. Кроме того, меньшая яркость свечения означает меньшую рабочую температуру светодиода, благодаря чему увеличивается срок службы электронных компонентов драйвера, а также люминофора.

В результате в два-три раза увеличивается срок полезной службы светодиодных ламп или модулей. В настоящее время продолжаются исследования, цель которых состоит в дальнейшем изучении того, как регулирование освещенности влияет на увеличение срока службы светодиодов. Чтобы удовлетворить требованиям проекта, необходимо правильно выбрать осветительный прибор, драйвер и модуль управления освещением. Светодиодные технологии совершенствуются семимильными шагами, благодаря чему светодиодные лампы могут заменить практически все осветительные приборы других типов в таких приложениях как общее, наружное и скрытое освещение, а также локальные светильники.

Тип выбираемого регулятора зависит от требований приложения. Например, для освещения вестибюля или атриума минимальным приемлемым уровнем считается 20% от максимальной величины освещенности. Для конференц-залов или ресторанов часто требуются гораздо меньшие значения — до 1%. Можно легко недооценить важность правильного выбора диапазона регулировки светодиодного освещения. И хотя 10-% уровня освещенности вполне достаточно для большинства приложений, наши глаза обладают способностью умело подстраиваться под освещение окружающей среды. За счет расширения зрачков глаза получают больший световой поток, чем считается. Например, уровень освещения в 10% от максимальной величины может восприниматься как 33-% освещение.

Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Даже 1-% уровень яркости ощущается как световой поток на уровне 10% (см. рис. 2). В спецификации изделия всегда должен указываться требуемый диапазон диммирования. Более того, даже для заданной светодиодной нагрузки этот диапазон может изменяться в зависимости от используемой схемы управления. Разработчики и заказчики должны располагать данными о нижнем уровне регулирования яркости для предполагаемой нагрузки и схемы управления. Если тщательно не оценить используемые детали и компоненты, схема регулировки освещенности не будет функционировать в соответствии с заявленными параметрами. Например, светильники не будут выключаться полностью, станут мерцать или включаться через раз.

ПРОБЛЕМЫ ДИММИРОВАНИЯ
Многие проблемы, связанные с управлением светодиодным освещением, обусловлены существующими различиями между светодиодами, лампами накаливания и галогенными лампами. Лампы накаливания генерируют свет при нагревании вольфра- мовой нити до высокой температуры в стеклянной колбе с газом под низким давлением. С точки зрения управления этими устройствами, они достаточно просты, т.к. их яркость излучения растет с увеличением приложенного напряжения. Для традиционных источников света не имеет значения форма сигнала напряжения, будь оно переменным, постоянным, с отсечкой фазы или почти любого другого вида.

Таким образом, лампы накаливания генерируют то же количество света при одинаковом среднеквадратичном (СКВ) напряжении. Светодиоды ведут себя совершенно иначе: они генерируют свет в результате субатомных процессов, проходящих в специально выбранных материалах. Для конкретного светодиодного устройства количество генерируемого света пропорционально величине протекающего через кристалл тока. Кроме того, ток через светодиод может течь лишь в одном направлении, т.е. он должен быть постоянным. (Заметим, что т.н. светодиоды переменного тока состоят из двух диодов, соединенных таким образом, что ток протекает через один источник света в одном направлении, а через другой — в обратном).

Наконец, светодиоды являются низковольтными устройствами, для функционирования которых требуется значительно уменьшить сетевое напряжение. Все эти функции — уменьшение напряжения, преобразование его в постоянную величину и управление током — возложены на светодиодный драйвер. Светодиодные драйверы, различающиеся схемами, конструктивным исполнением и наборами функций, имеют одно общее свойство: их электрические характеристики отличаются от характеристик ламп накаливания. Это различие является основной причиной проблем совместимости между средствами управления и светодиодами. Схемы драйверов от разных производителей реализуются с учетом разных требований.

Одни драйверы оптимизированы по стоимости, другие — по размеру, сроку службы и т.д. В частности, драйвер отвечает за качество света и уровень регулирования яркости, а также за использование средств управления. Из этого следуют два вывода: вопервых, драйвер определяет наилучшие характеристики диммирования.

Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Во-вторых, совместимость драйвера со средствами управления определяет качество реализации этих характеристик. По сути, даже самое совершенное средство управления не в состоянии обеспечить качество регулирования яркости светодиодной лампы, превышающее характеристики диммера, а неудачная схема драйвера и проблемы его совместимости со средствами управления могут привести к нежелательному мерцанию, выключению, появлению акустического шума.

Кроме того, в результате использования плохо продуманной схемы драйвера и его несовместимости со средствами управления сокращается их срок службы или нагрузки. Напротив, хороший драйвер обеспечивает плавную и непрерывную регулировку вплоть до самых низких уровней освещенности, работая с широким рядом средств управления. Такие устройства не сокращают срок службы осветительных приборов и соответствуют тем представлениям об освещении, которые сложились у потребителей в отношении ламп накаливания. Однако лишь немногие производители в состоянии удовлетворить эти ожидания.

