Освещение растений белыми светодиодами — о КПД и экономической эффективности. Сравниваем лампы накаливания и светодиодные – какие лучше
При использовании светодиодов в качестве основного источника света возникает вопрос — какая мощность светильников для этого необходима. Чтобы на него ответить, нужно знать от чего зависит КПД светодиодов.
КПД светодиодного элемента
В идеальном светодиоде с КПД 100% каждый поступивший электрон излучает фотон света. Такая эффективность недостижима. В реальных устройствах она оценивается по соотношению светового потока к подведённой (потребляемой) мощности.
На этот показатель влияет несколько факторов:
- Эффективность излучения . Это количество фотонов, излучаемых на p-n переходе. Падение напряжения на нём составляет 1,5-3В. При дальнейшем повышении напряжения питания, оно не растёт, а увеличивается ток через прибор и яркость света. В отличие от лампы накаливания, она имеет линейную зависимость от протекающего тока только до определённой величины. При дальнейшем повышении тока дополнительная электрическая мощность расходуется только на нагрев, что ведёт к падению КПД.
- Оптический выход . Все выделенные фотоны должны излучаться в окружающее пространство. Именно это является главным сдерживающим фактором для увеличения КПД светодиодов.
- Некоторые светодиоды для лучшей передачи цвета покрываются слоем люминофора. В этом случае на КПД устройства дополнительно влияет эффективность преобразования света .
В начале XXI века нормой считался КПД 4%, а сейчас поставлен рекорд в 60%, что в 10 раз больше, чем у лампы накаливания.
«Средний по больнице» КПД для топовых производителей типа Philips или Cree колеблется 35-45%. Точные параметры можно увидеть в даташите конкретной модели. КПД для бюджетных китайских светодиодов — это всегда рулетка с разбросом 10-45%.
Но это теоретические показатели, на которые мы повлиять не можем. На практике ключевую роль играют ток, подаваемый на диод и температурный режим. Прекрасную работу проделал пользователь ютуба под ником berimor76, показав на практике зависимость светового потока от подаваемого тока и температуры. Смотрим видео.
КПД источника питания
Кроме КПД самих светодиодов, на энергоэффективность светодиодных ламп и светильников оказывает влияние источник питания. Они есть двух типов:
- Блок питания. Подаёт на светодиоды постоянное, заранее заданное напряжение, независимо от потребляемого тока.
- Драйвер. Обеспечивает постоянное значение тока. Напряжение при этом значения не имеет.
Блок питания
Блок питания подаёт на светодиод напряжение, превышающее необходимое для открытия p-n перехода. Но сопротивление открытого диода очень мало. Поэтому для ограничения тока последовательно с источником света устанавливается резистор. Мощность, выделяющаяся на нём, полностью превращается в тепло, что понижает КПД светодиодного светильника. Например, в led-ленте потери составляют около 25%.
Более совершенным и экономичным устройством является электронный драйвер.
Драйвер
Драйвер для питания светодиодов обеспечивает их током постоянной величины. Диоды подключаются к устройству последовательно в количестве, которое зависит от рабочего напряжения светодиодов и максимального напряжения устройства.
В светодиодных лампах вместо драйвера используется токоограничивающий конденсатор. При прохождении через него электрического тока выделяется так называемая реактивная мощность. Она не превращается в тепло, но электросчётчик её всё равно учитывает. КПД такого «драйвера» зависит от количества диодов, включённых последовательно с ним.
Электронный драйвер устанавливается в светильниках большой мощности или в переносных устройствах, где экономия электроэнергии или ёмкости батарей важнее цены за устройство.
КПД светильника
При организации освещения, в том числе светодиодного, имеет значение КПД форм-фактора светильника. Это соотношение всего света, выходящего из светильника к световому потоку, излучаемому самой лампой.
Любая конструкция светильника, даже сделанная из зеркал или прозрачного стекла, поглощает свет. Идеальный вариант без потерь — это патрон с лампочкой, подвешенный на проводах.
Но это редкий случай, когда идеальный не значит лучший. Световой поток от лампочки на проводе направлен во все стороны, а не только в нужную. Конечно, свет, попавший на потолок или стены отражается от них, но далеко не весь, особенно под открытым небом или в комнате с тёмными обоями.
Этим же недостатком обладает светодиодная лампа с разносторонним расположением элементов («кукуруза») или с матовым рассеиванием. В последнем случае рассеиватель дополнительно поглощает свет.
В отличие от таких светильников, led-лампа с односторонним расположением диодов направляет свет в одну сторону. КПД светильника с такой лампой близка к 100%. Освещённость, создаваемая ею выше, чем у другой, с таким же световым потоком, но направленным в разные стороны.
