Освещение растений белыми светодиодами — о КПД и экономической эффективности. Через сколько лет окупит себя офисный светодиодный светильник

Традиционный подход к светодиодным светильникам часто приводит к непониманию принципиальных обстоятельств. Речь идет о КПД светильников и влиянии конструкции светильников светодиодных и обычных на КПД.

КПД светильника — это отношение выходящего из светильника светового потока ко всему световому потоку, создаваемому источником света. Например, светильник в виде лампочки без осветительной арматуры, в первую очередь без отражателя, имеет КПД — 100 %. Это вовсе не значит, что это идеал, к которому надо стремиться, для светильников — меньше КПД, это ещё не значит хуже. Любые попытки сконцентрировать свет (направить) приводит к уменьшению КПД. Но способ концентрации и качество отражателя могут быть разными, и светильники будут иметь разный КПД. Сравнивать светильники по КПД можно только те, которые имеют похожее светораспределение (КСС), в этом случае КПД будет определяться качеством оптической системы светильника (отражателя, стекла). Светильники с разными КСС сравнивать по КПД не имеет смысла!

Принципиальное отличие светодиодов от ламп в том, что они светят только в одной полуплоскости. То есть светодиодный светильник без осветительной арматуры (100 % КПД) будет направленным! Угол излучения у светодиодов без вторичной оптики 90-120 градусов. Например, если сравнивать два «светильника» в виде лампочки и светодиода (100 % КПД) с одинаковым световым потоком, то на оси лампы на одинаковом расстоянии освещенность будет примерно в 2 раза меньше, чем на оси светодиода. Если же попытаться собрать световой поток лампы при помощи отражателя (добиться того же угла излучения), то в любом случае получить такую же освещенность, которую даёт светодиод не удастся из-за потерь на отражении. В этой связи замена источника света в виде лампочки на светодиодный источник в направленных светильниках будет иметь смысл, даже если эти источники имеют одинаковую световую эффективность (лм / Вт).

Если в светильнике с лампой имеется плоское стекло, то есть весь источник света «погружен» внутрь светильника, КПД светильника значительно уменьшится из-за того, что основная часть света, выходящая из светильника, будет отраженной, то есть с потерями на отражении. Для светодиодного светильника такой конструкции уменьшение КПД практически не происходит (только потери в стекле порядка 5 %), хотя интуитивно кажется, что по аналогии с ламповыми светильниками КПД должно уменьшиться.

Ламповый светильник с плоским стеклом будет иметь КПД порядка 50-60 %.

Светодиодный светильник с плоским стеклом будет иметь КПД порядка 95 %.

Это и есть основное принципиальное отличие светодиодных светильников от ламповых. Направленные светодиодные светильники гораздо более эффективны направленных ламповых светильников. Это связано в значительной степени с конструктивными особенностями светодиодов, а не только с их высокой световой эффективностью.

Понимание этого обстоятельства должно привести к пересмотру подходов в расчетах осветительных установок с применением светодиодных светильников.

Насколько на самом деле эффективны светодиоды и как продлить их срок службы?

Каким образом измерить в домашних условиях их КПД и повысить эффективность, а также увеличить долговечность светодиодных светильников?

Чтобы ответить на все эти вопросы, достаточно провести несколько наглядных экспериментов, причем без использования каких-то сложных лабораторных приборов.
Светодиод – это один из самых эффективных и простых в использовании источников света. Однако при этом, большую часть потребляемой энергии он все равно расходует впустую, преобразуя ее не в свет, а в тепло.

Сравнивать светодиоды с обычной лампочкой конечно же не нужно, тут они убежали далеко вперед. Но как вы думаете, насколько высок у них реальный КПД?

Как измерить КПД светодиода

Давайте это проверим в живую, не по надписям на упаковках и данным таблиц в интернете, а колориметрическим методом в домашних условиях.

Если опустить светодиод в воду и замерить разницу температур до его включения и спустя некоторое время после, то можно выяснить, сколько энергии от него перейдет именно в тепло.

Зная общее количество затраченной энергии и энергии ушедшей в тепло, можно реально узнать сколько пользы от данного источника света перешло именно в свет.

Емкость в которой будут производиться измерения, должна быть изолирована от колебаний температуры снаружи и внутри. Для этого подойдет обычная колба от термоса.

При определенной доработке, у вас получится вполне годный самодельный колориметр.

Чтобы изолировать и предотвратить утечки тока, все провода и выводы на светодиоде следует покрыть толстым слоем электроизоляционного лака.

Перед экспериментом заливаете во внутрь колбы 250мл дистиллированной воды.

Опускаете светодиод в воду, так чтобы она полностью его покрывала. При этом свет должен беспрепятственно выходить наружу.

Включаете питание и начинаете отсчет времени.

Через 10 минут выключаете напряжение и опять замеряете температуру воды.

При этом не забудьте хорошенько ее перемешать.

Теперь нужно повторить эксперимент, но на этот раз, плотно заклейте матрицу каким-нибудь непрозрачным материалом. Это необходимо, дабы энергия не могла покинуть систему в виде света.

Опыт с заклеенным экземпляром повторяется опять в той же последовательности:

• 250мл дистиллированной воды

• замер начальной температуры

• 10 минут ”свечения”

• замер конечной температуры

1 of 4

После всех измерений и экспериментов, можно переходить к расчетам.

