Освещение люминесцентными лампами и светодиодными лентами (расчет и обобщение)

Освещение люминесцентными лампами и светодиодными лентами  (расчет и обобщение)

«…И опыт, сын ошибок трудных…»

Пушкин А.С.

Данная статья ни в коей мере не претендует на исчерпываемость и не заявляет о предпочтительности одного вида освещения другому.

Уже казалось бы все разобрано до мелочей, но оказывается эта тема все еще имеет актуальность ввиду разбросанности и разнородности информации.

Итак, техническое задание (эконом класс):

- выращивание геснериевых на НЕИНТЕРЬЕРНОМ стеллаже без естественного освещения и без применения специальных рефлекторов http://toptropicals.ru/html/tropics/articles/cultivation/lighting4.htm

- размеры полки установить стандартными для использования люминесцентных ламп (ЛЛ) типа Т12: 125 см х 50см. Высота полки 45 см.

- высота от источника света до растения - 150 мм

- усредненная освещенность растений должна составлять 3000 lk

Начальные условия:

1. Для изготовления полок используем материал с белой обратной облицовкой, что в некоторой мере позволит использовать ее в качестве отражателя или же облицуем ее светоотражающей пленкой. Хотя ни то, ни другое не работает в качестве полноценного отражателя, но уже позволит оптимизировать освещенность процентов на 10%.  

2. Наскоро  освежив в памяти данные из интернета, убеждаемся в практической реалистичности величины усредненной освещенности 3000 lk. В сети «гуляют» данные в разбросе от 800 lk до 6000 lk. Большую часть от такого разброса необходимо отнести к отсутствию практических измерений, их неточности, отсутствию долгосрочного опыта в выращивании растений в подобных условиях. Основываясь на длительном личном опыте и усредняя общие предположения, приходим к величине в 3000 lk, что оптимально согласуется с мнением http://www.fialki.ru/node/2503 и  http://fialochka.rx22.ru/viewtopic.php?f=21&t=7285&st=0&sk=t&sd=a&hilit=светодиодное+освещение&start=75

3.  Для люминесцентных ламп (ЛЛ) принимаем усредненный световой поток как 60 lm/W. Почему? Вся сеть говорит: 75 lm/W и 80 lm/W…                                                                                                                                       Ну, во-первых, согласно новой русской пословице: «Все, что ни делается, все делается к лучшему … в  Китае». Никакая Osram L36W/765 (и даже 950), сделанная в России, не даст заявленные производителем 2500 lm. Только при определенных условиях, тo есть с рефлектором, первые три месяца (~1000 часов работы). У нее честные 2000 lm. В этом отношении не стоит обольщаться и по поводу других известных фирм, производящих свою продукцию в Китае.                                                                                                                                             Во-вторых, все современные светильники с лампами типа Т8 и Т5 уже идут в светильнике с плафоном, снижающим освещенность. Да, и опять же, рассеивание, старение, эффект производителя… Хотя они много технологичнее обычных «трубок», из-за простоты подключения, так как электроника уже встроена в светильник.                                                                                                                                                                       В-третьих, необходимость превышения, так сказать «общего белого». Растения «предпочитают» красно-синий спектр, объем которого в «общем белом» не превышает 30%. То есть необходимо либо использовать специализированное освещение (лампы Flora), либо корректировать освещенность.

4.  Для светодиодного освещения будем использовать светодиодные ленты. Они более технологичны в монтаже, чем отдельные мощные светодиоды, и не греются. Для них примем усредненный световой поток  80 lm/W, хотя интернет говорит о 100 lm/W и даже о 120 lm/W. Причины практически аналогичные тем, что и у ЛЛ: рекламные позиции производителей, старение, несоответствие спектра нужному и т. д.

Такой показатель, как усредненный световой поток  (80 lm/W), вряд ли на сегодня может достигать 100 - 120 lm/W. Даже если «Жорес Алферов со ученики» уже разработали подобную технологию, выпуска продукции в массовом порядке пока нет.

Теперь к расчету.

 Для люминесцентных ламп:

1.        Находим необходимый световой поток в люменах (умножив освещенность в люксах на площадь поверхности в метрах).   Площадь освещаемой поверхности: 0,5x1,25=0,625 кв.м. Нам необходимо осветить растения до 3000 lk: итого, необходимо 0.625х3000=1875 lm эффективного светового потока

2.       Потери освещенности по высоте 15 см ~ 20% коэффициент 1,3

3.       Потери освещенности на отсутствие рефлектора ~ 20% коэффициент 1,2

4.       Потери освещенности от повышения температуры  коэффициент 1,2

5.       Потери освещенности на повышение «общего белого» коэффициент 1,2

6.       Всего 1875х1,3х1,2х1,2х1,2=4212 lm общего светового потока ламп. 

   Это примерно равно двум лампам типа Osram L36W, если подобрать их с улучшенными характеристиками. Количество lm для ЛЛ чаще всего указано на упаковке. Просто вычтите из них 20 – 25 %, сбросив на рекламу производителя.

   Если привести общий световой поток ламп к их общей мощности, то получим:

 4212/72= 58,5 ~ 60 lm/W, принятого усредненного светового потока.

   Если же рассмотреть приведенную мощность ламп к общей площади полки:

72W/6250 cm2=0,012 W/cm2, что близко к применяемому для ЛЛ Петровичем: http://fialochka.rx22.ru/viewtopic.php?p=104007#p104007

   Для светодиодных лент:

1.     Световой поток эффективный и площадь те же: 1875 lm и 0,625 кв.м

2.     Уменьшим высоту полки до 35 см, что актуально! Потери освещенности по высоте в данном случае уменьшатся до 10 см - коэффициент 1,2

3.     Потери освещенности на отсутствие рефлектора - нет

4.     Потери освещенности от повышения температуры  - нет

5.     Потери освещенности на повышение «общего белого» коэффициент 1,2

6.     Всего 1875х1,2х1,2=2700 lm общего светового потока. 

   При усредненном световом потоке  80 lm/W мощность светодиодной ленты на данную площадь составит: 2700 lm/80 lm/W=33.75 W  или 2700 lm/6250 cm2=0,43 lm/cm2. Последнее также близко сравнимо с приведенным коэффициентом для светового потока светодиодов к площади полки у Петровича http://fialochka.rx22.ru/viewtopic.php?f=21&t=7285&st=0&sk=t&sd=a&hilit=светодиодное+освещение&start=45

   Обратите особое внимание: для ЛЛ и светодиодов мы используем разные коэффициенты: для ЛЛ – это приведенная мощность ламп к общей площади полки

72W/6250 cm2=0,012 W/cm2,

 а для светодиодов - приведенный коэффициент светового потока светодиодов к общей площади полки       

 2700 lm/6250 cm2=0,43 lm/cm2.

   Это связано с некоторой неопределенностью потерь светового потока у ЛЛ без специального рефлектора и используется для более упрощенного подбора ЛЛ по мощности.

   Расчет количества светодиодной ленты будем вести исходя из светового потока на погонный метр, а точнее на кристалл.

   Ниже приведены характеристики двух наиболее распространенных лент:

   SMD 3528
Технические характеристики
Размер:5000 х 8 х 2,5 мм
Рабочее напряжение: 12V DC
Потребляемая мощность: 4,8 Вт/метр
Световой поток: 380 Лм/м
Рабочий ток: 0,4 А/метр
Кол-во светодиодов: 60 шт./метр                                                                                                                                     Угол излучения света: 120°
Рабочая температура: -40 до 50°C
Кратность резки:5 см (3 светодиода)                                                                                                                           Герметичность IP33 (Открытая)

SMD 5050

Технические характеристики
Размер:5000 х 10 х 2,5 мм
Рабочее напряжение: 24V DC
Потребляемая мощность: 14,4 Вт/метр
Световой поток: 1140 Лм/м
Кол-во светодиодов: 60 шт./метр
Угол излучения света: 120°
Рабочая температура: -20°C до 50°C
Кратность резки: 5 см (3 светодиода)                                                                                                                     Герметичность IP33 (Открытая)
 

        Разберемся с основными обозначениями:

SMD – метод установки кристалла (светодиода, LED) на подложку. В данном случае это метод поверхностного монтажа на плату, которой и является лента.

LED – светодиод. Может иметь различные размеры. В случае SMD 3528 – это одиночный кристалл размером 3,5 мм х 2,8 мм, В случае SMD 5050 – это светодиод размером 5 мм х 5 мм, состоящий из 3-х кристаллов.

Герметичность IP33 (Открытая) – то есть водопыленезащищенная, без прозрачной силиконовой оплетки, снижающей световой поток.

