Comparando lámparas incandescentes y LED: ¿cuáles son mejores? LED: una fuente de luz de nueva generación

Indicadores técnicos y económicos de lámparas.

El TEP de una lámpara está significativamente influenciado por el tipo y la calidad de los sistemas ópticos de la lámpara. El nivel de eficiencia depende del factor de potencia del balastro y de la eficiencia óptica del dispositivo, así como del estado de la óptica. Varios equipos nacionales y la mayoría de los modelos extranjeros tienen coeficientes altos. Sin embargo, por muy buenos que sean estos indicadores, la óptica (cubierta transparente, lentes y reflectores divergentes o convergentes) se ensucia durante el funcionamiento y sufre cambios importantes en las estructuras de la superficie, lo que conduce al deterioro de los parámetros. Esta afirmación se aplica a todo tipo de luminarias, independientemente de si se utilizan balastros o no.

En las lámparas nuevas, la eficiencia óptica oscila entre el 60 y el 95%. Como resultado de observaciones prácticas y exámenes especiales de laboratorio, resultó que durante 1 año de operación, la eficiencia óptica disminuye al 35% de su valor original (y el nivel principal de pérdidas ocurre en los primeros días de operación). ). En 2 años, la óptica pierde del 50 al 65% de su nivel de eficiencia original.

Los dispositivos observados se utilizaron al aire libre (alumbrado público) en el territorio de la República de Tartaristán, en condiciones normales y no extremas. Está claro que si las condiciones de funcionamiento requieren el funcionamiento de equipos de iluminación en condiciones de mayor contaminación de polvo o gas, entonces la eficiencia óptica disminuye a un ritmo más rápido.

*Las mediciones de propiedades ópticas y eléctricas fueron realizadas por especialistas del grupo de empresas TATLED en su propia base.

(Flujo luminoso, Ф; Distribución del flujo luminoso total en 2 niveles cualesquiera de intensidad luminosa o ángulos de radiación dentro del patrón de radiación, Ф(Ω),

Datos sobre equipos de medida en el Apéndice 1.

Como regla general, los fabricantes de equipos de iluminación resuelven el problema de proteger las lámparas (especialmente su volumen interno) de factores ambientales adversos sellando entre las carcasas de los dispositivos de iluminación cerrados y el vidrio protector, así como sellando los puntos de entrada de los cables.

Sin embargo, un estudio más detallado del problema reveló que esto no es suficiente para garantizar un aislamiento adecuado del volumen interno de la lámpara. Según las leyes de la termodinámica, en los dispositivos de iluminación cerrados hay un efecto de "respiración" asociado con un cambio en la presión del aire encerrado en el volumen interno aislado del dispositivo de iluminación. Cuando se enciende la fuente de luz del dispositivo y se calienta el aire atrapado dentro del dispositivo, la presión aumenta y cuando se apaga, la presión cae. Incluso por un defecto imperceptible en la junta, se aspira aire contaminado hacia la cavidad interna de la lámpara. Este fenómeno presenta la posibilidad de que polvo, fibras y partículas corrosivas se depositen en los conjuntos de contacto de la bombilla, el reflector, la superficie interior, el vidrio protector, la lente y el casquillo de la lámpara. Como resultado, la capacidad de iluminación de los dispositivos disminuye y ellos mismos fallan en un corto período de funcionamiento (por ejemplo, en algunas áreas de producción metalúrgica, los dispositivos de iluminación se reemplazan anualmente, lo que aumenta significativamente el costo de operación del sistema de iluminación).

Las lámparas LED no tienen el inconveniente anterior. El hecho es que los LED utilizados en este tipo de lámparas no requieren reflectores reflectantes.