Расчет эффективности

Допустим, для данной модели среднее потребление источника света равняется 47,8Вт. Время работы – 10минут.

Если подставить эти данные в формулу, то получим, что за время в 600 секунд, на свечение светодиода было затрачено 28 320 Дж.

В случае с заклеенной моделью, вода нагрелась с 27 до 50 градусов. Теплоемкость воды 4200Дж, а масса – 0,25кг.

Еще 130 Дж на каждый градус, ушло на нагрев колбы, плюс нужно прибавить энергию на нагрев самого светодиода. Он весит 27 грамм и в основном состоит из меди. В итоге получается цифра в 27377 Дж.

Отношение выделившейся энергии и затраченной будет равняться 96,7%. То есть, не хватает более 3%. Это как раз таки и есть тепловые потери.

В случае с открытым светодиодом, вода нагрелась с 28 до 45 градусов. Все остальные переменные остались прежними. Расчет здесь будет выглядеть следующим образом:

Какой же итог можно сделать из всех этих опытов и вычислений?

Как видно из этого небольшого эксперимента, непосредственно в виде света, систему покинуло около 28% энергии. А если учесть 3% тепловых потерь, то и вовсе остается всего 25%.

Как видите, до идеальных источников света, как их представляют многие продавцы, светодиодам еще очень далеко.

Хуже того, на рынке зачастую встречаются модели, крайне низкого качества с еще меньшим КПД.

Яркость и мощность

Давайте теперь сравним яркость разных моделей и посмотрим от чего она зависит и можем ли мы как то на это влиять. Чтобы провести достоверное сравнение, воспользуйтесь обычным куском трубы и люксометром.

Допустим, испытанный ранее качественный образец, обеспечивает освещенность 1100 люкс. И это при потребляемой мощности в 50 Вт.

А если взять более дешевую модель? Данные могут получиться в два раза ниже – менее 5500 Лк.

И это при одинаковой мощности! Получается, что заплатите вы за свет столько же как и в первом случае, а получите его на 50% меньше.

А можно ли получить в 3 раза больше света, затрачивая как можно меньше энергии?

Можно, но для этого понадобится светодиод работающий в немного другом режиме. Чтобы понять как это сделать, нужно провести еще немного измерений.

В первую очередь, вас должен интересовать момент зависимости яркости от потребляемой мощности. Постепенно повышайте мощность и следите за показаниями люксометра.

В итоге вы выйдите на такую вот нелинейную зависимость.

Если бы она была линейной, вы бы получили что-то вроде этого.

Получится еще интересней, если посчитать относительную эффективность светодиода, за 100% взяв значение мощности в 50Вт.

Видите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Такое ухудшение с повышением мощности, присуще всем светодиодам. И причин этому несколько.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

Одна из них, конечно же нагрев. С повышением температуры, снижается вероятность образования фотонов в p-n переходе.

К тому же уменьшается и энергия этих фотонов. Даже при хорошем охлаждении корпуса, температура p-n перехода может быть на десятки градусов выше, так как он отделен от металла подложкой из сапфира.

А она не очень хорошо проводит тепло. Разницу температур можно посчитать, зная размеры кристалла и выделяемую на нем теплоту.

При выделяющейся теплоте в 1Вт, учитывая толщину и площадь подложки, температура перехода будет на 11,5 градусов выше.

В случае с дешевым светодиодом все намного хуже. Здесь результат – более 25 градусов.

Высокая температура перехода приводит к быстрой деградации кристалла, сокращая его срок службы. Отсюда и возникают моргания, мигания и т.п.

Интересно, производители не знают про эту разницу в температуре или намеренно создают обреченные устройства?

Нередко компоненты, казалось бы в нормальных, дорогих светильниках, работают в предельных режимах, на максимальных температурах без какого-либо запаса прочности.

Пока ток небольшой, оно не заметно. Но из-за квадратичной зависимости, с увеличением тока все большая часть энергии превращается в бесполезное тепло.

Как увеличить эффективность

То есть, подключить параллельно еще один светодиод, тем самым в два раза уменьшив потери на сопротивление. И этот метод, конечно работает.

Подключив в светильник параллельно два светодиода вместо одного, вы получите больше света с меньшими затратами энергии и соответственно меньше нагрева.

Безусловно, это продлевает и срок службы светодиода.

Можно не останавливаться и подключить 3,4 диода вместо одного, хуже не будет.

А если места для нескольких светодиодов недостаточно, то можно поставить светодиод изначально рассчитанный на большую мощность. Например 100 ваттный, в 50 ваттный светильник.

Именно таким образом можно поднять эффективность светильника в несколько раз, при тех же затратах энергии, что и на первоначальном источнике, но меньшей мощности, и работающего на пределе своих возможностей.

Более того, используя не больше трети мощности от максимальной, вы навсегда забудете, что такое замена сгоревших светодиодов.

При этом эффективность их работы и КПД заметно возрастут.

Поэтому при покупке светодиодов, всегда интересуйтесь размером кристаллов. Ведь от этого зависит их охлаждение и внутреннее сопротивление.

Здесь действует правило – чем больше, тем лучше.

