Управление светом и освещением

Что такое современное освещение? По велению времени современным освещением сегодня необходимо считать - светодиодные приборы, оставив «за бортом» рассмотрения все остальные виды освещения, включая - «классические лампы накаливания». Вначале мы расскажем о том, какие же параметры есть у современных светодиодных ламп и зачем их надо измерять? Может показаться, что 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 идеала не существует. У светодиодов тоже есть свои особенности, например, лампа накаливания совершенно спокойно работает при температурах в тысячи градусов, а светодиоды очень требовательны к охлаждению: часто заявляемый срок службы в сотни тысяч часов (для сравнения – у лампочки накаливания около тысячи часов) достигается только при комнатной температуре их эксплуатации. Эффективность светодиодов тоже зависит от качества их охлаждения. Как и газоразрядные трубки, светодиоды нельзя просто включить в сеть – им нужна особая схема-драйвер, от качества которой напрямую зависит общее качество светодиодной лампы. Отдельным вопросом стоит задача – обеспечение совместимости с традиционными светильниками. Ограниченность объёма патронного места для ламп накаливания в светильниках, предъявляет дополнительные требования по охлаждению, при размещении там светодиодных ламп. Более того, существуют требования к габаритам электронного драйвера, что тоже отражается на характеристиках светодиодных ламп.

Одним словом, природа светодиодов вынуждает искать различные компромиссы при создании на их основе светильника. Поиск устойчивого идеала конструкции для ламп накаливания, завершившийся в первой половине двадцатого века, в случае светодиодов - всё ещё продолжается; поэтому именно 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, которые не так заметны «на глаз», а то и вовсе неочевидны для неискушённого человека, но при этом напрямую определяют качество такой лампы.

В целом, рассматривая параметры светодиодных ламп – их возможно разделить на две группы: световые и электрические. Внимание ко второй группе параметров 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, - поэтому и долго измерять в них ничего не надо, все и так ясно. В светодиодных лампах мы имеем дело с некоторой электро-схемой, в конечном итоге, вносящей ощутимый вклад в общую эффективность, качество использования и полезность светодиодных ламп.

К световым параметрам, прежде всего, относится полный световой поток лампы ([total] luminous flux), характеризующий, сколько света она излучает во все стороны. Параметр это интересный и полезный для «профи», говорящий о световом потоке, измеряемым при помощи идеально сферического фотометра. Самое ценное для нас в данном параметре – сравнение разных ламп по светоотдаче. Единица измерения – люмен (lm).

Пользователю гораздо более интересен параметр освещённости (illuminance) – показатель того, насколько ярко лампа светит/освещает. На самом деле это, конечно, относится не только к характеристикам самой лампы, а зависит в том числе и от конструкции светильника, расстояния от него до освещаемой поверхности, расположения этой самой поверхности и всего остального, вроде коэффициента отражения окружающих предметов. Поэтому как-либо обобщить его сложно. Измеряется освещённость в люксах (lux, lx). Уровни освещённости нормируются санитарными правилами и нормами.

Световая отдача (luminous efficacy) – световой КПД лампы. Показывает, сколько света лампа выдаёт 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 зелёного 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) – показывает оттенок излучаемого света, от красноватого до синеватого. Измеряется в Кельвинах. Надписи на упаковках ламп «2700K», «4200K», «6500K» — это про неё. Почему цвет измеряется в единицах температуры? Смысл в следующем: если нагреть абсолютно чёрное (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 Кельвинов 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, примерно, более трёх тысяч Кельвин не получится — при температуре нагрева свыше 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, поэтому, в них возможно получение любого оттенка.

Для справки: - цветовая температура около 4200K соответствует утреннему солнцу, а за 6500K принят стандарт дневного света.

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, что и цветовая температура.

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

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 субъективный из всех объективных параметров освещения. Тестируется он на специально определённых цветах, некоторые из которых имеют поэтичные описания вроде «цвет увядшей розы». Если говорить о его практической значимости, то дело здесь вот в чём: - многим знакомо ощущение, что лампа светит достаточно ярко, но при этом совершенно «не освещает». Именно за это отвечает индекс цветопередачи. Обычно, возможно считать, что всё лампы, у которых индекс CRI будет выше 80% - будут, 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 Вам нравится.

Пульсации светового потока – параметр, возникающий из-за того, что напряжение в сети переменное, соответственно лампы могут мерцать. Низкочастотные пульсации плохи по многим причинам, одна из которых – стробоскопический эффект.

Наиболее опасным последствием пульсации света можно назвать стробоскопический эффект на промышленных объектах, где присутствуют быстро движущиеся открытые механизмы и детали машин. Частота их вращения может совпасть с частотой мерцания света и может показаться, что механизм неподвижен, что зачастую является причиной серьёзных травм и повреждений.

Эффект мерцания источника света может быть зафиксирован при фото- и видеосъёмке на коротких выдержках. Данный неприятный момент может испортить не только несколько фотографий, но и имидж студий и съёмочных павильонов.