En los dispositivos de iluminación que utilizan fuentes de luz convencionales, se incorpora un reflector reflectante, cuya forma no siempre se puede ajustar de acuerdo con los requisitos de distribución de la luz. A diferencia de las lámparas convencionales, los dispositivos LED utilizan fuentes de luz que emiten energía luminosa no en todas las direcciones, sino en una. La dirección y la intensidad del flujo de luz están reguladas por la ubicación de los ejes del emisor de luz en una dirección determinada y su número. El ángulo de apertura de la radiación emitida se ajusta mediante una óptica secundaria (microlente).

Por tanto, la lámpara LED está libre de las desventajas provocadas por las pérdidas en los sistemas ópticos que utilizan fuentes de luz omnidireccionales. Es decir, la relación Lumen/Watt para las lámparas LED es más atractiva.

Los lúmenes miden el flujo en todas las direcciones, es decir en un ángulo sólido de 4pi. Un lumen es igual al flujo luminoso emitido por una fuente puntual isotrópica, con una intensidad luminosa igual a una candela, en un ángulo sólido de un estereorradián (1 lm = 1 cd × sr)

Un estereorradián es igual a un ángulo sólido con su vértice en el centro de una esfera de radio R, recortando en la superficie de la esfera un área igual al área de un cuadrado de lado R (es decir, R²). Si dicho ángulo sólido tiene la forma de un cono circular, entonces su ángulo de apertura será de aproximadamente 65,541° o 65°32′28″).

Si asumimos que el cono calculado se dirige directamente al objeto iluminado, entonces el resto de la energía luminosa incide en la superficie iluminada a través de un reflector o lentes ópticas.
Candela (del latín candela - vela), unidad de intensidad luminosa del Sistema Internacional de Unidades. Designación: CD ruso, CD internacional. Candela (unidad de intensidad luminosa): la intensidad de la luz emitida desde un área de 1/600.000 m2 de la sección transversal de un emisor completo en una dirección perpendicular a esta sección transversal a una temperatura del emisor igual a la temperatura de solidificación. de platino (2042 K) a una presión de 101.325 n/m2.

Con base en lo anterior, para comparar las lámparas TEC con una fuente de luz convencional y una lámpara LED, es necesario introducir una corrección por la diferencia en la eficiencia de los sistemas ópticos.

Consideremos, como ejemplo específico, el dispositivo de iluminación RKU15-250, ampliamente utilizado, que utiliza una lámpara DRL y una lámpara LED.

Para determinar indicadores reales de rendimiento lumínico, realizamos los siguientes cálculos:

Según el fabricante, la eficiencia de la lámpara RKU15 es del 65%. La fuente de luz (lámpara DRL-250 (V)) tiene un nivel de flujo luminoso de 13.200 lúmenes. Obtenemos el nivel de flujo luminoso realmente emitido por el dispositivo: 65% de 13.200 lm = 8.580 lúmenes.

También es necesario tener en cuenta la pérdida acelerada del nivel de flujo luminoso DRL en las primeras 1000 horas de funcionamiento. Del gráfico siguiente (según datos de VNISI) se desprende claramente que durante las primeras 1000 horas de funcionamiento, el nivel de flujo luminoso emitido disminuye entre un 15 y un 20% del valor inicial. De aquí obtenemos Фv = 6.864 lúmenes. Durante el periodo de funcionamiento posterior, la degradación se produce de forma menos intensa.

La curva del nivel de flujo luminoso de los LED utilizados en luminarias LED también tiene una característica desigual. Sin embargo, como puede ver en el gráfico siguiente (cortesía de OSRAM Opto Semiconductors), después de una breve caída, el nivel aumenta gradualmente (Golden Dragon más diodos).

