Измерение параметров светодиодных светильников.

Измерение параметров светодиодных светильников.

    Титков Сергей, генеральный директор ООО «СЕТИЛЮМЕН» Статья опубликована в журнале "Современная светотехника" №2 за 2014г.г

Точные измерения параметров светодиодных светильников производятся в специализированных лабораториях.Основные параметры светильника желательно измерить до предоставления его на лабораторные испытания, хотя бы для того, чтобы знать, стоит ли тратить деньги и время или нужно ещё поработать над конструкцией, поэтому производителю необходимо иметь набор средств, позволяющих провести необходимые измерения.

В условиях производства можно измерить:

- рабочий диапазон входных напряжений

- потребляемую мощность

- коэффициент мощности

- гармонические составляющие потребляемого тока

- коэффициент пульсаций

- индекс цветопередачи

- цветовую температуру

- кривые силы света

- световой поток

- файл фотометрических данных по формату IES

- световую отдачу (люмен на ватт)

- коэффициент световой отдачи

 

Для проверки рабочего диапазона входных напряжений необходимо иметь лабораторный трансформатор (ЛАТР). При помощи ЛАТРа устанавливается минимальное, максимальное и несколько промежуточных значений входных напряжений светильника в пределах заявленного рабочего диапазона и проверяются соответствие его параметров заявленным.

Для проверки потребляемой мощности светильника необходимо приобрестиизмеритель электрической мощности наподобие немецкого «Energymonitor EM-3000». Кроме потребляемой мощности EM-3000 позволяет определить реактивную, активную мощности, коэффициент мощности (cosȹ)и ряд других параметров.

Гармонические составляющие потребляемого токазависят от конструкции драйвера, регламентируется для светодиодных светильников мощностью свыше 5 ватт, жесткие требования предъявляются к светильникам мощностью свыше 25 ватт (Постановление Правительства РФ от 20 июля 2011 г. N 602). Для контроля гармонических составляющих потребляемого тока используется цифровой осциллограф, например, типа RIGOL DS1052E или GDS-2062. Осциллограф подключается параллельно резистору 1 ом, включенному в разрыв сетевого проводника – рис. 1. При измеренияхв сетевых цепях, если нет разделительного трансформатора, осциллограф следует подключать к сети через шнур, в котором отсутствует провод заземления во избежание короткого замыкания - нарис. 1перечёркнутпроводник заземления.

    

Осциллограмма падения напряжения на резисторе соответствует току, потребляемому светильником от сети. В идеальном случае, при отсутствии гармонических составляющих потребляемого тока, осциллограмма покажет синусоиду с частотой 50 герц, приналичиигармонических составляющих потребляемого токафигура на осциллограмме может сильно отличаться от синусоиды. На рис. 2слева вверху представлена осциллограмма, соответствующая наличию большого количества гармонических составляющих во входном токе, справа вверху – их малому количеству.

    

Цифровые осциллографы имеют функцию разложения анализируемого сигнала в ряд Фурье – этот режим иллюстрируют нижние графики осциллограмм рис. 2. Номер гармонических составляющих и амплитуду примерно можно оценить по изображению на экране. Для более точного анализа цифровой осциллограф позволяет сохранить результаты разложения входного сигнала в ряд Фурьена флэш-карту в формате CSV или CSW, далее результаты необходимо обработать в программе MATLAB. В результате обработки получаем спектр гармоник потребляемого тока в цифровом и графическом виде.

Припомощиосциллографаопределяетсякоэффициентпульсацийсветовогопотокасветильника, дляэтоговходосциллографаподключаетсякрезистору 1 ом, включенномумеждудрайверомсветильникаиегосветодиодами- рис. 3.

    

Коэффициент пульсаций выходного тока драйвера равен отношению амплитуды пульсаций к усреднённому выходному напряжению Uпульс/Uср – осциллограмма рис. 4.