ГАРАНТИЯ ТРЕБУЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
При разработке системы светодиодного освещения необходимо учитывать следующие факторы:

— тип нагрузки (лампа замещения или осветительный прибор);

— требуемый тип управления;

— число нагрузок, подлежащих управлению;

— характеристики диммирования при совместном использовании нагрузки и схемы управления.

Обсудим подробнее каждый из этих факторов. На рынке предлагаются два основных типа светодиодных источников света: ретрофитные лампы (светодиодные лампы с цоколем) и светодиодные осветительные приборы. Для разных приложений требуются разные решения, но существует лишь одно главное отличие с точки зрения обеспечения совместимости.

Светодиодные лампы замещения имеют встроенные драйверы, управление которыми осуществляется только путем отсечки фазы, тогда как для светодиодных осветительных приборов предлагаются драйверы с широким диапазоном характеристик и совместимыми средствами управления. При совместной эксплуатации ламп замещения и средств управления такая система работает на пределе заявленных потребителем характеристик. Для их улучшения часто приходится использовать лампы другого производителя. Для осветительных же приборов большинство изготовителей предлагает большой ассортимент драйверов, что позволяет заранее определиться с характеристиками диммирования, избежав ухудшения параметров оптической системы, появления мерцания, акустического шума и т.д.

В системах общего освещения применяются четыре основных метода управления:

— управление с отсечкой фазы по переднему фронту;

— управление с отсечкой фазы по заднему фронту;

— аналоговое управление 0-10 В;

— цифровое управление (DALI или EcoSystem).

Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, и потому некоторые из них в большей мере подходят для конкретных приложений, чем другие. Однако светотехники и снабженцы, выбирая осветительный прибор или средство управления, не вполне понимают последствия своего выбора с точки зрения совместимости этих устройств. И хотя на рынке предлагается немало других схем управления для ламп и модулей, например DMX или блоки прямого беспроводного управления, эти методы не нашли широкого применения в современных приложениях для общего освещения.

ОТСЕЧКА ФАЗЫ ПО ПЕРЕДНЕМУ ФРОНТУ
До сих пор в большинстве типовых схем регулировки яркости чаще всех других используется метод отсечки фазы по переднему фронту. Следует заметить, что только в Северной Америке применяются 150 млн этих устройств. Таким образом, многие светодиодные лампы и модули требуют совместимости с диммерами, в которых осуществляется отсечка фазы по переднему фронту. Эти устройства отсекают (выключают) переднюю часть синусоидального сигнала сетевого напряжения, благодаря чему на прибор подается меньшее среднеквадратичное напряжение. Чем большая часть отсекается, тем ниже это напряжение.

Следовательно, при этом в нагрузку поступает меньшая энергия. Такой метод регулировки получил большое распространение благодаря своей простоте, невысокой стоимости устройства и использованию имеющейся схемы подключения к осветительному прибору. Недавно опубликованный стандарт NEMA SSL7-A определяет соответствующие характеристики диммеров с отсечкой фазы по переднему фронту и светодиодную нагрузку, гарантируя надежное функционирование системы. Кроме того, он обеспечивает основные требования к ее рабочим характеристикам. Соответствие светодиодной нагрузки и схемы управления требованиям стандарта SSL7-A во многом избавляет от половинчатого решения проблемы совместимости.

ОТСЕЧКА ФАЗЫ ПО ЗАДНЕМУ ФРОНТУ
Принцип работы диммеров с отсечкой фазы по заднему фронту во многом схож с рассмотренным выше методом. Единственное различие заключается в том, что эти устройства уменьшают среднеквадратичное напряжение на нагрузке, отсекая заднюю часть сигнала. Данный метод был разработан для средств управления электрическими трансформаторами в приложениях с низковольтными галогенными лампами. Поскольку доля таких систем на рынке освещения невелика по сравнению с галогенными лампами, питающимися от сети, диммеры с отсечкой фазы по заднему фронту получили намного меньшее распространение, чем устройства с отсечкой по переднему фронту.

Проблемы совместимости систем твердотельного освещения и средств управления

Лишь небольшая часть установленных диммеров совместима с низковольтными электрическими трансформаторами. Однако благодаря некоторому сходству электрических характеристик между этими трансформаторами и светодиодными драйверами несколько производителей выпускает драйверы для работы исключительно с диммерами второго типа.

АНАЛОГОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ 0-10 В
В отличие от предыдущих методов, применение которых жестко увязывается с имеющимся проводным монтажом, для реализации аналоговой схемы 0-10 В требуется дополнительная пара низковольтных проводов, соединяющих устройство управления с каждым осветительным прибором. Эта пара обеспечивает поступление сигнала в драйвер, который определяет требуемый уровень освещенности.

Напряжение величиной 1 В переводит драйвер на нижний уровень диапазона регулирования, а 10 В — на верхний. Как правило, в этой системе также применяется переключатель сетевого напряжения, прекращающий подачу электропитания на драйвер при необходимости выключить свет. Эта возможность определена в стандарте IEC 60929, который описывает только самый основной функционал.