Это связано с конструктивными особенностями светодиодов — в отличие от ламп накаливания и люминесцентных (энергосберегающих), имеющих круговую направленность излучения, они излучают свет в диапазоне 90-120 градусов. Теми же свойствами обладают светодиодные ленты и прожектора, излучающие свет только в одном направлении.
Таким образом, максимальный световой поток на ватт мощности излучают светодиоды в прожекторах со встроенным электронным драйвером.
- Recovery Mode
После написания у меня самого остался не до конца решенным вопрос - а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна.
Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из , не проверяя, т.к. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.
Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т.к. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.
Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.
Это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К).
И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM. 
Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.
Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.
В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:
Слева направо: холодно-белый, нейтрально белый и тепло-белый.
Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности излучения ), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно - с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) - видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет - там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:
Теперь разберемся с красными.
С ними все немного проще, т.к. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные - 2/3 работы можно было не делать!
И тут мы сразу делаем удивительное открытие - что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых - выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».
Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.
Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте - с драйверами.
Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.
Цветовая маркировка как в предыдущей таблице - чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.
Но это только цена на старте - сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало - нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени - вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!
Оставлено для истории, обновленные данные ниже
Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл , являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками.
И по ходу дела исправил два момента - добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность. 
Как разобраться в этой вязанке прутьев?
Слева - цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т.е. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0.7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т.е. более 10 лет практически без деградации.
Чем более горизонтально идет линия - тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red - она имеет наименьший наклон.
Самое удивительное что самыми дешевыми теперь оказались… Самые дорогие photo red светодиоды! Это потому что они имеют самый высокий КПД и самый «легкоусваиваемый» спектр - их нужно меньше всего в начале и они тратят меньше всего электричества и в будущем! Большой интерес представляют комбинации «Холодно-белый+красный photo red». На данном графике приведена кривая при соотношении белый: красный как 2:1 по мощности. И просто «холодно-белый». Эти три линии расходятся веером, где крайние - белый и красный светодиоды, а средняя - их комбинация. Для выращивание растений необходимы все составляющие спектра, но в разных комбинациях. Выходит что все варианты сочетаний спектров наиболее эффективно покрываются всего одной комбинацией - холодно-белых и красных светодиодов (но в разном численном соотношении).
Стоит отметить, что комбинация синий+красный хоть и имеет меньший наклон чем белый+красный, но дает существенно худший показатель цена/световой поток, поэтому не догоняет сочетание белый+красный даже за 3 года. В 10-летней перспективе может быть предпочтительнее, но это исключительный случай.
Фитолампа оказывается не такая уж и дешевая. Если учесть её КПД она дороже даже холодно-белых светодиодов, а уж в перспективе… Деньги за электричество на ветер…
ДНаТ и в начале не очень дешев (я удивился сколько стоят ЭПРА для них, а Эм
ПРА брать не стоит - они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания - тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют - особенно с учетом замены ламп - которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.
Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):
Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое - по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.
Вывод остается прежним - покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день - тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!
Недавно на одном сайте увидел калькулятор окупаемости светодиодных светильников. Мне сразу стало интересно, а через сколько лет окупит себя светодиодный светильник, поскольку на данный момент не каждый заказчик стремится установить у себя светодиодные светильники.
Если верить калькулятору, то офисный светодиодный светильник должен окупить себя уже через 3,68 года. Сейчас проверим на самом ли деле у нас получится такая цифра.
Для офиса НЕКИЙ производитель светодиодных светильников изготавливает встраиваемый светильник мощностью 42Вт, со световым потоком 3500лм, КПД=94%, индекс цветопередачи 80. Стоит такой светильник 175$. Данный светильник полностью заменяет светильник с люминесцентными лампами ЛВО 4×18, который стоит всего 25$. Как видим, светодиодный светильник для офисных помещений в 7 раз дороже светильника с люминесцентными лампами.
Для начала приведем сравнение двух светильников.
| Светодиодный светильник | ||
| Аналог | ЛВО11-4×18-503 | СдВБ-15-196-042-022 |
| Тип лампы | Т8 | Светодиоды |
| Потребляемая мощность, Вт | 72 | 42 |
| Световой поток, лм | 4×1300 (5200) | 3500 |
| КДП, % | 68 | 94 |
| Срок службы, ч | 20000 | 70000 |
| Цена, $ | 25 | 175 |
Теперь на основе этих данных посчитаем годовой расход электроэнергии и через сколько лет оправдает себя светодиодный светильник. В году у нас 2000 рабочих часов (у офисного работника). Люминесцентные лампы будем менять через 10000 часов, т.к. световой поток начнет падать.
| Светильник с люминесцентными лампами | Светодиодный светильник | |
| 0,072*2000=144 | 0,042*2000=84 | |
| Стоимость электроэнергии в год (0,05$*кВт-РБ), $ | 144*0,05=7,2 | 84*0,05=4,2 |
| Стоимость электроэнергии в год (0,1$*кВт-РФ), $ | 144*0,1=14,4 | 84*0,1=8,4 |
| Экономия в год на электроэнергии РБ, $ | — | 7,2-4,2=3,0 |
| Экономия в год на электроэнергии РФ, $ | — | 14,4-8,4=6,0 |
| Покупка светильников, $ | 25 | 175 |
| Обслуживание светильника в течение 10000 часов (5лет), $ | — | |
| Экономия в год с учетом расходных материалов РБ, $ | — | (3,0*5+8)/5=4,6 |
| Экономия в год с учетом расходных материалов РФ, $ | — | (6,0*5+8)/5=7,6 |
| Время окупаемости РБ | — | (175-25)/4,6=32,6 года |
| Время окупаемости РФ | — | (175-25)/7,6=19,7 года |
Получился совсем плачевный результат.
Почему же тогда так получилось?
Все очень просто. Время окупаемости светодиодного светильника зависит от цены на электроэнергию и времени эксплуатации. Чем выше стоимость кВт*ч и количество часов работы, тем меньше срок окупаемости.
Проведя некоторые обратные вычисления, я понял, что производители светодиодных светильников совсем не жалеют нас (проектировщиков в том числе, т.к. мы тоже офисные работники), заставляют работать нас без выходных и установили на нас максимальный расчетный тариф за электроэнергию В общем они брали все по максимуму, чтобы получить минимальный срок окупаемости.
В этом случае у нас будет следующий результат .
| Светильник с люминесцентными лампами | Светодиодный светильник | |
| Расход электроэнергии в год, кВт | 0,072*2920=210,24 | 0,042*2920=122,64 |
| Стоимость электроэнергии в год (0,14$*кВт), $ | 210,24*0,14=29,4 | 122,64*0,14=17,2 |
| Экономия в год на электроэнергии, $ | — | 29,4-17,2=12,2 |
| Покупка светильников и ламп, $ | 25 | 175 |
| Обслуживание светильника в течение 10000 часов (3 года), $ | 4 – стоимость ламп; 4 – утилизация, замена ламп. | — |
| Экономия в год с учетом расходных материалов, $ | — | (12,2*3+8)/3=14,9 |
| Время окупаемости | — | (175-25)/14,9=10 год |
Честно говоря, я немного расстроен. Ожидал срок окупаемости светодиодного светильника хотя бы 5 лет. Производитель обещает 3,68 года, а на самом деле около 10 лет. Причем 10 лет, при условии, что офис будет работать без выходных и по максимальному расчетному тарифу.
Заявленные 70000 часов для светодиодного светильника это лишь теория, а на практике кто его знает, как он поведет себя через 5-10 лет.
Я думаю, к тому времени как он себя окупит, а по моим расчетам это 10 лет, этот светильник уже морально устареет, хоть и будет находиться в работоспособном состоянии.
В нынешних условиях производители светодиодных светильников будут только ЗА повышение цен на электроэнергию, поскольку применение светодиодных светлиьников на пряму зависит от цены на электроэнергию.
Светодиодные светильники выгодно ставить там, где высокая стоимость электроэнергии. Думаю это более актуально для стран Европы.
Может я не все учел или у вас имеется более точная информация по данной теме?
P.S. Я совсем не против светодиодных светильников. Просто я люблю цифры. На мой взгляд нужно еще снижать стоимость светодиодного светильника, чтобы его можно было применять повсеместно. У светодиодного светильника много достоинств по сравнению с люминесцентным светильником, но и есть один большой недостаток – цена.
Хочется задать один вопрос. А вы часто меняете лапочки в своей квартире? Это не занимает много времени, да и сами лампочки стоят не дорого. Но вам не кажется, что времена немного изменились? Развитие технологий в сфере электрики, а точнее приборов и источников освещения, в настоящее время позволяет подходить к решению данных вопросов с другой стороны.
Сравнение различных светодиодных ламп
На рынке представлено огромное количество лампочек, которые различаются по дизайнерскому исполнению, материалов из которых они изготовлены и по цветовой палитре. Но основные элементы, из которых состоят лампы, для всех видов неизменны.
Светодиодные лампы состоят из:
- Корпуса;
- Рассеивающей колбы;
- Светодиодов;
- Драйвер.