  

Пульсации светового потока светильника примерно соответствуют пульсациям тока через его светодиоды. Более точно пульсации светового потока определяются специальным прибором типа "ТКА-ПКМ", «Эколайт-02», «Аргус-02» и подобными. «Народный» способ выявления пульсаций у светильника заключается в просмотре его изображения на экране цифрового фотоаппарата – при наличии пульсаций изображение пульсирует из-за стробоскопического эффекта благодаря низкой частоте развёртки экрана.

Индекс цветопередачи и цветовая температура. Методика определения индекса цветопередачи и цветовой температуры описана в (1). В методике используются спектрофотометры X-RiteColorMunkiDesign или i1Pro 2 и комплект программ Argyll CMS. Поставщики светодиодов обычно указывают их индекс цветопередачи и цветовая температуру, но элементы светильника, например,светорассеиватель, имеют собственные спектральные характеристики, вследствие чего индекс цветопередачи и цветовая температура светильника может отличаться от индекса цветопередачи и цветовой температуры применяемых в нём светодиодов. «На глаз» оценку цветопередачи можно сделать по таблице цветов (рисунок с множеством маленьких цветных квадратиков), которую можно взять бесплатно в магазинах, торгующих красками – при её освещениисветильником с низким индексом цветопередачи некоторые цвета теряются – смотрятся темнее, чем при дневном свете.  

Кривые сил света. Получение кривых силы света светильника заключается в регистрации зависимости егосилы светаот направления в полном телесном угле. Технически эту задачу легче всего решить при помощи неподвижного измерителя силы света, направленного на подвижный светильник, схему такой установки со светильником «Армстронг» иллюстрирует рис. 5.

  

Светильник закрепляется на устройстве, обеспечивающем его вращение вокруг собственной оси (осьС, поворот вокруг неё - азимутальные углы) и вокруг вертикальной оси(ось ɣ- полярные углы), на оси С при ɣ=0находится линза и измерительная головка люксметра. Расстояние между тестируемым светильником и линзой должно превышать 5размеров светильника, чем оно больше, тем точнее результат. Линза и измерительная головка люксметра жёстко закрепляются относительно друг друга, при этом измерительная головка находится в плоскости изображения линзы. Изменением расстояния между линзой и измерительной головкой нужно добиться чёткого изображения светильника на фильтре измерительной головки примерно, как на рис. 6.

     

Изображение светильника должно быть меньшедиаметрафильтра измерительной головки примерно в 2 раза.Перед измерением необходимо убедиться, что вращение светильника не приводит к уходу его изображения за границы фильтра измерительной головки. Линза выбирается по принципу «чем больше диаметр, тем лучше» и по фокусному расстоянию. Чем больше диаметр линзы, тем ярче изображение светильника на измерительной головке, так как на неё попадает больше света, тем выше показания люксметра и точнее измерения (недорогие люксметры не работают при освещённостях менее 1 люкс). Расстояние от линзы до измерительной головки вычисляется по формуле тонкой линзы: 1/F=1/f+1/d, где F- фокусное расстояние линзы, d- расстояние от линзы до светильника, f- расстояние от линзы до измерительной головки. Размеры изображения hвычисляются из размеров светильника как h=Hf/d, где H – размеры светильника. Фокусное расстояние линзы можно определить при построении с её помощью изображения удалённых предметов, например, облаков на листе бумаги. Расстояние между линзой и изображением на листе примерно равно фокусному расстоянию линзы. Измерения производятся в темноте, должно быть исключено попадание отраженного света в люксметр, при частых измерениях рекомендую поместить линзу и измерительную головку в светонепроницаемый бок с окном для светового потока от светильника к линзе. Процесс получения КСС заключается в регистрации показаний люксметра при вращении испытуемого светильника вокруг осей С и ɣ. Данные заносятся в таблицу и могут быть представлены в полярных или прямоугольных координатах.Графическим отражением КСС в полярных координатах будет график иллюстрируемый рис.7.