В последнее время нам все чаще приходится слышать о том, что на рынке появляются светильники с коэффициентом пульсации 1-2%, что является результатом борьбы производителей LED за конкурентные преимущества. Наша позиция в этом вопросе такова: коэффициент пульсации источника света 20%—это абсолютно нормальное и допустимое значение, обозначенное в ГОСТе и СанПиНе. Конечно, существуют условия труда и быта человека, где необходимо максимальное снижение коэффициента пульсации (до 5% и ниже), но это весьма частные и редкие случаи. Мы всегда стараемся анализировать проект, исходим из реальных потребностей наших клиентов и предлагаем наиболее рациональные варианты для систем освещения.

Кратко, наши рекомендации таковы: люминесцентные лампы должны находится на помойке. Ещё как-то можно понять их использование в коридорах и других вспомогательных помещениях, но только не в квартирах. Энергосберегающие лампы подвержены сильной пульсации, а в недорогих предложениях могут сильно превышать «вредные» значения ГОСТ. Галогеновые и «обычные» лампы накаливания практически не имеют пульсации. Со светодиодными лампами ситуация сложнее: - дорогие лампы, как правило, соответствуют минимально заявленному уровню пульсации (1%-2%), а покупка бюджетных аналогов похожа на лотерею, кроме того, в бюджетных решениях может проявиться вредный для глаз так называемый «синий спектр». Причины такого положения дел на рынке – «копеечная экономия» производителей ламп на «драйверах» (стартерах) ламп, которая на больших партиях ламп превращается в весомую прибыль для корпораций.

Кстати, в нашем демонстрационном зале есть специальный прибор, который мы используем для тестирования наших решений и поставляемого оборудования, — пульсометр. Приезжайте к нам в гости, за чашкой кофе или чая, мы сможем показать на деле, что такое пульсация светового потока и какие решения существуют в России и мире для снижения подобного эффекта. Разумеется, производители всеми силами стараются сделать световой поток светильника как можно более равномерным.

Пульсация светового потока—это одна из основных характеристик источников искусственного освещения, отражающая частоту мерцания и качество света в целом. Характеризуется данный эффект специальным параметром—коэффициентом пульсации.

Коэффициент пульсации—это относительная величина и измеряется она в % от разности максимального и минимального значений освещённости в люксах, приведённая к усреднённому значению освещённости за период.

В России ограничения по значениям коэффициента пульсации светильников регламентируются СНиП 23-05-95, ГОСT 17677-82 и СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. В Европе и США подобных норм не существует.

Ограничения, существующие в России:

1. Пульсации освещённости, частотой до 300 Гц, на рабочих местах не должны превышать 20%, в некоторых случаях (при работе с ПЭВМ) – 5%.
2. В местах временного пребывания (коридоры, лестницы, переходы и т.п.) уровень пульсации не нормируется.
3. Не нормируются пульсации освещённости, частота которых превышает 300 Гц.

Как ни парадоксально, но пульсация света — это следствие технического прогресса в области развития светотехники, а в частности LED технологий.

Физика работы LED такова, что включение диода возможно только при определённом значении силы тока и его направлении. Для подключения светодиодных светильников в цепях переменного напряжения (бытовой сети) и управления их яркостью мы, как специалисты-светотехники, вынуждены применять специальные пускорегулирующие устройства—LED-драйверы и диммеры с широтно-импульсной модуляцией—ШИМ. Колебания тока на выходе таких устройств порождает колебания светового потока LED, именно поэтому применение пускорегулирующей аппаратуры в системах освещения порождают подобный специфический эффект. В этом плане обычная лампа накаливания подвержена тем же самым воздействиям со стороны питающей сети. Однако, она более инертна по своим характеристикам, поэтому мерцания частотой в 50 Гц фактически отсутствуют.

Далее, поговорим немного о том, как пульсация света может влиять на самочувствие человека и какие она сулит неприятности.

В большинстве случаев человеческий глаз не фиксирует пульсацию источника искусственного света, поскольку существует определённый порог восприятия, связанный с особенностями нашего зрения и частотой самих пульсаций.

Многократными исследованиями доказано, что критическая частота восприятия пульсаций—300 Гц, при достижении этого значения человеческий мозг перестаёт воспринимать их как таковые. При частоте до 120 Гц мозг на подсознательном уровне воспринимает пульсацию как некую попытку получения несуществующей информации и пытается его обработать. Считается, что таким образом, человек воспринимает до 4 частот мерцаний от различных источников света, что в значительной степени повышает “загруженность” его центрального вычислителя—головного мозга. Такое восприятие света, конечно, дополнительно перегружает наш мозг, что ведёт к преждевременной усталости человека.