Важную роль в нормальной работе светодиодной лампочки играет ее корпус, в состав которого входит радиатор, цоколь и рассеивающий элемент. Радиатор данных ламп изготавливается из алюминия или его сплавов и имеет сложную форму, за счет которой обеспечивается качественный теплоотвод, что в свою очередь определяет долговечность работы самих светодиодов.
В случае, если радиатор небольшого размера, или изготовлен из некачественных материалов, то срок службы данной лампы сокращается в несколько раз, из – за долговременного перегрева светодиодов. Основную массу светодиодной лампы составляет вес радиатора.
Некачественное соединение пластины со светодиодами к радиатору, не способно качественно отводить тепло.
Для бесперебойной и долговечной работы светодиодов, необходимо ограничивать ток. Данную функцию выполняет драйвер. На рынке представлены два вида ограничителей: при помощи конденсатора, и драйвера.
Существует огромное количество светодиодов различных производителей. Основным параметром светодиодов является количество Люмен/Ватт (яркость или светоотдача). Чем дороже светодиод, тем он качественней. Такие светодиоды ярче светятся, меньше греются, это определяет сколько прослужит лампа.
При сравнении разных по цене светодиодных ламп, было отмечено, что более дорогие модели меньше греются, нет видимого мерцания, и данные лапы обладают более высокой светоотдачей.
Мощность светодиодной лампочки
Исследованиями доказано, что наиболее экономичны и совершенны технологически, являются лампы на основе светодиодов. Но на современном рынке представлены и другие виды ламп, которые нашли широкое применение для частного и промышленного использования.
Виды источников света (лампы):
- Накаливания;
- Люминесцентные;
- Галогенные.
Все эти источники света отличаются друг от друга по многим параметрам, но для каждого из них производителями заявлена определенная мощность и сила светового потока.
Мощность всех потребителей электроэнергии измеряется в Ваттах, что означает, мощность любой лампы, как и мощность различных электроприборов можно измерить при помощи Ваттметра.
Мощность светодиодных ламп, является их важнейшей характеристикой, так как данный параметр непосредственно виляет на количество и силу света лампы. Но стоит понимать, что мощность лампы, не является прямым фактором, указывающим на световую отдачу. Это говорит о том, что с развитием светодиодных технологий, производители стараются увеличить светоотдачу с одного потребляемого Ватта электроэнергии.
Например, светодиодная лампа одного и того же вида, но разного поколения при одинаковой светоотдаче, способна снизить энергопотребление на 10%. А это, в свою очередь выгодно с экономической точки зрения для тех, кто приобретает данный вид продукта.
Важно знать! Указанные на упаковке мощность и светоотдача, могут не соответствовать параметрам лампочки, из – за недобросовестности производителей.
Так же, стоит отметить, что одинаковая мощность ламп разных производителей никаким образом не влияет на светоотдачу. На этот параметр непосредственно указывают цифры силы светового потока, которые по тем или иным причинам у каждого производителя разные. Например, светодиодная лампа одного производителя на 10 Ватт, будет выдавать световой поток 700 – 800 Люмен, а лампа другого производителя 600 – 650 Люмен.
Потребляемая мощность светодиодных ламп варьируется от 2 до 30 Ватт.
КПД светодиодной и лампы накаливания: соответствие
Светодиодные лампы, являются отличной альтернативой обычным лампам накаливания, а так же обладают качествами, которые способствуют наиболее комфортному их использованию.
Преимущества светодиодных ламп:
- Низкое энергопотребление;
- Эффективная светоотдача;
- Высокий световой поток;
- Низкая температура работы.
Замену обычных ламп накаливания на источники света на основе светодиодов, следует производить грамотно. Так как, для того, чтобы получить нужный световой поток, необходимо сравнить значения яркости различных видов ламп и осуществить перевод значения яркости и мощности.
Таблица значений светодиодных и ламп накаливания:
|
Светодиодная лампа, модность, Ватт |
Лампа накаливания, мощность, Ватт |
Поток световой, Люмен |
Используя данную таблицу, вы легко сделаете перевод и справитесь с подбором светодиодных ламп на замену устаревшим моделям ламп накаливания по мощности и количеству светового потока.
Согласно характеристикам видно, что светодиодная лампа 10 Ватт, световым потоком ровняется лампе накаливания на 60 Ватт.
Важно знать! Срок службы светодиодных ламп, в десятки раз превосходит время эксплуатации ламп накаливания.
Для того, чтобы, не возникало вопросов при выборе нужных светодиодных источников света, нужно знать, что используемый цоколь маркируется Е27. Светодиодные лампы с использованием данного цоколя представляют собой форму свечи, груши и других различных форм.
Применяя эти знания, вам не придется вместе с лампами покупать подходящие осветительные приборы что, несомненно, упростит работы по замене ламп на более экономичные.
Отличие светодиодных ламп от энергосберегающих
Светодиодные и энергосберегающие лампы, существенно отличаются друг от друга не только формой и содержанием, но и принципом работы (признакам, по которым происходит свечение).
Данные виды ламп сравнивают по:
- Яркости;
- Теплоотдаче при работе;
- Долговечности.
Светодиодная лампа, по своей сути является твердотельным источником света, работа которого основана на излучении света при прохождении электрического тока, через полупроводники, которые в свою очередь для этого предназначены.
Работа энергосберегающих ламп основана на принципе работы люминесцентных, что позволяет при низких энергозатратах производить нужный световой поток. И если сравнить лампы подходящие под это определение, то с уверенностью можно сказать, что энергосберегающими являются только флуоресцентные.
Для того, чтобы определить, какая лампа лучше светит и сколько при этом затрачивает электроэнергии, возьмем для сравнения светодиодную и энергосберегающую лампы. Световой поток светодиодной лампы на 12 Ватт, составляет 900 Люмен, а энергосберегающая лампа той же мощности выдает 600 Люмен. Это говорит о том, что с экономической точки зрения выгодны оба вида ламп.
Низкая температура работы светодиодных ламп позволяет встраивать их в соответствии с любыми дизайнерскими решениями.
Если сравнивать эти виды ламп по количеству исходящего тепла, то в этом случае результаты сильно расходятся. Светодиодная лампа на 12 Ватт при работе нагревается не более чем до 31 0 С, а вот нагрев энергосберегающей соответствует 80 0 С.
А говоря о времени эксплуатации, то для энергосберегающих она составляет 8000 часов, а для светодиодных до 50000 часов.
Современные светодиодные лампы: мощность в таблице (видео)
Светодиодные технологии, постепенно вытесняют устаревшие. Связано это с тем, что несмотря на более высокую стоимость при покупке, данный вид освещения позволяет экономить в последующем.
Со времен изобретения электрического освещения учеными создавались все более экономичные источники. Но настоящим прорывом в этой области стало изобретение светодиодов, которые не уступают по силе светового потока предшественникам, однако расходуют во много раз меньше электроэнергии. Их созданию, начиная от первого индикаторного элемента и заканчивая ярчайшим на сегодня диодом «Cree», предшествовало огромное количество работы. Сегодня мы попробуем разобрать различные характеристики светодиодов, узнаем, как эволюционировали эти элементы и как их классифицируют.
Читайте в статье:
Принцип работы и устройство световых диодов
Светодиоды отличает от привычных осветительных приборов отсутствие в нем нити накала, хрупкой колбы и газа в ней. Это принципиально отличный от них элемент. Говоря научным языком, свечение создается за счет наличия в нем материалов р- и n-типа. Первые накапливают положительный заряд, а вторые – отрицательный. Материалы р-типа накапливают в себе электроны, в то время, как в n-типе образуются дырки (места, где электроны отсутствуют). В момент появления на контактах электрического заряда они устремляются к р-n-переходу, где каждый электрон инжектируется именно в р-тип. Со стороны обратного, отрицательного контакта n-типа в результате подобного движения и возникает свечение. Оно обусловлено выделением фотонов. При этом не все фотоны излучают видимый человеческим глазом свет. Сила, которая заставляет двигаться электроны, называется током светодиода.
Эта информация ни к чему обычному обывателю. Достаточно знать, что светодиод имеет прочный корпус и контакты, которых может быть от 2-х до 4-х, а также то, что каждый светодиод имеет свое номинальное напряжение, необходимое для свечения.
Полезно знать! Подключение производится всегда в одинаковом порядке. Это значит, что если к контакту «-» на элементе подключить «+», то свечения не будет – материалы р-типа просто не смогут зарядиться, а значит не будет и движения к переходу.
Классификация светодиодов по их области применения
Такие элементы могут быть индикаторными и осветительными. Первые были изобретены раньше вторых, при этом они уже давно используются в радиоэлектронике. А вот с появлением первого осветительного светодиода начался настоящий прорыв в электротехнике. Спрос на осветительные приборы подобного типа неуклонно растет. Но и прогресс не стоит на месте – изобретаются и внедряются в производство все новые виды, которые становятся все ярче, не потребляя при этом больше энергии. Разберем более подробно, какими бывают светодиоды.
Индикаторные светодиоды: немного истории
Первый такой светодиод красного цвета был создан в середине ХХ века. Хотя он имел низкую энергоэффективность и излучал тусклое свечение, направление оказалось перспективным и разработки в этой обрасти продолжились. В 70-х годах появляются зеленые и желтые элементы, а работы по их усовершенствованию не прекращаются. К 90-му году сила их светового потока достигает 1 Люмена.