  

График на рис. 7показывает пропорциональное распределение светового потока светильника по направлениям, но не даёт количественной оценке силам света, так как при его составлении использовались показания неоткалиброванного люксметра, однако при известном световом потоке светильника показания люксметра можно преобразовать в формат (2)- значения силы света в кд/1000 лм. Полученные данные так же могут быть использованы для получения файла фотометрических данныхпо формату IES, который используется в программахDIALux, 3DStudioMax и других. Для получения файла фотометрических данных кроме пропорционального распределения светового потока светильника необходимо так же знать его величину.Световой поток многих офисных светильников достаточно точно рассчитывается по количеству светодиодов, их световым потокам и КПД светильника как осветительного прибора (3) (отношение светового потока светильника к суммарному световому потоку его источников света). Параметр «КПД» для светодиодных светильников с 2012 года заменён на коэффициент световой отдачи (2), но он потребуется для последующих вычислений, поэтому его необходимо определить. КПД светодиодного светильника типа «Армстронг» в большей степени зависит откоэффициента пропускания его светорассеивателя и диафрагмирования краевых светодиодов боковыми стенками корпуса и составляет 70-90%.Коэффициент пропускания светорассеивателяопределятся при помощи люксметра как отношение показаний люксметра при накрытой светорассеивателем измерительной головки к показаниям люксметра без светорассеивателя в условиях рассеянного света. Для тестируемого светильника примем КПД 90% так коэффициент пропускания его светорассеивателя измерен и равен 0.9. Световой поток отдельного светодиода определяется исходя из протекающего через него тока согласно документации на светодиод.

Для получения файла фотометрических данныхпо формату IES необходимо произвести измеренияне менее чем в четырёх азимутальных углах -0, 90, 180 и 270 градусов для 19-ти полярных углов, т.е. необходимо поворачивать тестируемый светильник вокруг оси С (рис.5) на 90 градусов и каждый раз снимать показания люксметра при повороте на 19 углов вокруг оси ɣ. Для упрощения описания ограничимся одним азимутальным углом, тем более, что полученные данные будут примерно такие, как при измерении в любом азимутальном угле ввиду симметричности светильника, а программаDIALux, которая будет использована как промежуточный инструмент, при одном азимутальном угле в файле фотометрических данныхтакже воспринимает описываемый файлом светильник как симметричный вокруг оси азимутальных углов С.

Предположим, на установке рис. 5 фиксировались показания люксметра приповороте светильника на полярные углы0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 градусов, при этом показания люксметра были: 2760, 2742, 2700, 2622, 2526, 2394, 2220, 2016, 1644, 1284, 1050, 792, 564, 432, 348, 282, 228, 120, 12 люкс.Полученные результаты измерений записываем в формате IES (IES – файлы редактируются в блокноте, нужно поставить расширение ies), результат записи иллюстрирует рис. 8.

    

 Полученный файл является промежуточным файлом в формате IES для полученияфайла фотометрических данных.Пояснения к файлу: строка IESNA: LM-63-1995 является указателем стандарта. Строки, начинающиеся с квадратных скобок, необязательны, несут информационный характер- номер и дата протокола, название лаборатории, тип источника света и др.

Строка TILT=NONE указывает на независимость светового потока от наклона.

Следующая строка: 60 60 1 19 1 1 2 0.595 0.595 0.04– цифра 60-количество светодиодов, следующая цифра 60- световой поток одного светодиода, 1 – множитель, 19- число полярных углов, 1- число азимутальных углов, 1- тип фотометрии, 2 – единица измерения размера метр, 0.595 – ширина светильника, 0.595 – длина светильника. 0.04 – высота светильника.

Следующая строка: 1 1 34 – 1-коэффициент балласта, 1- признак версии, 34- полная мощность светильника.

Следующая строка: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 – полярные углы в градусах

Следующая строка: 0 – азимутальные углы в градусах

Следующая строка: 2760 2742 2700 2622 2526 2394 2220 2016 1644 1284 1050 792 564 432 348 282 228 120 12 – показания люксметра при разных полярных углах.