("Ingeniería de iluminación", Likhoslavl) con lámpara DRL-250 (V) (“Lisma”, Saransk)	SVETECO 48/6624/80/Ш (“Ledel”, Kazán) LED OSRAM (“Osram”, Alemania)
Parámetros de la lámpara, (excluidas las pérdidas ópticas en la lámpara) voltaje nominal B-130 potencia nominal, W - 250 flujo luminoso, Lume - 13.200 duración de las montañas hora - 12.000	Parámetros LED (48 piezas) (no hay pérdidas ópticas en la lámpara) voltaje nominal V - 220 ± 22 potencia nominal, W - 80 flujo luminoso, lum - 6.624 duración de las montañas hora - 100.000
coste total 4 500 frotar.	coste total 15 000 frotar.
Duración de la operación por año, h - 2920 (a 8 horas por día)
730	Cantidad de energía consumida por año, kW/hora - 233
consumo por año - 2 190 frotar.	consumo por año - 699 frotar. a un costo de 3 rublos. - kW/hora
Costos de mantenimiento de la lámpara, balastros, reemplazo y eliminación de lámparas, frote. en el año - 600 frotar.	Costos de mantenimiento, frote. en el año - 0 frotar.
Gastos totales por adquisición Y explotación dentro de 1 año - 7 290 frotar.	Gastos totales por adquisición Y explotación dentro de 1 año - 15 699 frotar.
Mayor explotación frotar. en el año - 2 790 frotar.	Mayor explotación frotar. en el año - 699 frotar.
Costos totales durante 5 años: 18.450 rublos. incluso para electricidad: 10.950 rublos. a un costo de 3 rublos. - kW/hora	Costos totales durante 5 años: 18.495 rublos. incluso para electricidad: 3495 rublos. a un costo de 3 rublos. - kW/hora
mínimo	Posibilidad de uso posterior: Se ha agotado el 40% del recurso.

Gráfico de costes de propiedad de dispositivos durante 5 años

Los datos se dan teniendo en cuenta el coste constante de la electricidad. Teniendo en cuenta el crecimiento de las tarifas previsto por el Ministerio de Desarrollo Económico, el punto de intersección de las curvas de niveles de costos se producirá antes que el período obtenido por los cálculos (presumiblemente 4 años).

Un ejemplo del uso de lámparas DRL y lámparas LED para iluminación vial. Gracias a una energía luminosa distribuida de forma más racional, la superficie de la carretera iluminada por lámparas LED (imagen de la izquierda) se inunda de manera más uniforme.

Conclusión: las propiedades ópticas de las luminarias que utilizan LED son notablemente superiores en parámetros de iluminación a las de las luminarias con fuentes de luz convencionales.

EQUIPOS DE CONTROL (EQUIPOS DE CONTROL).

Los balastos (balastos) son un producto especial que se utiliza para iniciar y mantener el funcionamiento de una fuente de luz.

Estructuralmente, el lastre se puede realizar en forma de un solo bloque o de varios separados.

Según el tipo de fuente luminosa, los balastros se dividen en:

• Balastros para lámparas de descarga de gas.
• Balastos para lámparas halógenas (transformadores)
• Balastos para LED (drivers LED)

Dependiendo del tipo de dispositivo y funcionamiento de los balastros, existen:

• electromagnético (EMPRA)
• electrónico (balastos electrónicos)

Además de los parámetros ópticos, la eficiencia de un dispositivo de iluminación se ve afectada significativamente por el parámetro del factor de potencia del balastro.

Para balastos de lámparas de descarga, este parámetro (según los fabricantes) oscila entre 0,6 y 0,9. Los más efectivos hoy en día son los balastros electrónicos, ya que con la ayuda de la electrónica la capacidad de encender y controlar el brillo se puede hacer de manera mucho más eficiente en comparación con los estranguladores inductivos. Los balastos para lámparas de descarga se fabrican desde hace mucho tiempo y, a pesar de las mejoras constantes, son bien conocidos por los consumidores, por lo que no se analizan en detalle en este trabajo.

En las lámparas LED, el balastro (controlador LED) realiza la función de estabilizador de CC, estabilizadores de voltaje y atenuación (especializados).

Los conductores se pueden dividir en dos grupos principales:

1. Fuentes de alimentación LED con corriente de salida estabilizada constante (controladores LED): diseñadas para alimentar LED (o lámparas LED) conectadas en serie.