1993 год ознаменован появлением в Японии первого синего светодиода, который был намного ярче предшественников. Это означало, что теперь, совмещая три цвета (которые и составляют все оттенки радуги), можно получить любой. В начале 2000-х сила светового потока уже достигает 100 Люмен. В наше время светодиоды не перестают совершенствоваться, наращивая яркость без увеличения потребляемой мощности.
Использование светодиодов в бытовом и промышленном освещении
Сейчас подобные элементы используются во всех отраслях, будь то машино- или автомобилестроение, освещение производственных цехов, улиц или квартир. Если взять последние разработки, то можно сказать, что даже характеристики светодиодов для фонариков порой не уступают старым галогеновым лампам на 220 В. Попробуем привести один пример. Если взять характеристики светодиода 3 Вт, то они будут сопоставимы с данными лампы накаливания с потреблением 20-25 Вт. Получается экономия электроэнергии почти в 10 раз, что при ежедневном постоянном использовании в квартире дает весьма существенную выгоду.
Чем хороши светодиоды и есть ли в них минусы
О положительных качествах световых диодов можно сказать многое. Основными из них можно назвать:
Что же касается отрицательных сторон, то их всего две:
- Работают только с постоянным напряжением;
- Вытекает из первого – высокая стоимость ламп на их основе по причине необходимости использования (электронного стабилизирующего блока).
Каковы основные характеристики светодиодов?
При выборе таких элементов для той или иной цели, каждый обращает внимание на их технические данные. Основное, на что следует обратить внимание, приобретая приборы на их основе:
- ток потребления;
- номинальное напряжение;
- потребляемая мощность;
- температура цвета;
- сила светового потока.
Это то, что мы можем увидеть на маркировке . На самом же деле, характеристик намного больше. О них сейчас и поговорим.
Ток потребления светодиода – что это такое
Ток потребления светодиода равен 0.02 А. Но это относится лишь к элементам с одним кристаллом. Существуют и более мощные световые диоды, в составе которых может быть 2, 3 и даже 4 кристалла. В этом случае ток потребления будет увеличиваться, кратно числу чипов. Именно этот параметр и диктует необходимость подбора резистора, который впаивается на вводе. В этом случае сопротивление светодиода не дает высокому току мгновенно сжечь LED элемент. Это может произойти по причине высокого тока сети.
Номинальное напряжение
Напряжение светодиода имеет прямую зависимость от его цвета. Это происходит по причине разности материалов для их изготовления. Рассмотрим эту зависимость.
| Цвет светодиода | Материал | Прямое напряжение при 20 мА | |
|---|---|---|---|
| Типовое значение (В) | Диапазон (В) |
||
| ИК | GaAs, GaAlAs | 1,2 | 1,1-1,6 |
| Красный | GaAsP, GaP, AlInGaP | 2,0 | 1,5-2,6 |
| Оранжевый | GaAsP, GaP, AlGaInP | 2,0 | 1,7-2,8 |
| Желтый | GaAsP, AlInGaP, GaP | 2,0 | 1,7-2,5 |
| Зеленый | GaP, InGaN | 2,2 | 1,7-4,0 |
| Голубой | ZnSe, InGaN | 3,6 | 3,2-4,5 |
| Белый | Синий/УФ диод с люминофором | 3,6 | 2,7-4,3 |
Сопротивление световых диодов
Сам по себе один и тот же светодиод может иметь различное сопротивление. Меняется оно в зависимости от включения в цепь. В одну сторону – около 1 кОм, в другую – несколько МОм. Но здесь есть свой нюанс. Сопротивление светодиода нелинейно. Это значит, что оно может изменяться в зависимости от подаваемого на него напряжения. Чем выше напряжение, тем ниже будет сопротивление.
Светоотдача и угол свечения
Угол светового потока светодиодов может различаться, в зависимости от их формы и материала изготовления. Он не может превышать 120 0 . По этой причине, если требуется большее рассеивание, применяют специальные отражатели и линзы. Это качество «направленного света» и способствует наибольшей силе светового потока, которая может достигать 300-350 Лм у одного светодиода на 3 Вт.
Мощность светодиодных ламп
Мощность светодиода – величина сугубо индивидуальная. Она может варьироваться в диапазоне от 0.5 до 3 Вт. Определить ее можно по закону Ома P = I × U , где I – сила тока, а U – напряжение светодиода.
Мощность – довольно важный показатель. Особенно когда необходимо рассчитать какой необходим для того или иного количества элементов.