 Применяем промежуточный файл в программе DIALuxдля расчёта одиночного светильника, последовательность действий:запускаем DIALux>выбираем«простое планирование интерьеров»> кнопка «свет»> «импортировать файл светильника»>указываем путь к промежуточному файлуIES> появившуюся иконку перетаскиваем мышкой в центр помещения > нажимаем «расчет», «запустить расчет»> кнопки «документация», «сводка для помещений»>анализируем полученный результат – рис. 9.

  

В результате вычислений программа определила КПД светильника равным 164.55%. КПД светильника типа «Армстронг» определён выше равным 90%. Разделив значения КПД 90 на 164.55, получаем значение множителя 0.547, которое необходимо вставить в промежуточный файл вместо цифры 1. Полученный файл (Рис.10) позиционируем как файл фотометрических данных.

    

Проверяем файл в программе DIALux – результат вычислений программы иллюстрирует рис. 11.

    

В полученном файле фотометрических данных вместо изменения значения множителя с 1 на 0.547 можно умножить все результаты измерения люксметра, записанные в файле на 0.547, результат его работы в программе будет аналогичным.

Достоверность полученногофайла фотометрических данных основано на двух допущениях – КПД светильника 90% и световой поток каждого светодиода 60 люмен, поэтому описанный метод его получения применим только к простым конструкциям светильников, для которых достаточно точно вычисляется КПД и при уверенности в световом потоке светодиодов. Очень часто конструктор светильниковсознательно идёт на потери светового потока, например, светодиодные панели имеют меньшую эффективность, чем светодиодные светильники «Амстронг» но имеют высокую равномерность яркости по всей площади излучения, в этих случаях КПД светильника неизвестен. Для получения файла фотометрических данных без знаний КПД светильника и светового потока светодиодов необходимо знать световой поток светильника.

Для определения светового потока светильника предлагаю использовать панель из солнечных батарей – рис. 12.

  

Рис. 12 иллюстрирует светодиодный светильник типа «Армстронг», расположенный вплотную к защитному стеклу панели, состоящей из двух поликристаллических солнечных модулей ФСМ-30П. При включении светильника ячейки солнечной батареи пропорционально преобразуют энергию светового потока светильника в электрическую.Солнечные батареи в широком диапазоне имеют линейную зависимость электрической мощности от подающего на неё светового потока, высокую надёжность и низкую деградацию.Для измерения светового потока батарея подключается к резистивной нагрузке, амплитуда напряжения на нагрузке пропорциональна падающему световому потоку.Перед применением измерителя светового потока на основе солнечной батареи необходимо произвести его калибровку по эталонному источнику света, в качестве которого используется светодиодный модуль со светодиодами, имеющими небольшие разбросы параметров или светодиодная матрица. Линейность измерителя проверяется последовательным включением светодиодных модулей светильника типа «Армстронг» -от одного до четырёх модулей.

При известном световом потоке светильника и пропорциональности его распределения в пространстве легко получитьфайл фотометрических данных на светильник. Для этого необходимо переписать промежуточный файл (рис. 8), изменив количество светодиодов на 1 и световой поток светодиода на известный световой поток светильника. Например, световой поток тестируемого светильника с рисунка 5 измерен и составляет 3210 люмен. Изменённый промежуточный файл иллюстрирует рис. 13.

  

Применяем промежуточный файл в программе DIALuxдля расчёта одиночного светильника, получаем результат – рис. 14

    

В результате вычислений программа определила КПД светильника равным 184.54%. В данном случае КПД светильника типа «Армстронг» должно равняться 100%, так как световой поток, записанный в файле рис. 13 измерен вне светильника, т.е., все потери учтены. Разделив значения КПД 100 на 184,54, получаем значение множителя 0.5412, которое необходимо вставить в промежуточный файл рис.13 вместо цифры 1 – рис. 15.