Например, этот стандарт не гарантирует плавного и непрерывного регулирования до малых уровней яркости. Кроме того, при объединении устройств от разных производителей или использовании длинных проводов для сигналов 0-10 В наблюдаются заметные различия в уровнях освещенности. Хотя и допускается отдельное прохождение проводов в цепи управления 0-10 В от проводов питания, недостаток этого метода проявляется при необходимости реализовать несколько стратегий управления. По определению, все осветительные приборы, подключенные к одной паре проводов 0-10 В, имеют общее управление и совместную регулировку яркости.

Это значит, что в системах с несколькими разными типами управления, где яркость осветительных приборов изменяется по-разному при поступлении разных управляющих входных сигналов (с реле, средств управления персональными зонами и с датчиков присутствия), занимаемое пространство необходимо разделить на несколько зон с проводами 0-10 В в каждой. Управление нагрузками в такой системе может оказаться очень сложным за исключением разве что самых простых приложений. Еще одним недостатком такого метода является то, что любое изменение функционала или в зональном разделении осветительных приборов требует перемонтажа управляющих звеньев 0-10 В.

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Как и аналоговый метод 0-10 В, цифровые методы управления, к которым относятся EcoSystem от компании Lutron и DALI (Digital Addressable Lighting Interface — цифровой адресный интерфейс освещения), требуют дополнительной пары низковольтных проводов для каждого осветительного прибора. Однако в отличие от метода 0-10 В, эти пары осуществляют двунаправленную связь с каждым осветительным прибором, обеспечивая отдельную адресуемость и управление. DALI, наиболее распространенный цифровой протокол, также определяется организацией IEC (International Electrotechnical Commission — Международная электротехническая комиссия), но различные интерпретации этого стандарта могут привести к несовместимости между устройствами от разных производителей, даже если все они заявляют обратное.

Метод цифрового управления EcoSystem был разработан компанией Lutron на основе интерфейса DALI, а совместимые с ним устройства поставляются этой же компанией и другими производителями, например Cree и GE Lighting. Осветительные приборы этих компаний обеспечивают гарантированную совместимость средств управления независимо от их производителя. Цифровые методы управления допускают разделение схем управления по уровням. Каждый осветительный прибор ведет себя независимо от всех остальных, если того требует определенная система освещения. Цифровые технологии обеспечивают высокий функциональный уровень и зональное распределение с помощью простого программного интерфейса; при этом не требуется модификация монтажа.

Цифровое управление обеспечивает гибкость пространственной конфигурации и повторное использование решений, а также в наиболее полной мере раскрывает потенциал интеллектуального светодиодного освещения.

РЕЙТИНГ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ
Как уже говорилось, поскольку электрические характеристики светодиодной нагрузки отличаются от характеристик ламп накаливания, в обоих случаях требуются разные средства управления. Электрические характеристики многих светодиодных систем оказывают дополнительную нагрузку на средства управления, о чем свидетельствует также повышение потребляемой ими мощности. В результате разработчику становится сложнее определить допустимое число ламп замещения или светильников для надежного подключения к системе управления.

Большие броски тока, периодически повторяющиеся пиковые и высокие СКВ токи, возникающие при использовании диммеров с отсечкой фазы для регулирования яркости светодиодных ламп, означают, что большинство средств управления, предназначенных для ламп накаливания, не обеспечивает примерно того же уровня потребления, что и светодиодная нагрузка. В общем, только детальные электрические испытания позволяют установить минимальное и максимальное число нагрузок, которые можно подключить к системе управления.

Многие пользователи не понимают того, как выбор лампы связан с рейтингом средств управления. Эти средства проходят испытания и заносятся в список с учетом соответствующей нагрузки. Например, компания UL может рекомендовать то или иное устройство для управления лампами накаливания или магнитной низковольтной нагрузкой. Использование этого устройства для управления другими типами нагрузки, например с низковольтными электрическими компонентами даже одинакового вольтажа, может привести к непредсказуемому поведению и снизить надежность системы.

Схемы большинства существующих регуляторов яркости для ламп накаливания не проектировались, не классифицировались и не проходили тестирования в UL или в других национально признанных лабораториях (NRTL) на использование со светодиодными нагрузками. К счастью, многие производители средств управления недавно стали выпускать диммеры, предназначенные исключительно для работы со светодиодами. В качестве удачного примера можно привести диммер OL от Lutron Electronics.

Эти типы устройств управления прошли классификационные испытания, позволяющие установить максимально допустимую светодиодную нагрузку. Интегральный подход при выборе средства управления светодиодной системой освещения позволяет в наиболее полной мере удовлетворить требования заказчика. Технологии совершенствуются, возможности средств управления растут, доступной информации становится больше. Современные светодиоды можно эффективно применять практически в любом коммерческом приложении. Выбор надежного производителя, средства управления, драйвера и успешное решение ключевых задач облегчает создание светодиодной системы, которая обеспечивает высокую энергоэффективность, имеет отличные характеристики и отвечает современным требованиям к качеству освещения.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS