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Qué es la iluminación por diodos: características de los LED y sus áreas de aplicación. Características técnicas del uso de LED.

La foto muestra una lámpara LED de 20 vatios. Reemplazó dos bombillas incandescentes de 75 vatios y es un poco más brillante que ellas.

Pero antes de hablar de lámparas LED, disipemos algunos mitos que ya se han ganado un lugar con bastante firmeza en la mente de los usuarios. Al mismo tiempo, consideraremos las preguntas de qué son las lámparas LED, cómo elegirlas (recomendamos considerar el catálogo de lámparas de araña LED de Mantra), por qué son mejores, por qué son peores y por qué tienen un soporte publicitario tan poderoso en la actualidad.

¿Qué temperatura tiene la luz en tu casa: cálida o fría?

De hecho, la pregunta no es ociosa, ya que es el espectro el que hace que la luz sea propia, agradable a la vista (cálida) o, por el contrario, brillante (cortante), es decir, fría. Diferentes utilizan diferentes principios para convertir la electricidad en luz, por lo que su espectro es diferente. Aquí surgió el primer mito: la luz de las lámparas LED es la más natural. De hecho, esto no es del todo cierto; las lámparas LED para el hogar pueden tener cualquier brillo espectral y, en este caso, la ventaja de estas lámparas se convierte en una desventaja. No todos los consumidores examinarán las especificaciones técnicas para descubrir qué es qué.

El segundo mito nació del etiquetado, y es que la potencia de las lámparas LED es menor que todas las demás.

El tercer mito es el más complejo; trabajaron en él durante mucho tiempo, inculcándonos la idea de que la iluminación LED en un apartamento es la que más ahorra energía.

Hay otro rumor de que es mejor no utilizar lámparas LED para el hogar, ya que no pueden soportar un ajuste suave o sobretensiones, y además fallan rápidamente si se encienden con frecuencia.

Empecemos por el principio, porque entender qué es un LED nos ayudará a tomar una decisión, no basándonos en rumores, mitos y maquinaciones de los vendedores de lámparas incandescentes.

¿Dónde y qué tipo de luz de las lámparas LED vemos?

La respuesta inmediata es la que usted eligió, tanto desde el punto de vista de la temperatura de la luz (características espectrales) como desde el punto de vista del consumo de energía por área iluminada específica. O, en pocas palabras, una lámpara incandescente de cien vatios siempre brillará a cien vatios lo mejor que pueda, mientras que un LED no sólo brillará donde sea necesario, sino también con la luz que le resulte agradable. Y brillará el elemento (punto) o la superficie, dependiendo de qué lámpara LED se haya elegido para esta zona de la habitación.

El tema más controvertido es el del ahorro de energía. Este mito nació como un argumento en una disputa entre fabricantes de la competencia y, para ser honesto, las lámparas de bajo consumo en realidad consumen un poco menos de energía para iluminar que las lámparas LED. Pregunta ¿cómo elegir aquí? Si crees en los fabricantes, entonces de ninguna manera. Esto es paridad. El equilibrio de un mundo frágil en guerra. Es cierto que aquí los LED son más bien la parte perjudicada, ya que aparecieron en el mercado después de que grandes corporaciones invirtieran mucho dinero en ahorro de energía, decidiendo que los LED eran un juguete demasiado caro.

Y luego sucedió un evento que está directamente relacionado con el subtítulo. Resultó que las características espectrales de los LED son ligeramente mejores que incluso las de la luz del día. Resultó que la luz de las lámparas LED no parpadea, como ocurre incluso con las lámparas incandescentes. En una lámpara incandescente esta es la frecuencia de la red (generalmente 50 Hercios), y en una lámpara fluorescente (ahorro de energía) es un múltiplo de la triple fase, es decir, aproximadamente 3 Hercios. ¿Probablemente todo el mundo ha visto lámparas fluorescentes "parpadeantes"? Esto es lo mismo. La lámpara brilla sólo cuando hay corriente; mientras no hay corriente, no brilla. Simplemente se nota más en las lámparas fluorescentes.

La lámpara LED no tiene este inconveniente; no es sensible a la corriente, la caída de voltaje o la frecuencia. Hay tensión - brilla, no - no brilla.

Si trabajas mucho en el escritorio, con documentos o pequeños trabajos, compra una lámpara de escritorio LED y olvídate del cansancio ocular. Los problemas de visión durante este tipo de trabajo son el mismo parpadeo que no notamos.

¿Cuál es la diferencia entre la física de la luz de las lámparas LED y todas las demás?

Básicamente conversión de energía. Esto es lo que soluciona varios problemas de iluminación:

Consumo eléctrico mínimo para iluminación.
El espectro más correcto de iluminación interior (zonas de la habitación).
Iluminación puntual de una zona seleccionada (por ejemplo, un cuadro).
Durabilidad y reducción del calentamiento del elemento luminoso.
Capacidad de controlar las características espectrales de la iluminación.
Costo mínimo de dispositivos de iluminación.

Todos estos problemas se resolvieron con lámparas LED. Sólo queda decidir cómo elegir los correctos y ya está en el bolso. Es cierto que las lámparas LED no resuelven de ninguna manera el último punto, siendo incluso ahora las más caras. Se trata de esa misma transformación. El LED directamente, sin intermediarios, convierte la energía eléctrica en luz. Esta es una tecnología bastante nueva, por lo que el punto 6 sigue siendo una limitación de elección para muchos.

Números simples en la útil conversión de electricidad en luz.

Lampara incandescente. Eficiencia 12% pérdida 75% (calentamiento de serpentín);
Lámparas incandescentes modernizadas. Eficiencia 15% pérdida 68% (resistencia del filamento);
Lámparas de incandescencia inducida (fluorescentes, de mercurio, etc.). Eficiencia 22% pérdidas 45% (reactivas, corrientes de arranque);
Bombillas led. Eficiencia 58% pérdidas 18% (conmutación);
Lámparas de circuito cerrado. Eficiencia 84% pérdida 6% (ciclo cerrado hasta el final de la carga de la batería).

Si sumas estos números, no obtendrás el 100%. Este es un factor experimental. Pero el valor de eficiencia es exactamente cuánta electricidad se convierte en luz. Las lámparas de ciclo cerrado son farolas con paneles solares y baterías. No requieren costes energéticos y, si lo deseas, incluso puedes leer un periódico a su luz. Todo lo demás se puede ver en los números anteriores.

Un poco más de física. Piezoeléctricos (¿recuerdan los “encendedores eternos para estufas de gas”?) Al producir una “chispa” al presionarlos, no desperdician “materia”. De hecho, pueden producir "eternamente" una chispa de descarga al presionar una tecla. Y no se necesitan pilas. Un LED funciona de forma muy similar. Se aplica voltaje a los contactos y el material emite un fotón de luz. La lámpara empieza a brillar. No sabemos cuánto tiempo pueden brillar estas lámparas, ya que comenzaron a funcionar no hace mucho, y nadie sabe todavía cuál es la saturación de energía de los materiales excitados con "luz". Una cosa es obvia: la iluminación LED de un apartamento durará muchos años. En pocas palabras, dentro de un solo apartamento es una especie de "Iluminador de luz eterna". Al menos en teoría. Bajemos ahora a la tierra y veamos qué sucede en la práctica.

Recomendaciones prácticas para elegir la iluminación con comentarios y consejos.

Antes de abordar la cuestión de cómo elegir lámparas LED, hablaremos un poco de las características técnicas. Empecemos por lo principal: por lo que brilla.

El brillo de una lámpara LED es una conversión continua (sin parpadeos) de energía eléctrica en luz. Es decir, 1 kWh de energía se convertirá en luz con una eficiencia de al menos el 60%. Ésta, por cierto, es la respuesta a la pregunta: quiero lámparas LED, ¿cómo calcular la potencia en comparación con las lámparas incandescentes? Es sencillo. La eficiencia del LED no es inferior al 60%, la eficiencia de las lámparas incandescentes no supera el 12%. De ahí la relación: una lámpara LED de 30 vatios brilla tanto como una lámpara incandescente de 150 vatios. Y no hay problema, porque en esta comparación, una lámpara LED consumirá casi la mitad de electricidad. Más precisamente, pagará la mitad por la misma iluminación.

Al elegir una lámpara LED, preste atención a los siguientes factores:

Primero seleccionamos las lámparas LED por potencia, teniendo en cuenta el factor de reducción: una lámpara incandescente de 100 vatios es una lámpara LED de 12 vatios. Te aseguramos que su luminosidad será la misma. Es cierto que la luz de una lámpara LED será más cálida y agradable a la vista.
El segundo punto de elección es el espectro. Pocas personas piensan en lo que significa cuando leen el número Kelvin en el paquete. El hecho es que otras lámparas simplemente no pueden tener exactamente esta característica: la misma "temperatura de la luz". Sin embargo, vale la pena recordar que cuanto mayor sea el número, más brillante y cálida será la luz de las lámparas LED en su hogar.
La posibilidad de un ajuste suave (control de atenuación) también se indica en el paquete con la nota "se permite un control de brillo suave". Si decide gastar dinero en ahorros, vale la pena tener en cuenta que los LED se pueden "atenuar" si no se necesita luz completa.
Cumplimiento. De acuerdo, una lámpara cara que no tiene dónde insertarse es el mismo caso: dinero por el desagüe. Actualmente se fabrican lámparas con todo tipo de bases y casi cualquier forma de elemento luminoso:

Opciones de selección básicas

¿Cuáles tenemos como parámetros principales? Ésta no es una pregunta tan sencilla como parece.

¿Fabricante? ¿Garantías y vida útil? ¿Aplicabilidad en redes con voltaje inestable?
¿Posibilidad de encendido en condiciones difíciles (incluso para uso en exteriores) y bajo sobrecargas?
¿Cantidad aproximada de ahorro si utiliza únicamente lámparas LED para la iluminación?
Costo comparativo de los dispositivos de iluminación si todo se reemplaza por lámparas LED.

1ª pregunta. Es muy difícil entender quién es el fabricante, si el producto tiene garantía y cuánto durará. Según las características, a veces es difícil entender si esta lámpara es para 220 V o 127 V. A menudo, el espectro de una lámpara se indica como un punto en una escala que nadie, excepto un óptico científico, puede entender. Las fluctuaciones de voltaje permitidas no están escritas en absoluto, excepto quizás en el pasaporte de la lámpara, como una sinusoide de aspecto extraño.

2da pregunta. Cualquier lámpara LED se puede encender y apagar en cualquier condición de sobrecarga. Este es el primer tipo de lámpara que sigue encendida tras un cortocircuito en la red. Además, este es el primer tipo de lámparas cuyo elemento luminoso no puede fallar por sobrecargas de la red. Estrictamente hablando, una lámpara LED generalmente sólo puede fallar por destrucción física. Al menos todavía no hay datos sobre el cese del resplandor por otros motivos. Y estas lámparas han sido estudiadas durante 12 años. Un hallazgo interesante es que la potencia de las lámparas LED les permite actuar como una especie de fusibles contra las cargas de la red. ¿Has oído las palabras “puente de diodos”? Aquí tenemos una lámpara LED, una especie de disparador que puede aliviar el exceso de carga en forma de flash. Puede que no lo veas, pero tu red eléctrica agradecerá tal descarga.

3ra pregunta. Una lámpara incandescente de 100 vatios utilizada de forma continua durante un año utiliza el 100% de la electricidad generada. El contador contará esta electricidad y la convertirá en un recibo de pago de la compañía energética. Si reemplazamos una lámpara incandescente por una lámpara LED que ha funcionado durante el mismo tiempo, también recibiremos una factura por pagar del sector energético. Es cierto que este relato será diferente del primero. Si pagamos 100 rublos por una lámpara incandescente, entonces por una lámpara LED pagaremos 18,5 rublos. Por supuesto, puede que no lo creas, así que toma una calculadora y haz los cálculos. Mejor aún, instale iluminación LED en su apartamento y, después de un mes, compare las facturas de las compañías de energía.

Cuarta pregunta. La diferencia de precio será de aproximadamente 8 veces para las lámparas incandescentes. Es decir, por la misma iluminación con lámparas LED, pagará entre 7 y 8 veces más que por lámparas incandescentes.

Ahorros reales

Ahora resulta evidente que, dado el fuerte aumento de los costes energéticos, el periodo de recuperación de la inversión de todos los dispositivos de ahorro de energía se ha reducido considerablemente en el tiempo. Además, vale la pena recordar que todos estos dispositivos, por regla general, son productos de alta tecnología que pueden funcionar durante muchos años seguidos. Por eso, a la hora de elegir lámparas, no pienses si será LED o no. Fíjate en el fabricante, la calidad de la fuente del embalaje, el nombre de la empresa y la compatibilidad eléctrica. Entonces recuerda que una bombilla incandescente de 100 vatios (a un precio de 10 rublos) te costará 4 veces kWh (el día tiene 24 horas), es decir, 4 (24 0,1) al menos 10 rublos al día si olvidas apagarlo. Y una lámpara LED para una casa de potencia comparable, que cuesta 200 rublos, con el mismo olvido costará solo 1 rublo y 15 kopeks.

No vamos a imponer nuestra opinión, pero en nuestro equipo son pocos los que no han sustituido las lámparas convencionales por LED. ¡No para lámparas de bajo consumo, sino para lámparas que ahorran dinero!

Después de escribir el artículo anterior, yo mismo todavía tenía una pregunta sin respuesta: qué es exactamente más rentable comprar y cuánto se puede ganar a largo y corto plazo. Además, todavía existen algunas incertidumbres sobre la eficiencia de los LED. Y la pregunta me anima a buscarle una respuesta, así que seguí desarrollando esta dirección. No diré que el material resultó ser un artículo completo, pero como complemento a la información anterior, contiene datos esenciales que serán de utilidad.

Primero, averigüemos exactamente cuál es la eficiencia de los LED discutidos en la última parte. Anteriormente tomé los datos principalmente del artículo iva2000, sin verificarlo, porque... Allí consideraron más la cuestión de la eficiencia de la fotosíntesis cuando se ilumina con luz de diferentes espectros. Ahora decidí analizar la eficiencia general.

Consideraremos los LED de CREE, porque... por un lado, hoy en día son los más avanzados en tecnología y, en consecuencia, en potencia luminosa por unidad de potencia, y por otro, todos sus indicadores son estables y están bien documentados (a diferencia de los fabricantes anónimos). En este caso, la empresa especificada debería pagarme por la publicidad, pero, lamentablemente, no escribo en su nombre, sino simplemente porque es más fácil y accesible.

Entonces, ¿qué tipo de LED estudiaremos? No publicaré aquí todo el proceso de estudio y selección de series específicas, para no inundar el material de “agua”. En resumen, diré que seleccioné los chips más potentes y al mismo tiempo más eficientes, sujetos a disponibilidad gratuita y precios favorables. Según estos criterios, son adecuados dos tipos: los blancos serán de la serie XM-L.

Se trata de chips de 10 vatios con una eficiencia de 158 lm/W (pero no a máxima potencia, sino a sólo 1 W). Blanco frío (6000-6500K), blanco neutro (4000-4500K) y blanco cálido (3000-3500K).
Y los rojos de la serie XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Enlaces a la documentación de LED al final del artículo.

Tratemos con los blancos. La última vez no se tuvo en cuenta la diferencia en la eficiencia de los LED blancos y la eficiencia se evaluó únicamente en relación con la curva de actividad fotosintética de McCree.

Esta vez decidí aclarar este tema más a fondo. Desafortunadamente, la documentación sobre LED nunca indica la eficiencia, sino solo lúmenes por vatio, por lo que tuve que hacer un cálculo inverso. En base al espectro del LED y la curva fotópica, se calcula cuántos lúmenes tendría el LED si su eficiencia fuera del 100%, y luego se divide el número de lúmenes reales tomados de la documentación del LED por este número. Y esto es lo que obtuvimos para tres tipos de LED blancos:

De izquierda a derecha: blanco frío, blanco neutro y blanco cálido.

Es de destacar que a pesar del aumento de lúmenes durante la transición del espectro blanco frío al blanco cálido (a la misma potencia radiación), los valores de la tabla de lm/W y la eficiencia general del LED disminuyen de manera muy significativa: del 40 al 23%. El caso es que el fósforo, del que hay mucho más que un LED blanco cálido en un brillo blanco cálido, no tiene por sí solo el 100% de eficiencia, e incluso, aparentemente, cuando hay una gran cantidad, tiene un efecto de sombreado (los rayos emitidos por las capas inferiores son absorbidos por las superiores y desaparecen). Al mismo tiempo, el indicador de lúmenes por vatio se utiliza con una corriente de 2 A (de un máximo de tres); se puede ver que cae de 140 a 350 mA a 108 (para blanco frío). No existe tal tabla en el documento Cree: allí se dan los lúmenes absolutos a una corriente determinada y la potencia debe calcularse utilizando datos del gráfico característico de corriente-voltaje. Aquí están los datos relevantes de la hoja de datos:

Ahora tratemos con los rojos.

Con ellos todo es un poco más sencillo, porque... El flujo luminoso no se indica en luminas sino en milivatios. ¡Basta con dividir los milivatios de radiación por los vatios de consumo y obtenemos la eficiencia con gran precisión! ¡Si tan solo los LED proporcionaran estos datos, no sería necesario realizar 2/3 del trabajo!

Y aquí inmediatamente hacemos un descubrimiento sorprendente: que la eficiencia de estos LED es del 50% y (otro gráfico, no mostraré aquí), a diferencia de los cristales azul/blanco, el flujo luminoso aumenta linealmente con la corriente y la eficiencia de ¡El chip no disminuye! Pero cuando el chip se sobrecalienta, la caída es mucho más significativa que en el caso de los blue chips. A modo de comparación, los de color azul puro tienen una eficiencia del 48% en las mismas condiciones (compárese con esta cifra para los blancos, más alta). Pero para los “simplemente rojos” todo es mucho peor. Su eficiencia resultó rondar el 19% y, al aumentar la temperatura, el flujo luminoso cae incluso más rápido que el del “Photo red”.

Ya están surgiendo opciones interesantes para el uso de LED individuales y sus combinaciones. Ahora recalculemos la tabla de eficiencia teniendo en cuenta los datos recién obtenidos.

Se puede ver que los Photo-red rojos están por delante de todos por un amplio margen. Pero no se puede iluminar con rojo puro, por lo que hay que combinarlo, y aquí hay opciones con blanco y azul. Notemos de inmediato (lo consideré todo, pero descarté lo que no resultó prometedor) la combinación de blanco cálido y rojo. La baja eficiencia de los LED de color blanco cálido anula todas las ventajas de los rojos. ¡Pero los blancos fríos quedan muy bien en esta combinación! Ellos mismos tienen una buena eficiencia, reforzada aún más por los LED rojos, y también cubren la falta del espectro rojo. La combinación de rojo y azul también queda bien. Luego están solo los blancos fríos y HPS 1000, y el resto realmente no aguanta. Bueno, veamos cómo se verá completo: con los controladores.

Además, la lógica de los cálculos se basó en el supuesto de que queremos obtener más radiación fotosintéticamente activa por el mismo dinero, por lo que todas las cifras, incluidos los precios de los LED y los controladores, se refieren al valor total de la radiación fitoactiva de la lámpara 100. µmol/s.

Codificación de colores como en la tabla anterior, para que sea más fácil entender dónde están los LED y no ocupar espacio con encabezados repetidos.

Pero este es sólo el precio inicial: cuánto dinero necesitas invertir para obtener una bombilla de 100 µmol/s. Esto no es suficiente: es necesario ver cuánto costará su funcionamiento. Y si también se tienen en cuenta los costes energéticos a lo largo del tiempo, se obtiene una imagen completa, que presento para que todos la vean.

Guardado para el historial, actualizado a continuación

Gracias a la atención de los comentaristas, resultó que no todos los LED que se venden en Aliexpress con el nombre CREE son en realidad LED. Los más baratos, alrededor de 1,50 dólares por un diodo de 10 vatios o menos, son probablemente falsificaciones con chips producidos por la empresa china LatticeBright, que cuestan varias veces menos que los originales y, lamentablemente, tienen un rendimiento aproximadamente 2 veces peor. En este sentido, busqué los precios de los LED correspondientes en la empresa Compel, que es el distribuidor oficial de cree en la Federación de Rusia. Los precios allí son mucho más altos que en China, pero la pequeña venta al por mayor es bastante rentable, incluso en comparación con los proveedores extranjeros.
Y en el camino, corregí dos puntos: agregué el reemplazo de la lámpara una vez al año para la curva HPS. Y corregí un error (descuido mío), por el cual el precio de todas las lámparas se calculaba a la misma potencia (100W), cuando la idea original era por unidad de radiación fotoactiva. En el nuevo gráfico, estos precios corresponden a una lámpara que emite 100 μmol/s, no 100 W. Pido disculpas por el descuido.

¿Cómo darle sentido a este manojo de ramitas?

A la izquierda está el precio de la lámpara al inicio. Permítanme recordarles que en este caso todos emitirán la misma cantidad de radiación fitoactiva, pero tendrán un espectro diferente. Cuanto más baja sea la barra, más barato será el conjunto. En el eje X tenemos meses. Se supone que la lámpara funciona 12 horas al día, 7 días a la semana, durante un total de 36 meses, es decir 3 años. Esto es solo un poco más de 13 mil horas, y para los LED se dice 50 mil. Y si todo se hace correctamente con la refrigeración, los LED también reciben una corriente de 0,7 del máximo (esto significa más eficiencia en un. un tercio completo), entonces funcionarán aún más , es decir. más de 10 años prácticamente sin degradación.

Cuanto más horizontal sea la línea, mayor será la eficiencia de la lámpara. Vemos que muchas líneas comienzan con un precio más alto (chips más caros), pero con el tiempo resultan ser más baratos que sus homólogos más baratos. La línea para los LED rojos fotográficos es indicativa de esto: tiene la pendiente más pequeña.

Lo más sorprendente es que los más baratos ahora son... ¡Los LED rojos fotográficos más caros! Esto se debe a que tienen la mayor eficiencia y el espectro más “fácil de digerir”: ¡necesitan la menor cantidad al principio y desperdician la menor cantidad de electricidad en el futuro! De gran interés son las combinaciones “Blanco frío + rojo foto rojo”. Este gráfico muestra una curva con una proporción blanco:rojo de 2:1 en potencia. Y simplemente "blanco frío". Estas tres líneas se abren en abanico, donde las exteriores son LED blancos y rojos, y la del medio es una combinación de ellos. Para cultivar plantas se necesitan todos los componentes del espectro, pero en diferentes combinaciones. Resulta que todas las opciones para combinaciones de espectros se cubren de manera más efectiva con una sola combinación: LED blancos fríos y rojos (pero en diferentes proporciones numéricas).
Vale la pena señalar que la combinación azul + rojo, aunque tiene una pendiente menor que el blanco + rojo, da un indicador precio/flujo luminoso significativamente peor, por lo que no alcanza a la combinación blanco + rojo ni siquiera en 3 años. En una perspectiva de 10 años puede ser preferible, pero se trata de un caso excepcional.
El phytolamp resulta no ser tan barato. Si tenemos en cuenta su eficiencia, es más caro que incluso los LED de color blanco frío y a largo plazo... El dinero para la electricidad es un desperdicio...
DNAT no es muy barato al principio (me sorprendió cuánto costaban los balastros electrónicos, pero em No vale la pena llevar balastros (tienen una eficiencia baja, la lámpara también debido al parpadeo, también zumban y se calientan como una estufa) y con el tiempo no se recuperan, especialmente teniendo en cuenta el reemplazo de las lámparas, lo cual tendrá que ser realizarse al menos una vez al año, lo cual se muestra como pasos en el gráfico. Así que vamos al jardín.

Aquí está el espectro de una combinación de LED blancos y rojos, superpuestos a la curva MkCree (4:1 en potencia, no lo cambió a 2:1):

Por supuesto, es incorrecto juzgar tales cosas basándose en la belleza de los gráficos, pero teniendo en cuenta los números que dicen lo mismo, en mi opinión el gráfico es casi ideal en términos de cubrir el espectro del rango fotosintéticamente activo.

La conclusión sigue siendo la misma: compre LED blancos fríos y CREE Photo red rojos y obtendrá mucha luz para sus plantas y ahorros para su billetera.
También es posible iluminar con LED de color rojo puro; uno de los comentaristas escribió sobre esta experiencia. Esto será más apropiado si las plantas están parcialmente iluminadas por luz natural (un jardín en el alféizar de una ventana, un balcón, una logia, cuando la luz solar directa no llega en absoluto o durante un par de horas al día; entonces las plantas reciben principalmente rayos azules de El cielo y catastróficamente no reciben suficientes rayos rojos, así como la intensidad de la luz general. Aquí los LED rojos llenarán perfectamente el vacío existente. Sólo que estos deberían ser LED altamente eficientes con una longitud de onda de radiación de 660 nM y sería mejor si lo fueran. eran CREE Photo red Bueno, eso es todo, ¡me voy a pedir diodos!

El sueño de una fuente de luz duradera, práctica y económica que brille y no caliente se ha hecho realidad gracias al rápido desarrollo de las tecnologías de semiconductores. Y, a pesar de que hoy en día el coste de un LED es relativamente alto, pronto podría desplazar a otras fuentes de luz tradicionales. Al menos durante los próximos 15 o 20 años, ya tiene garantizado un futuro sin preocupaciones.

Hace cinco o seis años empezamos a hablar de los LED como fuentes de luz que no sólo pueden parpadear en las guirnaldas de los árboles de Navidad, sino que también sirven para la iluminación completa de fachadas, interiores, áreas locales, parques y piscinas. Y la práctica de su uso en esta área comenzó hace apenas un par de años. Y aunque el plazo para un análisis global de las perspectivas es todavía relativamente corto, esta fuente de luz puede muy bien desplazar a otras. Aunque solo sea porque hoy en día las fuentes de iluminación tradicionales ya han alcanzado su máxima eficiencia luminosa y los LED solo se han acercado al 10% de sus capacidades. Como ejemplo, me gustaría citar el hecho de que los LED modernos ya son cien veces más brillantes que los LED más brillantes de hace apenas cinco años.

A LA DEFINICIÓN

El LED, o diodo emisor de luz, fue inventado a principios de los años 60 por el inglés Nick Holonyak. Por ello, esta fuente de luz también se denomina LED (Diodo Emisor de Luz).
Un LED es una fuente de luz orgánica de estado sólido o un cristal semiconductor que está hecho de capas de polímero semiconductor. Los LED no contienen vidrio, filamentos ni piezas reemplazables. Son miniatura, compactos, potentes. Además, emiten luz con características únicas.

SOBRE VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Los LED tienen muchas ventajas sobre las fuentes de luz clásicas. Entre ellos:

Consumo energético económico. El consumo de energía del LED es de máximo 5 W. Las lámparas con esta fuente de luz consumen entre 5 y 10 veces menos energía que las lámparas halógenas e incandescentes de brillo similar. La eficiencia de convertir energía eléctrica en luz mediante un LED es un orden de magnitud mayor que la eficiencia de una lámpara incandescente convencional. Por ejemplo, una lámpara incandescente típica de 100 W tiene una salida de luz equivalente a sólo 3-5 W. Y una fuente de luz LED, que produce la misma potencia de radiación luminosa, no consume 100, sino sólo 1,5 W. La alta eficiencia del consumo de electricidad LED es especialmente relevante en la etapa actual, ya que las crecientes necesidades de iluminación de la humanidad requieren un aumento en la producción de electricidad. Esto requiere inversiones de capital adicionales para la construcción de centrales eléctricas, el desarrollo de depósitos de energía y la posterior eliminación de residuos de producción. Además, se está implementando un programa de ahorro de energía a nivel estatal. Y los LED son una fuente de luz alternativa y altamente eficiente que puede satisfacer la demanda de iluminación sin aumentar los costos de producción y energía.

Posibilidad de funcionamiento desde alimentación de baja tensión. Las lámparas LED se pueden instalar en lugares donde no haya red eléctrica (de 2,8 V a 28 V CC).

Alta eficiencia. Para una lámpara LED, la eficiencia es del 75-90% (luz). Y solo entre el 10 y el 25% se gasta en generación de calor. A modo de comparación: una lámpara incandescente con una eficiencia del 5-10% es luz. El 90-95% restante se destina al calentamiento inútil del medio ambiente.

Practicidad en funcionamiento. Debido a la durabilidad de los LED, no es necesario realizar frecuentes reposiciones ni mantenimiento de la instalación.

Potencia de radiación suficiente. El brillo de un LED, superior al del neón, conduce a un gran aumento en la distancia de percepción de la información por parte del ojo humano (esto se debe a la radiación casi monocromática del LED). Por ejemplo, un LED con una potencia de sólo 1 W puede iluminar una columna de 6 metros de altura.

Falta de sensibilidad ante cambios en las redes eléctricas. El tiempo de respuesta de un LED a los cambios en la tensión de alimentación se mide en decenas de microsegundos, lo que es mucho menor que el de indicadores similares para lámparas incandescentes. Los LED tienen baja inercia y pueden funcionar en modo pulsado sin sufrir daños.

Amplia gama de colores. Debido al hecho de que la radiación se produce en una banda de espectro estrecha, la eficiencia de los LED de colores es mucho mayor que la eficiencia de una lámpara incandescente con un filtro de tono similar. Colores de LED primarios: rojo, azul, verde, ámbar, turquesa, naranja, blanco.

Cambio de color dinámico. Las fuentes de luz LED se controlan fácilmente mediante cualquier dispositivo electrónico. Se pueden configurar para casi cualquier color y programa de tiempo. Y la radiación LED se puede ajustar, creando hermosos efectos dinámicos y de iluminación. Además del modo de funcionamiento estático, los colores se pueden mezclar, obteniendo hasta 16 millones de matices, controlarlos y también crear diversos efectos dinámicos.

Seguridad contra incendios y seguridad del usuario. Los LED prácticamente no se calientan, por lo que no suponen un riesgo de incendio. Además, su brillo está libre de radiación infrarroja y ultravioleta, lo que los convierte en la fuente de luz más segura para los ojos.

Respetuoso con el medio ambiente. Los LED no contienen mercurio. Y no requieren una costosa eliminación una vez finalizada su vida útil.

Amplia gama de aplicaciones. Los LED son relativamente pequeños, lo que permite usarlos en casi cualquier lugar, por ejemplo, colocarlos dentro de casi cualquier dispositivo o fabricar una lámpara LED de cualquier forma, color y diseño.

Los LED prácticamente no tienen desventajas. La única diferencia es que el precio es elevado en comparación con las fuentes de luz tradicionales. Pero los costos iniciales se recuperan gracias al bajo consumo de energía y los bajos gastos financieros durante el período de operación. Por ejemplo, operar lámparas LED es entre 2,5 y 3 veces más barato que las lámparas incandescentes.

SOBRE CAPACIDADES Y APLICACIONES

Las posibilidades de los LED son extremadamente amplias. Con su ayuda podrás:

recibe 100% de luz inmediatamente cuando se enciende;
asegurar una iluminación uniforme de la superficie;
crear colores vivos y brillantes;
crear y ajustar el brillo y el color de la luz;
crear diseños de lámparas sin necesidad de reemplazar lámparas, así como lámparas antivandálicas;
“ocultar” la fuente de luz, mostrando solo la luz, etc.

La gama de aplicaciones de los LED es bastante amplia. Su uso, por ejemplo, es óptimo cuando la potencia destinada a la iluminación es demasiado baja para otras fuentes de luz. También pueden volverse indispensables en lugares donde no es deseable el reemplazo frecuente y problemático (debido a la inaccesibilidad) de las lámparas tradicionales. Pero pueden resultar de especial interés para diseñadores y arquitectos, ya que les permiten realizar sus decisiones más atrevidas.

Los LED se utilizan para decoración de interiores y exteriores, letreros, escaparates e indicadores, iluminación arquitectónica y decorativa, así como una alegre iluminación decorativa para cualquier día festivo.
Los LED se pueden montar en paredes, escalones, podios; Úselo como iluminación para estacionamientos, senderos, paisajes, fuentes y piscinas.

Dado que los LED se controlan fácilmente electrónicamente, es posible la dirección precisa de la luz, el control y regulación del color y la intensidad de la radiación, así como la mezcla de colores (lo que, en particular, puede resultar interesante para crear iluminación escénica, pinturas luminosas, gráficos y paneles).
Los LED, debido a su naturaleza monocromática, son generadores únicos de luz de colores. Además, la vibrante riqueza de colores se consigue de forma mucho más eficaz que si se utilizara un filtro de luz para fuentes de luz estándar. Así, con la ayuda de los LED, los objetos, el espacio y el entorno se pueden “pintar” libremente con colores profundos, vibrantes y brillantes. O cámbielo simplemente presionando un botón en el panel de control, creando una cierta atmósfera en la habitación.

A partir de LED es posible producir lámparas de cualquier color, diseño, forma y configuración para necesidades domésticas e industriales, así como para uso subacuático. Esta variedad proporciona una amplia libertad de elección para cualquier aplicación: horizontal y vertical, colgante, empotrable, etc.

Así, con la ayuda de las tecnologías LED, se puede crear una imagen arquitectónica única o una atmósfera única e inolvidable en lugares de recreación y entretenimiento; enfatizar la individualidad y la apariencia única del hogar y hacer que las condiciones de trabajo en la oficina sean cómodas.

Modo de recuperación

Después de escribir, yo mismo todavía tengo una pregunta sin respuesta: qué es exactamente más rentable comprar y cuánto se puede ganar a largo y corto plazo. Además, todavía existen algunas incertidumbres sobre la eficiencia de los LED. Y la pregunta me anima a buscarle una respuesta, así que seguí desarrollando esta dirección. No diré que el material resultó ser un artículo completo, pero como complemento a la información anterior, contiene datos esenciales que serán de utilidad.

Primero, averigüemos exactamente cuál es la eficiencia de los LED discutidos en la última parte. Anteriormente, tomaba los datos principalmente sin verificarlos, porque... Allí consideraron más la cuestión de la eficiencia de la fotosíntesis cuando se ilumina con luz de diferentes espectros. Ahora decidí analizar la eficiencia general.

De izquierda a derecha: blanco frío, blanco neutro y blanco cálido.

Ahora tratemos con los rojos.

Ya están surgiendo opciones interesantes para el uso de LED individuales y sus combinaciones. Ahora recalculemos la tabla de eficiencia teniendo en cuenta los datos recién obtenidos.

Codificación de colores como en la tabla anterior, para que sea más fácil entender dónde están los LED y no ocupar espacio con encabezados repetidos.

Guardado para el historial, actualizado a continuación

¿Cómo darle sentido a este manojo de ramitas?

Aquí está el espectro de una combinación de LED blancos y rojos, superpuestos a la curva MkCree (4:1 en potencia, no lo cambió a 2:1):

Seleccionando adecuadamente el material semiconductor y el aditivo, es posible influir específicamente en las características de la emisión de luz del cristal LED, principalmente en la región espectral de la emisión y en la eficiencia de convertir la energía entrante en luz:

GaALA- arseniuro de aluminio y galio; Se basa en LED rojos e infrarrojos.
GaAsP- fosfuro de arseniuro de galio; AlInGaP - fosfuro de aluminio-indio-galio; LED rojos, naranjas y amarillos.
Brecha- fosfuro de galio; LED verdes.
Sic- carburo de silicio; El primer LED azul disponible comercialmente con baja eficiencia luminosa.
InGaN- nitruro de indio y galio; GaN - nitruro de galio; LED UV azul y verde.

Para obtener una radiación blanca con una determinada temperatura de color existen tres posibilidades fundamentales:

1. Conversión de radiación LED azul por fósforo amarillo (Figura 1a).

2. Conversión de la radiación LED UV mediante tres fósforos (similar a las lámparas fluorescentes con el llamado espectro de tres bandas) (Figura 1b).

3.Mezcla aditiva de emisiones de LED rojos, verdes y azules (principio RGB, similar a la tecnología de televisión en color). El tono de color de los LED blancos se puede caracterizar mediante el valor de la temperatura de color correlacionada.

La mayoría de los tipos de LED blancos modernos se fabrican a base de azules en combinación con fósforos de conversión, lo que permite obtener radiación blanca con una amplia gama de temperaturas de color, desde 3000 K (luz blanca cálida) hasta 6000 K (luz diurna fría). ).

Funcionamiento de LED en circuitos de potencia.

Un cristal LED comienza a emitir luz cuando la corriente fluye hacia adelante. Los LED tienen una característica de corriente-voltaje que aumenta exponencialmente. Por lo general, funcionan con una corriente estabilizada constante o un voltaje constante con una resistencia limitadora preconectada. Esto evita cambios no deseados en la corriente nominal que afectan la estabilidad del flujo luminoso y, en el peor de los casos, incluso pueden provocar daños en el LED.
Para potencias bajas se utilizan reguladores lineales analógicos; para alimentar diodos de alta potencia se utilizan unidades de red con corriente estabilizada o voltaje de salida. Normalmente, los LED se conectan en serie, paralelo o en circuitos serie-paralelo (consulte la Figura 2).

Los reguladores con modulación de ancho de pulso (PWM) o una disminución de la corriente directa llevan a cabo una disminución suave del brillo (atenuación) de los LED. Utilizando PWM estocástico, es posible minimizar el espectro de interferencia (problema de compatibilidad electromagnética). Pero en este caso con PWM se pueden observar pulsaciones perturbadoras de la radiación LED.
La cantidad de corriente directa varía según el modelo: por ejemplo, 2 mA para LED de montaje en panel miniaturizados (SMD-LED), 20 mA para LED con un diámetro de 5 mm con dos cables de corriente externos, 1 A para alta potencia LED para fines de iluminación. La tensión directa UF suele oscilar entre 1,3 V (diodos IR) y 4 V (LED de nitruro de indio y galio: blanco, azul, verde, UV).
Mientras tanto, ya se han creado circuitos de alimentación que permiten conectar los LED directamente a una red de 230 V CA. Para ello, se encienden dos ramas de los LED en antiparalelo y se conectan a una red estándar a través de una resistencia óhmica. En 2008, el profesor P. Marx recibió una patente para un circuito para atenuar LED alimentados por corriente alterna estabilizada (ver Figura 3).
La empresa surcoreana Seoul Semiconductors ha integrado un circuito (Figura 3) con dos cadenas antiparalelas (cada una de las cuales contiene un gran número de LED) directamente en un chip (Acriche-LED). La corriente directa de los LED (20 mA) está limitada por una resistencia óhmica conectada en serie al circuito antiparalelo. El voltaje directo a través de cada LED es de 3,5 V.

Eficiencia energética

La eficiencia energética de los LED (eficiencia) es la relación entre la potencia de radiación (en vatios) y el consumo de energía eléctrica (en terminología de iluminación, esta es la producción de energía de la radiación, es decir).
En los emisores térmicos, que incluyen las clásicas lámparas incandescentes, para generar radiación visible (luz), es necesario calentar la bobina a una determinada temperatura. Además, la mayor parte de la energía suministrada se convierte en térmica (radiación infrarroja), y sólo ?e = 3% se transforma en radiación visible para las lámparas convencionales y el 7% para las lámparas incandescentes halógenas.

Los LED utilizados en iluminación aplicada convierten la energía eléctrica suministrada en radiación visible en una región espectral muy estrecha y se producen pérdidas térmicas en el cristal. Este calor debe eliminarse del LED mediante métodos de diseño especiales para garantizar los parámetros de luz y color necesarios y una vida útil máxima.
Los LED para iluminación y señalización prácticamente no tienen componentes IR y UV en el espectro de emisión y tienen una eficiencia energética significativamente mayor que los emisores térmicos. En condiciones térmicas favorables, los LED convierten en luz el 25% de la energía suministrada. Así, por ejemplo, para un LED blanco de 1 W de potencia, aproximadamente 0,75 W se deben a pérdidas térmicas, lo que requiere la presencia de elementos disipadores de calor o incluso refrigeración forzada en el diseño de la lámpara. Esta gestión del régimen térmico de los LED es de particular importancia. Es deseable que los fabricantes de LED y módulos LED proporcionen valores de eficiencia energética en la lista de características de sus productos.

Control de modo térmico
Recordemos que casi 3/4 de la electricidad que consume un LED se convierte en calor y sólo 1/4 en luz. Por lo tanto, a la hora de diseñar lámparas LED, un papel decisivo para garantizar su máxima eficiencia lo desempeña la optimización del régimen térmico de los LED, es decir, la refrigeración intensiva.

Como saben, la transferencia de calor desde un cuerpo calentado se produce debido a tres procesos físicos:

1. Radiación

Ф = W? =5.669?10-8?(W/m2?K4)??A?(Ts4 – Ta5)
donde: W? – flujo de radiación térmica, W
? – emisividad
Тs – temperatura de la superficie de un cuerpo calentado, K
Ta – temperatura de las superficies que rodean la habitación, K
A es el área de la superficie emisora de calor, m?