Цветовая температура
Этот параметр схож с другими лампами. Наиболее приближены то температурному спектру к светодиодным люминесцентные лампы. Измеряется цветовая температура в К (Кельвин). Свечение может быть теплым (2700-3000К), нейтральным (3500-4000К) или холодным (5700-7000К). На самом деле оттенков много больше, здесь указаны основные.
Размер чипа LED элемента
Этот параметр самостоятельно измерить при покупке не удастся и сейчас уважаемому читателю станет понятно почему. Самые распространенные размеры – это 45х45 mil и 30х30 mil (соответствуют 1 Вт), 24х40 mil (0.75 Вт) и 24х24 mil (0.5 Вт). Если перевести в более привычную систему измерений, то 30х30 mil будут равны 0.762х0.762мм.
Чипов (кристаллов) в одном светодиоде может быть много. Если элемент не имеет слоя люминофора (RGB – цветной), то количество кристаллов можно подсчитать.
Важно! Не стоит приобретать очень дешевые светодиоды китайского производства. Они могут оказаться не только низкого качества, но и характеристики их чаще всего завышены.
Что такое SMD светодиоды: их характеристики и отличие от обычных
Четкая расшифровка этой аббревиатуры выглядит как Surface Mount Devices, что в буквальном переводе означает «монтируемый на поверхности». Чтобы было понятнее, можно вспомнить, что обычные световые диоды цилиндрической формы на ножках утапливаются ими в плату и припаиваются с другой стороны. В отличие от них SMD-компоненты фиксируются лапками с той же стороны, где находятся и сами. Такой монтаж дает возможность создания двусторонних печатных плат.
Такие светодиоды намного ярче и компактнее обычных и являются элементами нового поколения. Их габариты указываются в маркировке. Но не стоит путать размер SMD светодиода и кристалла (чипа) которых в составе компонента может быть множество. Разберем несколько таких световых диодов.
Параметры LED SMD2835: размеры и характеристики
Многие начинающие мастера путают маркировку SMD2835 с SMD3528. С одной стороны они должны быть одинаковы, ведь маркировка указывает, что эти светодиоды имеют размер 2.8х3.5 мм и 3.5 на 2.8 мм, что одно и то же. Однако это заблуждение. Технические характеристики светодиода SMD2835 намного выше, при этом он имеет толщину всего 0.7 мм против 2 мм у SMD3528. Рассмотрим данные SMD2835 с различной мощностью:
| Параметр | Китайский 2835 | 2835 0,2W | 2835 0,5W | 2835 1W |
|---|---|---|---|---|
| Сила светового потока, Лм | 8 | 20 | 50 | 100 |
| Потребляемая мощность, Вт | 0,09 | 0,2 | 0,5 | 1 |
| Температура, в градусах С | +60 | +80 | +80 | +110 |
| Ток потребления, мА | 25 | 60 | 150 | 300 |
| Напряжение, В | 3,2 | |||
Как можно понять, технические характеристики SMD2835 могут быть довольно разнообразны. Все зависит от количества и качества кристаллов.
Характеристики светодиода 5050: более габаритный SMD-компонент
Довольно удивительно, что при больших габаритах этот светодиод имеет меньшую силу светового потока, чем предыдущий вариант – всего 18-20 Лм. Причиной этому малое количество кристаллов – обычно их всего два. Наиболее распространенное применение такие элементы нашли в светодиодных лентах. Плотность из в полосе обычно составляет 60 шт/м, что в общей сложности дает около 900 Лм/м. Достоинство их в этом случае в том, что лента дает равномерный спокойный свет. При этом угол ее освещения максимальный и равен 120 0 .
Выпускаются такие элементы с белым свечением (холодного или теплого оттенка), одноцветными (красный, синий или зеленый), трехцветными (RGB), а так же четырехцветными (RGBW).
Характеристики светодиодов SMD5730
По сравнению с этим компонентом, предыдущие уже считаются устаревшими. Их уже можно назвать даже сверх яркими светодиодами. 3 вольта, которые питают и 5050, и 2835 выдают здесь до 50 Лм при 0.5 Вт. Технические характеристики SMD5730 на порядок выше, а значит их необходимо рассмотреть.
И все-таки это не самый яркий из SMD-компонентов светодиод. Сравнительно недавно на российском рынке появились элементы, которые в прямом смысле «заткнули за пояс» все остальные. О них сейчас и пойдет речь.
Светодиоды «Cree»: характеристики и технические данные
На сегодняшний день аналогов продукции фирмы Cree не существует. Характеристики сверх ярких светодиодов их производства действительно поражают. Если предыдущие элементы могли похвастаться силой светового потока лишь в 50 Лм с одного кристалла, то, к примеру, характеристики светодиода XHP35 от «Cree» говорят о 1300-1500 Лм так же от одного чипа. Но и мощность их больше – она составляет 13 Вт.
