POZNAN UNIVE RSIT Y OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 92 Electrical Engineering 2017

DOI 10.21008/j.1897-0737.2017.92.0010

__________________________________________ * Politechnika Poznańska. ** CLEONI Sp. z o.o.

Krzysztof WANDACHOWICZ* Michalina TAISNER**

LAMPY I MODUŁY DIODOWE ZASILANE NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości elektrycznych oraz fotome-trycznych lamp diodowych do użytku domowego oraz modułów diodowych zintegro-wanych z zasilaczami. Lampy i moduły diodowe przeznaczone są do zasilania napię-ciem przemiennym o wartość 230V. Badane lampy i moduły zostały poddane ocenie pod względem wymagań normatywnych. Analiza porównawcza pozwala określić ich przydatność, funkcjonalność oraz korzyści płynące z braku konieczności stosowania zasilaczy przekształcających napięcie sieciowe.

SŁOWA KLUCZOWE: lampy diodowe do użytku domowego, moduły diodowe zasila-ne napięciem przemiennym

1. WSTĘP

Technologia produkcji diod świecących oraz ich udział w rynku lamp i opraw

oświetleniowych przeżywa w ostatnich latach burzliwy rozwój. Urządzenia wprowadzane na rynek oświetleniowy zawierające diody elektroluminescencyj-ne stają się coraz bardziej konkurencyjne w stosunku do istniejących od wielu lat produktów zbudowanych z zastosowaniem technologii tradycyjnych.

Z dniem 1 września 2013 roku wszedł w życie 5 etap spełniania wymogów dotyczących ekoprojektu, które są zamieszczone w Rozporządzeniu komisji (WE) NR 244/2009 w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego [1]. Rozporządzenie to spowodowało stopniowe wycofywanie z rynku żarówek. Wzrost skuteczności świetlnej diod świecących powoduje z kolei wypieranie z rynku świetlówek.

Na rynku pojawiły się również moduły diodowe które nie wymagają stoso-wania dodatkowych zasilaczy i przeznaczone są do zasilania napięciem prze-miennym o wartości 230 V. Moduły te znajdują zastosowanie głównie jako źródła światła w oprawach dekoracyjnych oraz użytkowych przeznaczonych do wnętrz mieszkalnych.

Krzysztof Wandachowicz, Michalina Taisner

118

Biorąc pod uwagę powyższe informacje można stwierdzić, że w niedalekiej przyszłości w gospodarstwach domowych będą dominowały lampy diodowe oraz moduły diodowe zasilane napięciem przemiennym.

2. BADANIA 2.1. Badane lampy i moduły

Lampy do użytku domowego wybrano stosując kryterium polegające na tym, że powinny one być zamiennikami żarówki o mocy 60W [1]. Moduły dio-dowe nie są produkowane w typoszeregu opisanym w Rozporządzeniu [1]. Do badań wybrano moduły stosowane przez firmę Cleoni do budowy opraw oświe-tleniowych przeznaczonych do wnętrz mieszkalnych. Firma Cleoni jest liderem na rynku dekoracyjnych i użytkowych opraw z diodami świecącymi [3].

Na rysunku 2.1 przedstawiono zdjęcie prezentujące badane lampy. Pierwsze trzy lampy (A–C) wykonane są z zastosowaniem diod SMD, które zamocowane na aluminiowym podkładzie świecą w kierunku rozpraszającego klosza. Od-prowadzenie ciepła do otoczenia następuje poprzez metalowy korpus lampy. Kolejne trzy lampy (D–F) wykonane są w technologii przypominającej nieco produkcję żarówek. Moduły diodowe umieszczone są w szklanych bańkach a odprowadzenie ciepła do otoczenia odbywa się poprzez gaz umieszczony w bańkach.

A) B) C) D) E) F)

Rys. 2.1. Badane lampy diodowe; A) – C) lampy z diodami SMD święcące w stronę rozpraszają-

cego klosza; D) – F) moduły diodowe umieszczone w szklanej bańce wypełnionej helem Na rysunku 2.2 przedstawiono zdjęcie prezentujące badane moduły diodo-

we. Różnią się one kształtem, technologią wykonania oraz mocą i strumieniem świetlnym. Pierwsze cztery moduły (G–J) wykonane są z zastosowaniem diod SMD. Piaty moduł (K) wykonany jest w technologii Chip on Board, w której diody połączone szeregowo-równolegle umieszczone są bezpośrednio na płytce montażowej.

Lampy i moduły diodowe zasilane napięciem przemiennym

119

G) H)

I) J) K)

Rys. 2.2. Badane moduły diodowe; G–J moduły z diodami SMD; K moduł

z diodami wykonanymi w technologii Chip on Board (COB) 2.2. Badanie parametrów elektrycznych i fotometrycznych

Początkowy strumień świetlny nie może być mniejszy o więcej niż 10% od

strumienia znamionowego. Moc początkowa nie może być większa o więcej niż 10% od mocy znamionowej. Z kolei skuteczność świetlna, czyli wielkość obli-czana z dwóch wymienionych wyżej, nie może być mniejsza niż 80% skutecz-ności znamionowej [4, 5]. Należy zwrócić uwagę na warunki wykonywania pomiarów. Cechą charakterystyczną lamp diodowych jest zmniejszanie się strumienia świetlnego w czasie rozruchu co jest spowodowane nagrzewaniem się materiału półprzewodnikowego (złącza), z którego wykonana jest dioda. Czas rozruchu jak i wielkość spadku strumienia świetlnego zależą od rodzaju diod oraz budowy lampy i oprawy oświetleniowej. Na podstawie kilkudziesię-ciu pomiarów różnych lamp samostatecznikowych oraz modułów diodowych można określić stopień zmniejszenia strumienia świetlnego na około od pięciu do dziesięciu procent (jest to różnica pomiędzy strumieniem tuż po włączeniu lampy a strumieniem po czasie stabilizacji). Pomiary należy wykonywać po osiągnięciu stabilizacji strumienia świetlnego. Stabilizacja jest osiągana kiedy różnica pomiędzy odczytywanymi w odstępach co najwyżej minutowych mak-symalnymi i minimalnymi wartościami strumienia nie przekracza 0,5%. Jeżeli mimo wszystko nie uzyskano stabilizacji w przeciągu 45 minut można rozpo-cząć pomiary [4, 5].

W tabeli 2.1 przedstawiono wyniki pomiarów parametrów fotometrycznych i elektrycznych. Zmierzono parametry początkowe, które można porównać z wymaganiami norm. Prawie wszystkie lampy oraz moduły diodowe spełniają

Krzysztof Wandachowicz, Michalina Taisner

120

wymagania dotyczące początkowych wartości strumienia świetlnego, pobieranej mocy czynnej, współczynnika mocy oraz wskaźnika oddawania barw [1, 4, 5]. Jedynie moduł oznaczony jako K-COB nie spełnia wymagań w zakresie począt-kowej wartości strumienia świetlnego. Można zauważyć znaczną różnicę pomię-dzy wartościami współczynnika mocy lamp i modułów diodowych. W przypadku lamp wymagana wartość współczynnika mocy wynosi co najmniej 0,5 a w przy-padku modułów diodowych co najmniej 0,7 (dla mocy poniżej 25W).

Tabela 2.1. Wyniki badań parametrów początkowych lamp: – strumień świetlny, P – moc czynna, – skuteczność świetlna, cos – współczynnik mocy, Tb – temperatu-ra barwowa, Ra – wskaźnik oddawania barw

Lp Nazwa i dane katalogowe [lm] P [W] [lm/W] cos Tb [K] Ra

lampy do użytku domowego 1 A – E27 9,5W/827, 806 lm 842 9,3 91 0,52 2900 84 2 B – E27 9W/827, 806 lm 780 9,7 80 0,53 2800 83 3 C – E27 8W/827, 806 lm 805 7,6 106 0,55 2700 84 4 D – E27 7W/827, 806 lm 754 6,9 110 0,58 2800 82 5 E – E27 7,5W/827, 810 lm 834 7,1 118 0,76 2800 84 6 F – E27 6W/830, 810 lm 818 6,0 137 0,54 2700 84

moduły diodowe 7 G – SMD 9W/840, 900 lm 836 8,7 96 0,99 3900 86

8 H – SMD 18W/840, 1900 lm 1821 17,4 105 0,99 3900 84

9 I – SMD 15W/830, 1250 lm 1298 12,4 105 0,98 3000 85 10 J – SMD 15W/930, 1250 lm 1325 16,0 83 0,98 3400 95 11 K – COB 8W/830, 810 lm 620 8,8 71 0,99 3100 84

2.3. Badanie harmonicznych prądu

Harmoniczne prądu oraz współczynnik zawartości harmonicznych zmierzo-

no za pomocą analizatora mocy. Wyniki pomiarów zamieszczono w tabeli 2.2. Wyniki pomiarów można porównać z wymaganiami normy [6]. W tabeli za-mieszczono również wymagania dotyczące dopuszczalnych wartości prądu harmonicznych w przeliczeniu na wat. Analizując wyniki pomiarów można stwierdzić, że w zasadzie żadna z badanych lamp diodowych nie spełnia wyma-gań dotyczących maksymalnych dopuszczalnych wartości prądu dla poszcze-gólnych harmonicznych. Co prawda jedna z lamp (E) ma zdecydowanie mniej-szą wartość współczynnika zawartości harmonicznych oraz niższe wartości

Lampy i moduły diodowe zasilane napięciem przemiennym

121

prądów harmonicznych, jednak dla harmonicznej n = 7 wymagania nie są speł-nione. Zupełnie inne wyniki uzyskano dla modułów diodowych. Uzyskane war-tości współczynnika zawartości harmonicznych oraz wartości prądów harmo-nicznych są znacznie niższe. Wartości prądów harmonicznych nie przekraczają dopuszczalnych wartości.

Tabela 2.2. Wyniki badań harmonicznych prądu: n – rząd harmonicznej, THD – współ-czynnik zawartości harmonicznych prądu

Wartość prądu w przeliczeniu na wat [mA/W] dla harmonicznej n Lp Nazwa

3 5 7 9 11

THD [%]

lampy do użytku domowego 1 A – E27 9,5W/827, 806 lm 4,1 3,6 2,8 2,0 4,1 146 2 B – E27 9W/827, 806 lm 4,2 3,4 2,6 1,7 1,1 147 3 C – E27 8W/827, 806 lm 4,1 3,2 2,1 1,3 1,0 133 4 D – E27 7W/827, 806 lm 4,1 3,0 1,9 1,1 0,9 124 5 E – E27 7,5W/827, 810 lm 2,0 0,8 1,2 0,9 0,27 58 6 F – E27 6W/830, 810 lm 4,1 3,4 2,5 1,7 1,0 129

moduły diodowe 7 G – SMD 9W/840, 900 lm 0,3 0,2 0,1 0,1 0,03 11 8 H – SMD 18W/840, 1900 lm 0,1 0,3 0,1 0,1 0,01 12 9 I – SMD 15W/830, 1250 lm 0,2 0,1 0,03 0,5 0,03 17 10 J – SMD 15W/930, 1250 lm 0,1 0,4 0,2 0,3 0,2 18 11 K – COB 8W/830, 810 lm 0,3 0,4 0,2 0,1 0,03 13

12 Maksymalne dopuszczalne wartości prądu harmonicznej 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 –

3. PODSUMOWANIE

Coraz więcej mówi się o kończących się zasobach surowców naturalnych

niezbędnych do wytwarzania energii elektrycznej. Zastanawiamy się skąd ową energię pozyskiwać i jak szukać alternatywnych źródeł energii. Równie waż-nym elementem jest określenie sposobu w jaki realnie możemy ograniczyć jej konsumpcję. Stosowanie diod świecących pozwala na uzyskanie oszczędności w zużyciu energii elektrycznej wydatkowanej na potrzeby oświetlenia miejsc pracy jak i oświetlenia wnętrz mieszkalnych. Ten drugi aspekt był przedmiotem badań zaprezentowanych w niniejszym artykule.

Krzysztof Wandachowicz, Michalina Taisner

122

Wprowadzając do użytku lampy i moduły diodowe powinniśmy zwracać uwagę na parametry techniczne tych źródeł oraz na spełnienie wymagań różno-rodnych norm. Ważnymi parametrami są parametry istotne z punktu widzenia odbiorcy takie jak moc, strumień świetlny, barwa światła i trwałość. Wszystkie z wymienionych wyżej i zmierzonych parametrów badanych lamp i modułów spełniają wymagania.

Kolejnym parametrem jest wpływ użytkowanych lamp i modułów na warto-ści harmonicznych prądów wprowadzanych do sieci. Przechodząc od użytko-wania żarówek do świetlówek a teraz do lamp z diodami świecącymi zmienia się typ i charakter pracy urządzeń oświetleniowych eksploatowanych w gospo-darstwach domowych. Okazuje się, że szczególnie w przypadku lamp z diodami świecącymi mamy do czynienia ze znacznym przekroczeniem wymagań normy w zakresie dopuszczalnych wartości prądów harmonicznych.

LITERATURA

[1] Rozporządzenie komisji (WE) nr 244/2009 w sprawie wykonania dyrektywy

2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów doty-czących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do użytku domowego.

[2] Rozporządzenie komisji (UE) NR 1194/2012 z dnia 12 grudnia 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesie-niu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp kierunkowych, lamp z dioda-mi elektroluminescencyjnymi i powiązanego wyposażenia.

[3] Cleoni producent oświetlenia, http://cleoni.pl, [dostęp 31.01.2017]. [4] PN–EN 62612:2014–01. Lampy samostatecznikowe LED do ogólnych celów

oświetleniowych na napięcie zasilające > 50 V – Wymagania funkcjonalne. [5] IEC 62717/2014, LED modules for general lighting – Performance requirements. [6] PN–EN61000–3–2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 3–2: Po-

ziomy dopuszczalne – Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu.

LAMPS AND LED MODULES CONNECTED DIRECTLY TO AC MAINS VOLTAGE

This article presents a study of electrical and photometric properties of selected

household LED lamps and LED modules. The comparative analysis allows to determine their usefulness, functionality and benefits of chosing an alternative to traditional bulbs. The article also presents a comparison, in terms of photometric and electrical properties. Comparative analysis can determine their usefulness, functionality and benefits of the lack of need to use additional power supplies. (Received: 12. 02. 2017, revised: 28. 02. 2017)