  

Полученный файл применяем в программе DIALux, результат вычислений иллюстрирует рисунок 16.

    

Файл в формате IES рис.15, после внесённых изменений, точно описывает фотометрические данные светильника, но не является корректным. В файле указано неверное количество светодиодов (1 вместо 60) и неверно указан световой поток одного светодиода – 3210 люмен, в строке данных вместо сил света записаны показания люксметра. Для получения достоверного файла фотометрических данных в формате IES необходимо исправить эти недостатки. Общий световой поток светодиодов вычисляется как световой поток светильника делённый на коэффициент пропускания светорассеивателя и равен 3210/0.9=3566.7 люмен. Световой поток одного светодиода находим как 3566.7/60=59.44 люмен, записываем это значение в файл, записываем количество светодиодов как 60. Значение множителя записываем равным 1, а значения данных умножаем на 0.5412 –для приведения их к размерностикд/1000 лм.

Окончательный файл фотометрических данных в формате IES иллюстрирует рисунок 17.

  

Итогом произведённых измерений и последующих вычислений стал файл фотометрических данных в формате IES.

Достоверность полученного файла фотометрических данных в большей степени определяется точностью измерения светового потока. Точность измерения светового потока при помощи измерителя на основе солнечных батарей при его правильной юстировке соизмерима с точностьюизмерения сферическим фотометромлибо в фотометрическим гониометром.

Световая отдача светильника определяется как отношение его светового потока к потребляемой им мощности. Световой поток исследуемого светильника составляет 3210 люмен, потребляемая мощность 34 ватт, следовательно, световая отдача составляет 94,4 люмен/ватт.

Коэффициент световой отдачи определяют отношением световой отдачи

светильника к световой отдаче содержащихся в нем светодиодов одного типа, указанной изготовителем в технических условиях или каталоге. В тестируемом светильнике применяются светодиоды SPMWHT541MD5WAP0S3 от компанииSamsung со световой отдачейпри температуре 85º –125 лм/ватт. Коэффициент световой отдачи тестируемого светильника составляет 94.4/125=0.7552.

Таким образом, на любом производстве возможно создание испытательной лаборатории для контроля за параметрами выпускаемой продукции и проведения инженерно-конструкторских работ. Согласно (2) отклонение от заявленных параметров при производстве светильников не должно превышать 8%, поэтому вполне контролируется описанными методами. При разработке новых образцов продукции доступная проверка их параметров облегчит работу конструкторов и позволит избежать неожиданностей в испытательных лабораториях.

Некоторые испытательные лабораториивыдают файлы фотометрических данных в формате IES с нарушением стандарта, разработанного ещё в 1995 году Светотехническим Обществом Северной Америки. Например, для светильников типа «Армстронг» вместо истинного количества светодиодов стоит цифра 1, вместо светового потока отдельного светодиода записан световой поток сразу всех светодиодов.Вместе с тем, в первой строке файла записан стандарт LM-63-1995, по которому следует указывать количество светодиодов и их световой поток. Аргументы лаборатории предсказуемы, скорее всего сошлются на неразборность конструкции, не знаем мол, какие там светодиоды, но как тогда онирассчитывают коэффициент световой отдачи? А как объяснить тот факт, что обработка файла в программе DIALuxприводит парадоксальному результату -КПД светильника 99- 120%? Выходит, чтосветорассеиватель увеличивает световой поток светодиодов.IES – файл, хотя он и небольшой, но если грамотно составлен, то много о чём информирует. Если уж хочется его упростить, то желательно сделать пометку в первой строке файла, после указания стандарта приписать «в понимании сотрудников такой-то лаборатории». Ошибки со стороны лабораторий, к сожалению, случаются, так что лучше вначале самому все проверить.

 


 

 


                          

        Рубрику «Изобретения в светотехнике» в журнале «Современная Светотехника» ведём с 2015 года. Обязательный ежемесячный анализ новых изобретений позволяет быть в курсе всего нового.