Технико-экономические показатели светильников

На ТЭП светильника существенным образом влияет тип и качество исполнение оптических систем светильника. Уровень КПД зависит от коэффициента мощности ПРА и оптического эффективности устройства, а так же состояния оптики. Ряд отечественного оборудования и большинство зарубежных образцов имеют высокие показатели коэффициентов. Однако какими бы хорошими эти показатели не были, оптика (свето-прозрачная крышка, рассеивающая или собирающая линза и отражающие рефлекторы) в процессе эксплуатации загрязняется, претерпевает значительные изменения структур поверхностей, что приводит к ухудшению параметров. Это утверждение касается любых типов светильников, независимо от того, используется ПРА или нет.

В новых светильниках оптический КПД колеблется в пределах от 60 до 95%. В результате практических наблюдений и специальных лабораторных обследований выяснилось, что в период 1 года эксплуатации оптический КПД снижается до 35% от своей первоначальной величины (причем основной уровень потерь приходится на самые первые дни эксплуатации). В течение 2-х лет оптика теряет от 50 до 65% от своего первоначального уровня КПД.

Наблюдаемые приборы эксплуатировались на улице (уличное освещение) на территории Республики Татарстан, в обычных не экстремальных условиях. Понятно, что если условия эксплуатация предполагают работу осветительного оборудования в условиях повышенной запыленности или загазованности, то оптический КПД снижается более быстрыми темпами.

*Замеры оптических и электрических свойства производились силами специалистов ГК «ТАТЛЕД» на собственной базе.

(Световой поток, Ф ; Распределение общего светового потока по 2-м любым уровням силы света или углам излучения в пределах диаграммы направленности, Ф(Ω) ,

Данные об измерительном оборудовании в Приложении 1.

Как правило, задача защиты светильников (особенно их внутреннего объема) от неблагоприятных факторов воздействия внешней среды решается производителями осветительного оборудования путем уплотнения между корпусами закрытых световых приборов и защитными стеклами, а также уплотнения узлов ввода проводов.

Однако, при более детальном изучении проблемы выяснилось что этого недостаточно для обеспечения должной изоляции внутреннего объема светильника. Согласно законам термодинамики, в закрытых световых приборах наблюдается эффект «дыхания», связанный с изменением давления воздуха, заключенного во внутреннем изолированном объеме светового прибора. При включении источника света прибора и нагревании заключенного внутри прибора воздуха, возрастает давление, а при выключении давление падает. В результате даже незаметного дефекта уплотнения, происходит всасывание загрязненного воздуха во внутреннюю полость светильника. Это явление представляет возможность оседания пыли, волокон и коррозионных частиц на колбе лампы, отражателе, внутренней поверхности, защитном стекле, рассеивателе и контактных узлах патронов. В результате осветительная способность приборов падает и они сами выходят из строя в течение короткого периода эксплуатации (например, в некоторых зонах металлургического производства осветительные приборы заменяются ежегодно, существенно увеличивая затраты на эксплуатацию системы освещения).

Светодиодные светильники лишены вышеуказанного недостатка. Дело в том, что используемые в таких светильниках светодиоды не требуют отражающих рефлекторов.

В световых приборах, использующих обычные источники света, встраивается отражающий рефлектор, форму которого не всегда удается выстроить в соответствии с требованиями светового распределения. В отличии от обычных светильников светодиодные приборы используют источники света, излучающие световую энергию не во всех направлениях, а в одном. Направленность и интенсивность светового потока регулируется расположением осей светового излучателя в заданном направлении и их количеством. Угол раскрытия испускаемого излучения регулируется с помощью вторичной оптики (микролинзы).

Таким образом, светодиодный светильник лишен недостатков, вызываемых потерями в оптических системах, используемых всенаправленные источники света. То-есть показатель отношение Люмен/Ватт у светильников на СИД более привлекательное.

В люменах измеряется поток во всех направлениях, т.е. в телесном угле 4пи. Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд × ср)

Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом R, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной R (то есть R²). Если такой телесный угол имеет вид кругового конуса, то угол его раскрытия составит приблизительно 65,541° или 65°32′28″).

Если предположить, что расчетный конус направлен непосредственно на освещаемый объект, то остальная часть световой энергии попадает на освещаемую поверхность посредством рефлектора или оптических линз.
Кандела (от лат. candela — свеча), единица силы света Международной системы единиц. Обозначение: русское кд, международное cd. Кандела (единица силы света) — сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении 101325 н/м2.

Исходя из вышеизложенного для сравнения ТЭП светильников с обычным источником света и светодиодным светильником, необходимо вводить поправку на различие КПД оптических систем.

Рассмотрим в качестве конкретного примера получивший широкое распространение осветительный прибор РКУ15-250 с использованием лампы ДРЛ и светильник на СИД.

Для определения реальных светотехнических показателей производим следующие вычисления:

По данным завода-производителя КПД светильника РКУ15 равен 65%. Источник света (лампа ДРЛ-250 (В)) имеет уровень светового потока 13 200 Люмен. Получаем уровень реально излучаемого прибором светового потока: 65% от 13 200 lm = 8 580 Люмен.

Так же необходимо учесть ускоренную потерю уровня светового потока ДРЛ в первые 1000 часов наработки. Из приведенного ниже графика (по данным ВНИСИ) видно, что в течение первых 1000 часов эксплуатации уровень излучаемого светового потока снижается на 15-20% от начальной величины. Отсюда получаем Фv = 6 864 Люмен. В течение дальнейшего срока эксплуатации деградация происходит менее интенсивно.

Кривая уровня светового потока СИД, используемых в светодиодных светильниках, также имеет неравномерную характеристику. Однако, как видно из приведенного ниже графика (предоставлено OSRAM Opto Semiconductors), после кратковременного спада уровень постепенно повышается (диоды Golden Dragon plus).

(«Светотехника», Лихославль) с лампой ДРЛ-250 (В) («Лисма», Саранск)	SVETECO 48/6624/80/Ш («Ledel», Казань) Светодиоды OSRAM («Osram», Германия)
Параметры лампы, (без учета оптических потерь в светильнике) номинальное напр. В - 130 номинальная мощность, Вт - 250 световой поток, Люм - 13 200 продолжительность гор. ч - 12 000	Параметры СИД (48 шт) (оптических потерь в светильнике нет) номинальное напр. В - 220 ± 22 номинальная мощность, Вт - 80 световой поток, Люм - 6 624 продолжительность гор. ч - 100 000
Общая стоимость 4 500 руб.	Общая стоимость 15 000 руб.
Длительность эксплуатации в год, ч - 2 920 (при 8 часов в сутки)
730	Количество потребленной энергии в год, кВт/час - 233
потребление в год - 2 190 руб.	потребление в год - 699 руб. при стоимости 3 руб. - кВт/час
Расходы на обслуживание светильника, ПРА, замену и утилизацию ламп, руб. в год - 600 руб.	Расходы на обслуживание, руб. в год - 0 руб.
Итого расходов на приобретение и эксплуатацию в течение 1 года - 7 290 руб.	Итого расходов на приобретение и эксплуатацию в течение 1 года - 15 699 руб.
Дальнейшая эксплуатация, руб. в год - 2 790 руб.	Дальнейшая эксплуатация, руб. в год - 699 руб.
Всего затрат за 5 лет - 18 450 руб. в том числе за электроэнергию - 10 950 руб. при стоимости 3 руб. - кВт/час	Всего затрат за 5 лет - 18 495 руб. в том числе за электроэнергию - 3 495 руб. при стоимости 3 руб. - кВт/час
минимальная	Возможность дальнейшей эксплуатации: выработано 40% ресурса

График стоимостей владения приборов в течение 5 лет

Данные приведены с учетом неизменной стоимости электроэнергии. Учитывая прогнозируемый Минэкономразвития рост тарифов точка пересечения кривых уровня затрат наступит ранее срока, полученного расчетами (предположительно 4 года).

Пример использования светильников ДРЛ и светодиодных светильников для освещения автодороги. Благодаря более рационально распределенной световой энергии полотно дороги, освещенное светодиодными светильниками (рисунок слева) залито более равномерно.

Вывод: оптические свойства светильников, использующих СИД, заметно превосходят по светотехническим параметрам светильники с обычными источниками света.

ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА (ПРА).

Пускорегулирующая аппаратура (ПРА) — это специальное изделие, с помощью которого осуществляется запуск и поддержание работы источника света.

Конструктивно ПРА может быть выполнено в виде единого блока или нескольких отдельных.

По типу источника света ПРА делятся:

• ПРА для газоразрядных ламп
• ПРА для галогенных ламп (трансформаторы)
• ПРА для светодиодов (LED драйверы)

По типу устройства и функционирования ПРА бывают:

• электромагнитные (ЭмПРА)
• электронные (ЭПРА)

На эффективность осветительного приборы, помимо параметров оптики существенно оказывает параметр коэффициента мощности ПРА.

Для ПРА разрядных ламп этот параметр (по данным заводов-изготовителей) составляет от 0,6 до 0,9. Наиболее эффективными сегодня являются электронные ПРА, так как с помощью электроники возможность осуществлять зажигание и контролировать свечение можно осуществлять гораздо эффективнее, по сравнению с индуктивными дросселями. ПРА для разрядных ламп выпускается давно и, не смотря на продолжающееся совершенствование, хорошо известен потребителям, поэтому не рассматривается подробно в данной работе.

В светодиодных светильниках ПРА (LED-драйвер) выполняет функцию стабилизатора постоянного тока, стабилизаторов напряжения и диммирование (специализированные).

Драйверы можно подразделить на две основные группы:

1. Блоки питания светодиодов с постоянным стабилизированным выходным током (LED драйверы) - предназначены для питания светодиодов (или светодиодных светильников) соединенных последовательно.

2. Блоки питания со стабилизированным постоянным напряжением (светодиодные трансформаторы) - предназначены для питания групп светодиодов, которые уже снабжены ограничивающим ток резистором, обычно это светодиодные ленты, линейки или панели.

Помимо этого, поскольку промышленностью выпускаются светодиоды, рассчитанные на разные значения номинального тока, драйверы светодиодов подразделяются ещё и по этому параметру.

Наиболее распространенные значения тока - это 350 и 700 миллиампер.

Коэффициента мощности LED-драйверов у большинства производителей составляет значение 0,95. Отдельный светодиод требует постоянного напряжения 2-4В и несколько десятков mA тока. Последовательный массив светодиодов требует более высокого напряжения. LED-драйвер является источником этого напряжения. Он трансформирует питание бытовой электросети 110-240В переменного напряжения в низковольтное постоянное для питания LED систем.

К качеству ПРА для СИД предъявляются повышенные требования, так как СИД, являясь полупроводниковым устройством, чрезвычайно требователен к качеству электропитания. Отклонения от заданных параметров в пределах 2-5% резко сказывается на светотехнических и электрических свойствах СИД, и может привести к значительному сокращению срока жизни кристалла или люминофора.

Исходя из вышесказанного понятно, что качество ПРА для СИД изначально высокое, и соответственно является изделием, имеющим высокий КПД.

Подавляющим большинством производителей заявленными величинами являются значения от 0,90 до 0,95. Простые замеры подтверждают данные значения.

Для диммирования (изменение яркости свечения светодиодов) как правило, используются принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

По КПД и по степени надежности ПРА для разрядных ламп и ПРА для светодиодных светильников отличается только качеством схемотехники и используемой элементной базы, что в конечном итоге подразумевает разницу в стоимости изделия. Качественные и дорогие ПРА различных типов светильников приближаются к единому показателю (близко к 1).

В Приложении 2 и Приложении 3 отзывы организаций, внедрившие в качестве опытных образцов светодиодные светильники.

Вывод: влияние КПД ПРА на общий коэффициент полезного действия осветительного прибора для разрядных ламп и для светодиодных светильников не имеет заметной разницы, и обусловлены только ценой изделия.

←

Путем соответствующего выбо­ра полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодно­го кристалла, прежде всего на спект­ральную область излучения и эффек­тивность преобразования подводимой энергии в свет:

• GaALAs - арсенид галлия алюминия; на его базе - красные и инфракрас­ные светодиоды.
• GaAsP - фосфид арсенида галлия; AlInGaP - фосфид алюминий-ин­дий-галлий; красные, оранжевые и желтые светодиоды.
• GaP - фосфид галлия; зеленые све­тодиоды.
• SiC - карбид кремния; первый, ком­мерчески доступный голубой светодиод с низкой световой эффектив­ностью.
• InGaN - нитрид индия-галлия; GaN - нитрид галлия; УФ голубые и зеле­ные светодиоды.

Для получения белого излучения с той или иной цветовой температурой имеются три принципиальные возмож­ности:

1. Преобразование излучения голубо­го светодиода желтым люминофо­ром (рисунок 1а).

2. Преобразование излучения УФ-све-тодиода тремя люминофорами (ана­логично люминесцентным лампам с так называемым трехполосным спектром) (рисунок 1б).

3.Аддитивное смешение излучений красного, зеленого и голубого светодиодов (RGB-принцип, аналогичный технологии цветного TV). Цветовой оттенок излучения белых светодиодов может быть охарактеризо­ван значением коррелированной цвето­вой температуры.

Большинство типов современных белых светодиодов выпускается на базе голубых в комбинации с конвер­сионными люминофорами, которые позволяют получить белое излучение с широким диапазоном цветовой температуры - от 3000 К (тепло-белый свет) до 6000 К (холодный дневной свет).

Работа светодиодов в схемах питания

Кристалл светодиода начинает излучать, когда в нем протекает ток в прямом направлении. Светодиоды имеют экспоненциально возрастающую вольтамперную характеристику. Обычно они питаются постоянным стабилизированным током или постоянным напряжением с предвключенным ограничивающим сопротивлением. Это предотвращает нежелательные измене­ния номинального тока, которые влияют на стабильность светового потока, а в худшем случае могут даже привести к повреждению светодиода.
При небольших мощностях используются аналоговые линейные регуляторы, для питания мощных диодов - сетевые блоки со стабилизированным током или напряжением на выходе. Обычно светодиоды включаются последовательно, параллельно или в последовательно-параллельные цепочки (см. рисунок 2).

Плавное снижение яркости (диммирование) светодиодов осуществляется регуляторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или уменьшени­ем прямого тока. Посредством сто­хастической ШИМ можно добиться минимизации спектра помех (проблема электромагнитной совместимости). Но в данном случае при ШИМ может наблюдаться мешающая пульсация излучения светодиода.
Величина прямого тока варьируется в зависимости от модели: например, 2 мА - у миниатюризированных светодиодов плоскостного монтажа (SMD-LED), 20 мА - у светодиодов диаметром 5 мм с двумя внешними токовводами, 1 А.- у мощных светодиодов для целей освещения. Прямое напряжение UF обычно лежит в пределах от 1,3 В (ИК-диоды) до 4 В (светодио-ды на базе нитрида индия-галлия - белые, голубые, зеленые, УФ).
Между тем уже созданы схемы питания, позволяющие подсоединять светодиоды непосредственно к сети переменного тока 230 В. Для этого две ветви светодиодов включаются антипарал-лельно и подсоединяются к стандартной сети через омическое сопротивление. В 2008 году профессор П. Маркс получил патент на схему регулирования яркости светодиодов, питаемых стабилизированным переменным током (см. рисунок 3).
Южнокорейская фирма Seoul Semiconductors интегрировала схему (рисунок 3) с двумя антипараллельными цепочками, (в каждой из которых большое количество светодиодов) непосредственно в одном чипе (Acriche-LED). Прямой ток светодиодов (20 мА) ограничивается омическим сопротивлением, подключенным последовательно к антипараллельной схеме. Прямое напряжение на каждом из светодиодов составляет 3,5 В.

Энергетический КПД

Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) - отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения - т|е).
В тепловых излучателях, к которым относятся классические лампы накаливания, для генерации видимого излучения (света) необходим нагрев спирали до определенной температуры. Причем основная доля подводимой энергии преобразуется в тепловую (инфракрасное излучение), а в видимое излучение трансформируется только?е = 3% у обычных, и че - 7% - у галогенных ламп накаливания.

Светодиоды для применения в прикладной светотехнике преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в очень узкой спектральной области, причем в кристалле возникают тепловые потери. Это тепло должно отводиться от светодиода специальными конструктивными методами с тем, чтобы обеспечить необходимые световые, цветовые параметры и максимальный срок службы.
У светодиодов для целей освещения и сигнализации ИК- и УФ-составляющие в спектре излучения практически отсутствуют, и такие светодиоды имеют значительно более высокую энергетическую эффективность, чем тепловые излучатели. При благоприятном тепловом режиме у светодиодов в свет преобразуется 25% подводимой энергии. Поэтому, например, у белого светодиода мощностью 1 Вт примерно 0,75 Вт приходится на тепловые потери, что требует в конструкции светильника наличия теплоотводящих элементов или даже принудительного охлаждения. Такое управление тепловым режимом светодиодов приобретает особую значимость. Желательно, чтобы производители светодиодов и светодиодных модулей приводили в перечне характеристик своих изделий значения энергетического КПД

Управление телпловым режимом
Напомним, что почти 3/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в тепло и только 1/4 - в свет. Поэтому при конструировании светодиодных светильников решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности играет оптимизация теплового режима светодиодов, проще говоря, интенсивное охлаждение.

Как известно, передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трех физических процессов:

1. Излучение

Ф = W? =5,669?10-8?(Вт/м2?К4)??А?(Тs4 – Та5)
где: W? – поток теплового излучения, Вт
? – коэффициент излучения
Тs – температура поверхности нагретого тела, К
Та – температура поверхностей, ограничивающих помещение, К
А – площадь излучающей тепло поверхности, м?

2. Конвекция

Ф = ?? А?(Тs-Та)
где: Ф – тепловой поток, Вт
А – площадь поверхности нагретого тела, м?
? – коэффициент теплопередачи,
Тs – температура граничной теплоотводящей среды, К
Та – температура поверхности нагретого тела, К
[для неполированных поверхностей? = 6…8 Вт /(м?К)].

3. Теплопроводность

Ф = ?T?(А/l) (Тs-Та) =(?T/Rth)
где: Rth= (l / ?T?A) – тепловое сопротивление, K/Вт,
Ф – тепловая мощность, Вт
A – поперечноесечение
l-длина - ?T – коэффициент теплопроводности, Вт/(м?К)
для керамических элементов охлаждения?T=180 Вт/(м?К),
для алюминия – 237 Вт/(м?К),
для меди – 380 Вт/(м?К),
для алмаза – 2300 Вт/(м?К),
для углеродных волокон – 6000 Вт/(м?К)]

4. Тепловое сопротивление

Суммарное тепловое сопротивление рассчитывается как:

Rth парал.общ.=1/[(1/ Rth,1)+ (1/ Rth, 2)+ (1/ Rth,3)+ (1/ Rth,n)]

Rth последобщ. = Rth,1 + Rth, 2 + Rth,3 +....+ Rth,n

Резюме
При дизайне светодиодных светильников необходимо принять все возможные меры для облегчения теплового режима светодиодов за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Поэтому первоочередная задача при конструировании светодиодных светильников – обеспечить отвод тепла за счет теплопроводности специальных охлаждающих элементов или конструкции корпуса. Тогда уже эти элементы будут отводить тепло излучением и конвекцией.
Материалы теплоотводящих элементов по возможности должны иметь минимальное тепловое сопротивление.
Хорошие результаты были получены с теплоотводящими узлами типа “Heatpipes”, обладающими экстремально высокими теплопроводящими свойствами.
Один из лучших вариантов теплоотвода – керамические подложки с предварительно нанесенными токоведущими трассами, непосредственно к которым подпаиваются светодиоды. Охлаждающие конструкции на базе керамики отводят примерно в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными вариантами металлических охлаждающих элементов.
Взаимосвязь электрических и тепловых параметров светодиода проиллюстрирована на рис. 4.
На рис. 5 показана типовая конструкция мощного светодиода с алюминиевым охлаждающим элементом и цепь тепловых сопротивлений, а на рис. 6-8 – различные методы охлаждения.

Излучение

Поверхность осветительного прибора, на которой монтируется светодиод или модуль с несколькими светодиодами не должна быть металлической, поскольку металлы обладают очень низким коэффициентом излучения. Поверхности светильников, контактирующие со светодиодами, должны, по возможности, иметь высокий спектральный коэффициент излучения?.

Конвекция

Желательно иметь достаточно большую площадь поверхности корпуса светильника для беспрепятственного контакт с потоками окружающего воздуха (специальные охлаждающие ребра, шероховатая структура и т.д.). Дополнительный отвод тепла могут обеспечить принудительные меры: минивентиляторы или вибрирующие мембраны.

Теплопроводность

Из-за очень небольшой площади поверхности и объема светодиодов необходимое охлаждение за счет излучения и конвенции не достигается.

Пример расчета теплового сопротивления для белого светодиода

UF= 3,8 В
IF = 350 мА
PLED = 3,8 В? 0,35 A = 1,33 Вт
Поскольку оптический КПД светодиода равен 25%, то только 0,33 Вт преобразуется в свет, а остальные 75% (Pv=1 Вт) – в тепло. (Зачастую в литературе при расчете теплового сопротивления RthJA допускают ошибку, принимая, что Pv = UF ? IF = 1,33 Вт – это неверно!)

Максимально допустимая температура активного слоя (p-n – перехода – Junction) TJ = 125°C (398 K).

Максимальная окружающая температура ТA = 50°С (323 К).

Максимальное тепловое сопротивление между запирающим слоем и окружением:

RthJA= (TJ – TA)/ Pv = (398 K – 323K)/1 Вт = 75 К/Вт

Согласно данным производителя, тепловое сопротивление светодиода

RthJS = 15 К/Вт

Необходимое тепловое сопротивление дополнительных теплоотводящих элементов (охлаждающие ребра, теплопроводящие пасты, клеющие компаунды, плата):

RthSA= RthJA – RthJS = 75-15 = 60 К/Вт

На рис. 9 пояснены тепловые сопротивления для диода на плате.
Взаимосвязь температуры активного слоя и теплового сопротивления между запирающим (активным) слоем и точкой припоя выводов кристалла определяет формула:

TJ= UF ? IF ? ?e? RthJS + ТS

где ТS – температура, измеренная в точке припоя выводов кристалла (в данном случае она равна 105°С)

Тогда, для рассматриваемого примера с белым светодиодом мощностью 1,33 Вт температура активного слоя определится как
TJ = 1,33 Вт? 0,75 ? 15 К/Вт + 105°С = 120°С.

Деградация излучательных характеристик из-за температурной нагрузки на активный (запирающий) слой.
Зная реальную температуру в точке припоя и располагая данными, предоставленными изготовителем, можно определить тепловую нагрузку на активный слой (TJ) и ее влияние на деградацию излучения. Под деградацией понимается снижение светового потока в течение времени эксплуатации светодиодного чипа.

Влияние температуры запирающего слоя
Принципиальное требование: максимально допустимая температура запирающего слоя превышаться не должна, так как это может привести к необратимым дефектам светодиодов или к спонтанным выходам их из строя.
В связи со спецификой физических процессов, протекающих во время функционирования светодиодов, изменение температуры запирающего слоя TJ в диапазоне допустимых значений оказывает влияние на многие параметры светодиодов, в том числе на прямое напряжение, световой поток, координаты цветности и срок службы.

Хочется задать один вопрос. А вы часто меняете лапочки в своей квартире? Это не занимает много времени, да и сами лампочки стоят не дорого. Но вам не кажется, что времена немного изменились? Развитие технологий в сфере электрики, а точнее приборов и источников освещения, в настоящее время позволяет подходить к решению данных вопросов с другой стороны.

Сравнение различных светодиодных ламп

На рынке представлено огромное количество лампочек, которые различаются по дизайнерскому исполнению, материалов из которых они изготовлены и по цветовой палитре. Но основные элементы, из которых состоят лампы, для всех видов неизменны.

Светодиодные лампы состоят из:

• Корпуса;
• Рассеивающей колбы;
• Светодиодов;
• Драйвер.

Важную роль в нормальной работе светодиодной лампочки играет ее корпус, в состав которого входит радиатор, цоколь и рассеивающий элемент. Радиатор данных ламп изготавливается из алюминия или его сплавов и имеет сложную форму, за счет которой обеспечивается качественный теплоотвод, что в свою очередь определяет долговечность работы самих светодиодов.

В случае, если радиатор небольшого размера, или изготовлен из некачественных материалов, то срок службы данной лампы сокращается в несколько раз, из – за долговременного перегрева светодиодов. Основную массу светодиодной лампы составляет вес радиатора.

Некачественное соединение пластины со светодиодами к радиатору, не способно качественно отводить тепло.

Для бесперебойной и долговечной работы светодиодов, необходимо ограничивать ток. Данную функцию выполняет драйвер. На рынке представлены два вида ограничителей: при помощи конденсатора, и драйвера.

Существует огромное количество светодиодов различных производителей. Основным параметром светодиодов является количество Люмен/Ватт (яркость или светоотдача). Чем дороже светодиод, тем он качественней. Такие светодиоды ярче светятся, меньше греются, это определяет сколько прослужит лампа.

При сравнении разных по цене светодиодных ламп, было отмечено, что более дорогие модели меньше греются, нет видимого мерцания, и данные лапы обладают более высокой светоотдачей.

Мощность светодиодной лампочки

Исследованиями доказано, что наиболее экономичны и совершенны технологически, являются лампы на основе светодиодов. Но на современном рынке представлены и другие виды ламп, которые нашли широкое применение для частного и промышленного использования.

Виды источников света (лампы):

• Накаливания;
• Люминесцентные;
• Галогенные.

Все эти источники света отличаются друг от друга по многим параметрам, но для каждого из них производителями заявлена определенная мощность и сила светового потока.

Мощность всех потребителей электроэнергии измеряется в Ваттах, что означает, мощность любой лампы, как и мощность различных электроприборов можно измерить при помощи Ваттметра.

Мощность светодиодных ламп, является их важнейшей характеристикой, так как данный параметр непосредственно виляет на количество и силу света лампы. Но стоит понимать, что мощность лампы, не является прямым фактором, указывающим на световую отдачу. Это говорит о том, что с развитием светодиодных технологий, производители стараются увеличить светоотдачу с одного потребляемого Ватта электроэнергии.

Например, светодиодная лампа одного и того же вида, но разного поколения при одинаковой светоотдаче, способна снизить энергопотребление на 10%. А это, в свою очередь выгодно с экономической точки зрения для тех, кто приобретает данный вид продукта.

Важно знать! Указанные на упаковке мощность и светоотдача, могут не соответствовать параметрам лампочки, из – за недобросовестности производителей.

Так же, стоит отметить, что одинаковая мощность ламп разных производителей никаким образом не влияет на светоотдачу. На этот параметр непосредственно указывают цифры силы светового потока, которые по тем или иным причинам у каждого производителя разные. Например, светодиодная лампа одного производителя на 10 Ватт, будет выдавать световой поток 700 – 800 Люмен, а лампа другого производителя 600 – 650 Люмен.

Потребляемая мощность светодиодных ламп варьируется от 2 до 30 Ватт.

КПД светодиодной и лампы накаливания: соответствие

Светодиодные лампы, являются отличной альтернативой обычным лампам накаливания, а так же обладают качествами, которые способствуют наиболее комфортному их использованию.

Преимущества светодиодных ламп:

• Низкое энергопотребление;
• Эффективная светоотдача;
• Высокий световой поток;
• Низкая температура работы.

Замену обычных ламп накаливания на источники света на основе светодиодов, следует производить грамотно. Так как, для того, чтобы получить нужный световой поток, необходимо сравнить значения яркости различных видов ламп и осуществить перевод значения яркости и мощности.

Таблица значений светодиодных и ламп накаливания:

Светодиодная лампа, модность, Ватт	Лампа накаливания, мощность, Ватт	Поток световой, Люмен

Используя данную таблицу, вы легко сделаете перевод и справитесь с подбором светодиодных ламп на замену устаревшим моделям ламп накаливания по мощности и количеству светового потока.

Согласно характеристикам видно, что светодиодная лампа 10 Ватт, световым потоком ровняется лампе накаливания на 60 Ватт.

Важно знать! Срок службы светодиодных ламп, в десятки раз превосходит время эксплуатации ламп накаливания.

Для того, чтобы, не возникало вопросов при выборе нужных светодиодных источников света, нужно знать, что используемый цоколь маркируется Е27. Светодиодные лампы с использованием данного цоколя представляют собой форму свечи, груши и других различных форм.

Применяя эти знания, вам не придется вместе с лампами покупать подходящие осветительные приборы что, несомненно, упростит работы по замене ламп на более экономичные.

Отличие светодиодных ламп от энергосберегающих

Светодиодные и энергосберегающие лампы, существенно отличаются друг от друга не только формой и содержанием, но и принципом работы (признакам, по которым происходит свечение).

Данные виды ламп сравнивают по:

• Яркости;
• Теплоотдаче при работе;
• Долговечности.

Светодиодная лампа, по своей сути является твердотельным источником света, работа которого основана на излучении света при прохождении электрического тока, через полупроводники, которые в свою очередь для этого предназначены.

Работа энергосберегающих ламп основана на принципе работы люминесцентных, что позволяет при низких энергозатратах производить нужный световой поток. И если сравнить лампы подходящие под это определение, то с уверенностью можно сказать, что энергосберегающими являются только флуоресцентные.

Для того, чтобы определить, какая лампа лучше светит и сколько при этом затрачивает электроэнергии, возьмем для сравнения светодиодную и энергосберегающую лампы. Световой поток светодиодной лампы на 12 Ватт, составляет 900 Люмен, а энергосберегающая лампа той же мощности выдает 600 Люмен. Это говорит о том, что с экономической точки зрения выгодны оба вида ламп.

Низкая температура работы светодиодных ламп позволяет встраивать их в соответствии с любыми дизайнерскими решениями.

Если сравнивать эти виды ламп по количеству исходящего тепла, то в этом случае результаты сильно расходятся. Светодиодная лампа на 12 Ватт при работе нагревается не более чем до 31 0 С, а вот нагрев энергосберегающей соответствует 80 0 С.

А говоря о времени эксплуатации, то для энергосберегающих она составляет 8000 часов, а для светодиодных до 50000 часов.

Современные светодиодные лампы: мощность в таблице (видео)

Светодиодные технологии, постепенно вытесняют устаревшие. Связано это с тем, что несмотря на более высокую стоимость при покупке, данный вид освещения позволяет экономить в последующем.