2. Fuentes de alimentación con voltaje constante estabilizado (transformadores de LED): diseñadas para alimentar grupos de LED que ya están equipados con una resistencia limitadora de corriente, generalmente tiras, reglas o paneles de LED.

Además, dado que la industria produce LED diseñados para diferentes valores de corriente nominal, los controladores de LED también se dividen según este parámetro.

Los valores de corriente más habituales son 350 y 700 miliamperios.

El factor de potencia de los controladores LED de la mayoría de los fabricantes es 0,95. Un LED separado requiere un voltaje constante de 2-4 V y varias decenas de mA de corriente. Una serie de LED en serie requiere un voltaje más alto. El controlador LED es la fuente de este voltaje. Transforma una fuente de alimentación doméstica de 110-240 V CA en CC de bajo voltaje para alimentar sistemas LED.

Cada vez existen mayores requisitos para la calidad de los equipos de control LED, ya que los LED, al ser un dispositivo semiconductor, son extremadamente exigentes con la calidad del suministro de energía. Las desviaciones de los parámetros especificados dentro del 2-5% afectan drásticamente las propiedades eléctricas y de iluminación de los LED y pueden provocar una reducción significativa en la vida útil del cristal o del fósforo.

Con base en lo anterior, está claro que la calidad del equipo de control LED es inicialmente alta y, en consecuencia, es un producto con alta eficiencia.

La gran mayoría de los valores declarados por los fabricantes oscilan entre 0,90 y 0,95. Mediciones simples confirman estos valores.

Para atenuar (cambiar el brillo de los LED), generalmente se utiliza el principio de modulación de ancho de pulso (PWM).

En términos de eficiencia y grado de confiabilidad, los balastros para lámparas de descarga y los balastros para lámparas LED se diferencian únicamente en la calidad del circuito y la base del elemento utilizado, lo que finalmente implica una diferencia en el costo del producto. Los balastros costosos y de alta calidad de varios tipos de lámparas se acercan a un solo indicador (cerca de 1).

El Apéndice 2 y el Apéndice 3 contienen revisiones de organizaciones que han implementado lámparas LED como prototipos.

Conclusión: la influencia de la eficiencia del balastro en la eficiencia general de un dispositivo de iluminación para lámparas de descarga y para lámparas LED no tiene una diferencia notable y está determinada únicamente por el precio del producto.

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Recientemente, en un sitio web vi una calculadora de amortización de lámparas LED. Inmediatamente me interesé en cuántos años tardaría una lámpara LED en amortizarse, ya que en este momento no todos los clientes quieren instalar lámparas LED.

Según la calculadora, una lámpara LED de oficina debería amortizarse en sólo 3,68 años. Ahora comprobemos si realmente obtenemos esa cifra.

Para la oficina, CIERTO fabricante de lámparas LED produce una lámpara empotrada con una potencia de 42 W, con un flujo luminoso de 3500 lm, eficiencia = 94%, índice de reproducción cromática 80. Una lámpara de este tipo cuesta $ 175. Esta lámpara reemplaza completamente la lámpara fluorescente LVO 4×18, que cuesta sólo $25. Como puede ver, una lámpara LED para oficinas es 7 veces más cara que una lámpara con lámparas fluorescentes.

Primero, comparemos las dos lámparas.

		Lámpara led
Término análogo	LVO11-4×18-503	SDVB-15-196-042-022
Tipo de lámpara	T8	LED
Consumo de energía, vatios	72	42
Flujo luminoso, lm	4×1300 (5200)	3500
Factor de eficiencia, %	68	94
Vida útil, h.	20000	70000
Precio, $	25	175

Ahora, en base a estos datos, calcularemos el consumo energético anual y cuántos años tardará la lámpara LED en amortizarse sola. Trabajamos 2000 horas al año (para un oficinista). Cambiaremos las lámparas fluorescentes después de 10.000 horas, porque... el flujo luminoso comenzará a disminuir.