В качестве завершения темы пульсации необходимо отметить, что мы описали «вредные влияния» пульсация света на состояние человека в помещении, однако влияние источников света на человека не является основным фактором, куда более заметное влияние на него оказывают телевизоры и компьютерные мониторы (особенно старые модели). Производители ТВ тоже экономят, используя маломощные полевые транзисторы в цепях управления ШИМ, причём, дополнительно затратив 200 рублей можно убрать эту проблему, но… капитализм – есть капитализм.

Далее, переходим к рассмотрению электрических характеристик параметров светодиодных ламп. Из них наибольший интерес представляют КПД схемы управления и коэффициент мощности.

С параметром КПД схемы управления, в общем, все понятно – можно поставить в лампу самые лучшие светодиоды на свете, но свести все их преимущества «на нет» схемой стабилизации тока лампы, расходующей больше мощности, чем сами излучатели. Измеряется КПД 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 поступающей энергией. Дело в том, что, как уже говорилось выше, современная лампа – это не резистор, потребление тока которой носит сложный характер. При этом потребляемый ток часто не совпадает по форме и фазе с сетевым напряжением, что приводит к паразитным эффектам – индуктивным и ёмкостным потерям электроэнергии, которые в глобальном масштабе, могут доставить головную боль энергетическим компаниям. В конечном итоге – чем больше коэффициент мощности, тем лучше (меньше энергопотерь!). Измеряется коэффициент мощности в процентах или относительных единицах, идеальное значение – 100% или 1. Для сети это самая дружелюбная нагрузка. Предельное значение коэффициента мощности снизу, которое ещё можно считать приличным, составляет 0,8 (ГОСТ 13109-97).

В целом, перечисленные параметры можно считать основными численными характеристиками, описывающими качество светильника. Конечно, сюда ещё стоит добавить такие категории, как качество исполнения, а также, красота и «профессиональность» применяемой схемотехники.

Разобравшись с обзором технических параметров, стоит несколько слов сказать о классификации светодиодных ламп по способу их применения. Основное деление ламп происходит по линии применимости их снаружи (на улице) или в помещении. Первые лампы, обычно дороже ламп для внутреннего применения, так, как имеют класс защиты от внешних воздействий и, обычно, более яркие. В тоже время, лампы для применения в помещениях более качественны по своим параметрам, могут обладать дополнительным функционалом (защита от пыли, дыма, копоти и некоторых вредных веществ, т.е. далёкий аналог «Люстры Чижевского») или более специализированы (вариант: светодиодные лампы для животных).

Кроме того, лампы отличаются своим конструктивом – и это не только известные всем стандартные цоколи для них, но и специальные конструктивы, где они имеют необходимое нормальное охлаждение, а также, применимость светодиодных ламп в виде лент, что позволяет создавать удобную внешнюю подсветку помещений или организовывать точечные рабочие места или освещение определённых мест внутри помещений. Это почти вся информация, необходимая нашему Заказчику для принятия правильных световых решений на своём объекте. Дополнительно стоит отметить о существовании специального класса светодиодных ламп, использующихся в проектах по «Умному дому». Такие лампы могут дистанционно управляться при помощи Вашего смартфона или беспроводного роутера, а также, стоит упомянуть о существовании медицинских ламп, которые могут быть применены в детских комнатах или в комнатах престарелых родителей, для борьбы с инфекциями и вирусами, при обязательном отсутствии людей в помещениях в момент использования таких ламп (например, перед сном).

Управление освещением в Умных домах (УД) – весьма востребованная услуга на рынке домашней автоматизации. Правильно спроектированная система освещения УД создаст в доме уют, позволит сэкономить на электроэнергии, повысит безопасность помещения за счёт «эффекта присутствия», а также, может стать предметом Вашей гордости перед Вашими гостями.

Номенклатура осветительных приборов, их количество и вид, а также, мощность светильников выбирается исходя из таких факторов, как предназначение помещения, цветовое решение, интерьер, и т.п.

Сценарии алгоритмов автоматического переключения освещения в доме, разрабатывается в зависимости от пожеланий и предпочтений владельцев и жильцов домах. В качестве вариантов: - во время работы должно быть хорошо освещено рабочее место, а в вечернее время освещение переходит на кухню, места отдыха и развлечений взрослых и детей, причём в выходные дни и праздники сценарий освещения может дополнительно учитывать присутствие гостей и более поздний отход ко сну.

Автоматика УД, управляющая светом в помещениях, берет на себя функции автоматического включения/отключения света при срабатывании датчиков присутствия в помещениях. Яркость света зависит от времени суток, дня недели, сезона и выбранного шаблона поведения: вечером яркость освещения должна быть на комфортном уровне, ночью она не побеспокоит тех, кто уже спит, но позволит безопасно ходить по квартире. Управление освещением в детской комнате выключит свет автоматически, после засыпания детей в детских комнатах.

В любом случае, с контроллера панели управления или карманного компьютера/телефона, вы сможете менять сценарий поведения системы освещения помещений, в которых вы находитесь, а также, управлять освещением помещений всего дома, включая/выключая или меняя интенсивность освещения в необходимых Вам комнатах.