2. Convección

F = ?? ¿Eh? (Ts-Ta)
donde: Ф – flujo de calor, W
A es la superficie del cuerpo calentado, m?
? - Coeficiente de transferencia de calor,
Тs – temperatura del medio límite que elimina el calor, K
Ta – temperatura de la superficie de un cuerpo calentado, K
[¿para superficies sin pulir? = 6...8 W/(m?K)].

3. Conductividad térmica

Ф = ?T?(А/l) (Тs-Та) =(?T/Rth)
donde: Rth= (l / ?T?A) – resistencia térmica, K/W,
Ф – potencia térmica, W
Una sección transversal
longitud l - ?T – coeficiente de conductividad térmica, W/(m?K)
para elementos de refrigeración cerámicos?T=180 W/(m?K),
para aluminio – 237 W/(m?K),
para cobre – 380 W/(m?K),
para diamante – 2300 W/(m?K),
para fibras de carbono – 6000 W/(m?K)]

4. Resistencia térmica

La resistencia térmica total se calcula como:
Rth par.total=1/[(1/ Rth,1)+ (1/ Rth, 2)+ (1/ Rth,3)+ (1/ Rth,n)]
Epílogo Rth = Rth,1 + Rth, 2 + Rth,3 +....+ Rth,n

Resumen
A la hora de diseñar luminarias LED se deben tomar todas las medidas posibles para aliviar el comportamiento térmico de los LED mediante conducción, convección y radiación. Por lo tanto, la tarea principal al diseñar lámparas LED es garantizar la eliminación del calor mediante la conductividad térmica de elementos de refrigeración especiales o el diseño de la carcasa. Entonces estos elementos eliminarán el calor por radiación y convección.
Los materiales de los elementos disipadores de calor deben, si es posible, tener una resistencia térmica mínima.
Se obtuvieron buenos resultados con unidades de eliminación de calor del tipo “Heatpipes”, que tienen propiedades de conducción de calor extremadamente altas.
Una de las mejores opciones de disipador de calor son los sustratos cerámicos con rutas de transporte de corriente preaplicadas, directamente a las que se sueldan los LED. Las estructuras de refrigeración a base de cerámica disipan aproximadamente 2 veces más calor en comparación con los elementos de refrigeración metálicos convencionales.
La relación entre los parámetros eléctricos y térmicos del LED se ilustra en la Fig. 4.
En la Fig. La Figura 5 muestra un diseño típico de un LED de alta potencia con un elemento refrigerador de aluminio y un circuito de resistencias térmicas, y la Fig. 6-8 – varios métodos de enfriamiento.

Radiación

La superficie del elemento de iluminación sobre la que se monta el LED o módulo con varios LED no debe ser metálica, ya que los metales tienen una emisividad muy baja. Las superficies de las luminarias en contacto con los LED deberían, si es posible, tener una alta emisividad espectral.

Convección

Es deseable tener una superficie del cuerpo de la lámpara lo suficientemente grande para que el contacto sin obstáculos con los flujos de aire ambiente (aletas de refrigeración especiales, estructura rugosa, etc.) sea lo suficientemente grande. Se puede proporcionar una eliminación de calor adicional mediante medidas obligatorias: miniventiladores o membranas vibratorias.

Conductividad térmica

Debido a la superficie y el volumen muy pequeños de los LED, no se consigue la refrigeración necesaria por radiación y convección.

Ejemplo de cálculo de resistencia térmica para un LED blanco

UF= 3,8 V
SI = 350 mA
PLED = 3,8 V? 0,35 A = 1,33 W
Dado que la eficiencia óptica del LED es del 25%, sólo 0,33 W se convierten en luz y el 75% restante (Pv=1 W) se convierte en calor. (A menudo en la literatura, al calcular la resistencia térmica RthJA, se comete el error de suponer que Pv = UF ? IF = 1,33 W; ¡esto es incorrecto!)

La temperatura máxima permitida de la capa activa (unión p-n – unión) TJ = 125°C (398 K).

Temperatura ambiente máxima TA = 50°C (323 K).

Máxima resistencia térmica entre la capa barrera y el entorno:

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

Según el fabricante, la resistencia térmica del LED.

RthJS = 15 K/W

Resistencia térmica requerida de elementos disipadores de calor adicionales (aletas de refrigeración, pastas conductoras de calor, compuestos adhesivos, tableros):

RthSA= RthJA – RthJS = 75-15 = 60 K/W

En la Fig. 9 explica las resistencias térmicas del diodo en la placa.
La relación entre la temperatura de la capa activa y la resistencia térmica entre la capa de bloqueo (activa) y el punto de soldadura de los cables del cristal está determinada por la fórmula:

TJ=UF? ¿SI? ?¿mi? RthJS + TS

donde TS es la temperatura medida en el punto de soldadura de las puntas del cristal (en este caso es igual a 105°C)

Entonces, para el ejemplo considerado con un LED blanco con una potencia de 1,33 W, la temperatura de la capa activa se determinará como
TJ = 1,33W? 0,75? 15 K/W + 105°C = 120°C.

Degradación de las características emisivas debido a la carga de temperatura en la capa activa (de bloqueo).
Conociendo la temperatura real en el punto de soldadura y teniendo los datos proporcionados por el fabricante, es posible determinar la carga térmica sobre la capa activa (TJ) y su efecto sobre la degradación por radiación. La degradación se refiere a la disminución del flujo luminoso durante la vida útil del chip LED.

Efecto de la temperatura de la capa barrera.
Requisito fundamental: no se debe exceder la temperatura máxima permitida de la capa de bloqueo, ya que esto puede provocar defectos irreversibles en los LED o fallos espontáneos.
Debido a procesos físicos específicos que ocurren durante el funcionamiento de los LED, cambiar la temperatura de la capa de bloqueo TJ dentro del rango de valores permitidos afecta muchos parámetros del LED, incluido el voltaje directo, el flujo luminoso, las coordenadas de cromaticidad y la vida útil.

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