	Lámpara con lámparas fluorescentes.	Lámpara led
	0,072*2000=144	0,042*2000=84
Costo de electricidad por año ($0.05*kW-RB), $	144*0,05=7,2	84*0,05=4,2
Costo de la electricidad por año (0,1$*kW-RF), $	144*0,1=14,4	84*0,1=8,4
Ahorros por año en electricidad en la República de Bielorrusia, $	—	7,2-4,2=3,0
Ahorros por año en electricidad en la Federación de Rusia, $	—	14,4-8,4=6,0
Compra de lámparas, $	25	175
Mantenimiento de lámpara por 10.000 horas (5 años), $		—
Ahorros por año incluyendo consumibles en Bielorrusia, $	—	(3,0*5+8)/5=4,6
Ahorros por año, incluidos los consumibles rusos, $	—	(6,0*5+8)/5=7,6
Tiempo de recuperación RB	—	(175-25)/4,6=32,6 años
El tiempo de recuperación de la inversión de la Federación de Rusia	—	(175-25)/7,6=19,7 años

El resultado fue bastante desastroso.

¿Por qué entonces sucedió esto?

Todo es muy sencillo. El tiempo de recuperación de una lámpara LED depende del precio de la electricidad y del tiempo de funcionamiento. Cuanto mayor sea el coste del kWh y el número de horas de funcionamiento, más corto será el plazo de recuperación.

Después de hacer algunos cálculos inversos, me di cuenta de que los fabricantes de lámparas LED no nos perdonan en absoluto (incluidos los diseñadores, ya que también somos oficinistas), nos obligan a trabajar los siete días de la semana y nos fijan la tarifa máxima estimada de electricidad. En general, cobraron todo al máximo para obtener el período mínimo de recuperación.

En este caso tendremos el siguiente resultado.

	Lámpara con lámparas fluorescentes.	Lámpara led
Consumo de electricidad por año, kW.	0,072*2920=210,24	0,042*2920=122,64
Costo de electricidad por año ($0,14*kW), $	210,24*0,14=29,4	122,64*0,14=17,2
Ahorro por año en electricidad, $	—	29,4-17,2=12,2
Compra de lámparas y accesorios, $	25	175
Mantenimiento de lámpara por 10.000 horas (3 años), $	4 – coste de las lámparas; 4 – reciclaje, sustitución de lámparas.	—
Ahorros por año incluyendo consumibles, $	—	(12,2*3+8)/3=14,9
Tiempo de retribución	—	(175-25)/14,9=10 años

Para ser honesto, estoy un poco molesto. Esperaba que el período de recuperación de la lámpara LED fuera de al menos 5 años. El fabricante promete 3,68 años, pero en realidad son unos 10 años. Además, durante 10 años, siempre que la oficina funcione los siete días de la semana y al precio máximo calculado.

Las 70.000 horas declaradas para una lámpara LED son sólo una teoría, pero en la práctica, quién sabe cómo se comportará dentro de 5 a 10 años.

Creo que cuando se amortice, y según mis cálculos son 10 años, esta lámpara ya estará obsoleta, aunque estará en condiciones de funcionar.

En las condiciones actuales, los fabricantes de lámparas LED sólo estarán A FAVOR de un aumento de los precios de la electricidad, ya que el uso de lámparas LED depende directamente del precio de la electricidad.

Es ventajoso instalar lámparas LED en zonas donde el coste de la electricidad es elevado. Creo que esto es más relevante para los países europeos.

¿Quizás no tomé todo en cuenta o tienes información más precisa sobre este tema?

PD No estoy en absoluto en contra de las luces LED. Me encantan los números. En mi opinión, es necesario reducir aún más el coste de una lámpara LED para poder utilizarla en todas partes. Una lámpara LED tiene muchas ventajas en comparación con una lámpara fluorescente, pero también tiene un gran inconveniente: el precio.