 С остальными характеристиками вроде бы и так все понятно. Необходимо только рассчитать световой поток одного LED. Для примера возьмем ленту SMD 5050. Итак, световой поток, приходящийся на один метр 1140 Лм/м делим на количество светодиодов в метре: 1140 lm/m /60= 19 lm/LED

Теперь общий световой поток делим на световой поток одного LED     2700 lm/19 lm/LED= 142 LED или 142/60=2 м 36 см ленты, которую можно двумя полосками приклеить на нашу полку.

Ленту предпочтительно клеить к верхней полке равномерно несколькими полосами для более равномерного распределения светового потока.

Расчет для SMD 3528 производится аналогично.

О наклейке, подключении ленты и блоке питания здесь http://fialkirina.ru/stellazh/

Теперь о выборе ленты.

Ленту выбираем обязательно водопыленезащищенную (открытую), то есть без прозрачной силиконовой оплетки, снижающей световой поток.

При покупке обязательно обращаем внимание на характеристику светового потока одного LED на упаковке: для SMD 3528 это должно быть 6 - 7 lm/LED, для SMD 5050 – 18 - 20 lm/LED. Если эта характеристика не указана, просто разделите световой поток одного метра на количество светодиодов в метре. Теперь, как и для ЛЛ, вычтите из них 20 – 25 %, сбросив на рекламу производителя. Как Вы видите, и в характеристиках вышеприведенных лент не все есть правда. При изготовлении первого стеллажа http://fialkirina.ru/stellazh/ мы тоже не учли подобные тонкости. Теперь нужно немного добавлять – немного не хватает освещенности.

Поверьте, мы прекрасно понимаем, о чем идет речь. В России кристаллы практически не производятся, а светодиодные ленты и лампы изготавливаются на базе импортных. Приемлемая лента типа SMD 5050 российского производства, да и китайская в российских интернет-магазинах, стартует в цене от 600 руб/м, на радиорынке – от 500 руб/м. Это примерно в 4 - 5 раз дороже, чем купить в Китае.

Если эта характеристика светового потока одного LED указана в мкд/кристалл или мкд/м, лучше вообще отказаться от покупки: скорее всего Вас пытаются ввести в заблуждение – слишком высок риск запутаться и ошибиться при пересчете cd в lm и в кристаллах с метрами.

При покупке в китайских интернет-магазинах нужно быть еще более внимательным. Перевод описания на русский язык производится с помощью Google-переводчика. Причем производится так: китайский – английский – русский. Оригиналом описания считается английский. Если Вы по недосмотру закажите что-то не то, Вам откажут в споре, сославшись на то, что Вы не ознакомились с оригиналом. Лучше списаться с продавцом и уточнить все непонятное. Если продавец не отвечает, или отвечает что-то невнятное, или что-то, о чем Вы вообще не спрашивали, также лучше отказаться от покупки . При оформлении покупки ленты обязательно указываем: cool white – холодный белый. Это гарантирует нам цветовую температуру ~ 4000 – 5000 К.  

Не имеет значения какого типа ленту использовать. Просто SMD 3528 придется наклеить много больше, чем SMD 5050. Можно использовать и мощные составные светодиоды. Но они греются, монтаж их нужно производить с использованием термопасты на теплоотвод. Так что это вопрос чистой технологичности.

Когда у Вас полки собраны, неважно на основе ЛЛ или светодиодной ленты, Вам, конечно, захочется проверить уровень освещенности. Нет никакой необходимости покупать специализированный люксометр: не самая дешевая вещь, да и не самая необходимая вещь в хозяйстве.

Измерение освещенности фиалок в люксах можно провести с помощью зеркального фотоаппарата. Технология измерений и настройки фотоаппарата изложена здесь http://www.fialki.ru/node/2503 . Там же и таблица измерений.

Можно поступить и по-другому, если у Вас есть смартфон или планшет с фронтальной камерой на Android. Скачиваем на него из интернета такую https://play.google.com/store/apps/details?id=com.afssoftware.LuxMeter&hl=ru  или такую https://play.google.com/store/apps/details?id=net.mannoun.lightmeter&hl=ru   программку люксметров. Они бесплатны. И пользуемся. Конечно, и их хорошо бы откалибровать по известному источнику света, как фотоаппарат. Но можно провести и сравнительный анализ освещенности. Так сказать: больше – меньше.

Наверняка у Вас есть полка с освещением, где цветы растут прекрасно. Замеряем на ней, потом на другой. И сравниваем показания.

Ну, вот как-то так…

Сергей, Ирина

P.S. Сомневаться и задавать вопросы – это правильно!