El enfoque tradicional de las lámparas LED conduce a menudo a una mala comprensión de las circunstancias fundamentales. Hablamos de la eficiencia de las lámparas y de la influencia del diseño de las lámparas LED y convencionales en la eficiencia.

La eficiencia de una luminaria es la relación entre el flujo luminoso que sale de la luminaria y el flujo luminoso total creado por la fuente de luz. Por ejemplo, una lámpara en forma de bombilla sin luminarias, principalmente sin reflector, tiene una eficiencia del 100%. Esto no significa en absoluto que sea un ideal al que debamos esforzarnos para las lámparas; menos eficiencia, esto no significa peor; Cualquier intento de concentrar (dirija) la luz conduce a una disminución de la eficiencia. Pero el método de concentración y la calidad del reflector pueden ser diferentes y las lámparas tendrán diferente eficiencia. Puedes comparar luminarias por eficiencia solo aquellas que tengan una distribución lumínica similar(KSS), en este caso la eficiencia vendrá determinada por la calidad del sistema óptico de la lámpara (reflector, vidrio). ¡No tiene sentido comparar luminarias con diferentes KSS en términos de eficiencia!

La diferencia fundamental entre los LED y las lámparas es que brillan sólo en un semiplano. Es decir, una lámpara LED sin luminarias (100% de eficiencia) será dirigido! El ángulo de emisión de los LED sin óptica secundaria es de 90 a 120 grados. Por ejemplo, si comparamos dos "lámparas" en forma de bombilla y LED (100% de eficiencia) con el mismo flujo luminoso, entonces en el eje de la lámpara a la misma distancia la iluminación será aproximadamente 2 veces menor. que en el eje del LED. Si intenta recolectar el flujo luminoso de la lámpara utilizando un reflector (para lograr el mismo ángulo de radiación), en cualquier caso no podrá obtener la misma iluminación que proporciona el LED debido a las pérdidas por reflexión. En este sentido, en las luminarias direccionales tendrá sentido sustituir una fuente de luz tipo bombilla por una fuente LED, incluso si estas fuentes tienen la misma eficiencia luminosa (lm/W).

Si una luminaria con lámpara tiene vidrio plano, es decir, toda la fuente de luz queda “sumergida” dentro de la lámpara, La eficiencia de la lámpara disminuirá significativamente. debido a que la mayor parte de la luz que sale de la lámpara será reflejada, es decir, con pérdidas por reflexión. Para una lámpara LED de este diseño, prácticamente no hay disminución de la eficiencia.(Sólo las pérdidas en el vidrio rondan el 5%), aunque intuitivamente parece que, por analogía con las lámparas, la eficiencia debería disminuir.

Una lámpara de tubo con vidrio plano tendrá una eficiencia de aproximadamente el 50-60%.

Una lámpara LED con cristal plano tendrá una eficiencia aproximada del 95%.

Ésta es la principal diferencia fundamental entre las lámparas LED y las lámparas. Las luces LED direccionales son mucho más eficientes que las luces de tubo direccionales. Esto se debe en gran medida a las características de diseño de los LED y no sólo a su alta eficiencia luminosa.

Comprender esta circunstancia debería llevar a revisar los enfoques para el cálculo de instalaciones de iluminación que utilizan lámparas LED.

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 LED azules en combinación con fósforos de conversión, que permiten 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 de atenuación para 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 con 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.com.=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 dispositivo 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, a ser 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 ТS es la temperatura medida en el punto de soldadura de los cables del cristal (en este caso es igual a 105°С)

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 superar 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, el cambio de 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.

• 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.

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 cuentas los costos de energía a lo largo del tiempo, obtendrás 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 indican 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 general). tercero), 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 de precio/flujo luminoso significativamente peor, por lo que no alcanza a la combinación blanco+rojo incluso después de 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 incluso que los LED blancos fríos 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 baja eficiencia, 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, que 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!