Если обобщить характеристики различных модификаций и моделей светодиодов этой марки, то можно увидеть следующее:
Сила светового потока SMD LED «Cree» называется бином, который в обязательном порядке проставляется на упаковке. В последнее время появилось очень много подделок под эту марку, в основном китайского производства. При покупке их сложно отличить, а вот уже через месяц использования их свет тускнеет и они перестают отличаться от других. При довольно высокой стоимости такое приобретение станет довольно неприятным сюрпризом.
Предлагаем Вам небольшое видео на эту тему:
Проверка светодиода мультиметром – как ее выполнить
Самым простым и доступным способом является «прозвонка». На мультиметрах есть отдельное положение переключателя, специально для диодов. Переключив прибор в нужную позицию, прикасаемся щупами к ножкам светодиода. Если на дисплее высветилась цифра «1», следует поменять полярность. В этом положении зуммер мультиметра должен издавать звуковой сигнал, а светодиод светиться. Если подобного не произошло, значит, он вышел из строя. Если же световой диод исправен, но при впайке его в схему не работает, этому может быть две причины – неправильное его расположение или выход из строя резистора (у современных SMD-компонентов он уже встроен, что будет ясно в процессе «прозвонки»).
Цветовая маркировка световых диодов
Общепринятой мировой маркировки подобных изделий не существует, каждый производитель обозначает цвет так, как ему это удобно. В России применяют цветовую маркировку светодиодов, но ею мало кто пользуется, потому, как список элементов с буквенными обозначениями довольно внушителен и запоминать его вряд ли кому-то захочется. Наиболее распространенно буквенное обозначение, которое многие и считают общепринятым. Но такая маркировка чаще встречается не на мощных элементах, а на светодиодных лентах.
Расшифровка кода маркировки светодиодной ленты
Для того, чтобы понять, как маркируется лента, нужно обратить внимание на таблицу:
| Позиция в коде | Назначение | Обозначения | Расшифровка обозначения |
|---|---|---|---|
| 1 | Источник света | LED | Светодиод |
| 2 | Цвет свечения | R | Красный |
| G | Зеленый | ||
| B | Синий | ||
| RGB | Любой | ||
| CW | Белый | ||
| 3 | Способ монтажа | SMD | Surface Mounted Device (Устройство, монтируемое на поверхность) |
| 4 | Размер чипа | 3028 | 3,0 х 2,8 мм |
| 3528 | 3,5 х 2,8 мм | ||
| 2835 | 2,8 х 3,5 мм | ||
| 5050 | 5,0 х 5,0 мм | ||
| 5 | Количество светодиодов на метр длины | 30 | |
| 60 | |||
| 120 | |||
| 6 | Степень защиты: | IP | International Protection |
| 7 | От проникновения твердых предметов | 0-6 | Согласно ГОСТ 14254-96 (стандарт МЭК 529-89) «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP)» |
| 8 | От проникновения жидкости | 0-6 |
Для примера возьмем конкретную маркировку LED CW SMD5050/60 IP68. Из нее можно понять, что перед нами светодиодная лента белого цвета для поверхностного монтажа. Элементы, установленные на ней, имеют размер 5х5мм, в количестве 60 шт/м. Степень защиты позволяет ей длительное время работать под водой.
Что можно сделать из светодиодов своими руками?
Это вопрос очень интересный. И если отвечать на него развернуто, то на это уйдет очень много времени. Наиболее частое применение световых диодов – это подсветка подвесных и натяжных потолков, рабочей зоны на кухне или даже клавиатуры компьютера.
Мнение эксперта
Инженер-проектировщик ЭС, ЭМ, ЭО (электроснабжение, электрооборудование, внутреннее освещение) ООО "АСП Северо-Запад"
Спросить у специалиста“Для работы таких элементов необходим стабилизатор питания или контроллер. Его можно взять даже со старой китайской гирлянды. Многие «умельцы» пишут, что достаточно обычного понижающего трансформатора, но это не так. В этом случае диоды будут моргать.”
Стабилизатор тока – какую функцию он выполняет
Стабилизатор для светодиодов – это источник питания, который понижает напряжение и выравнивает ток. Другими словами, создает условия для нормальной работы элементов. При этом он защищает от повышения или падения напряжения на светодиодах. Существуют стабилизаторы, которые могут не только регулировать напряжение, обеспечивая плавное затухание световых элементов, но и управлять режимами цвета или мерцания. Они называются контроллерами. Подобные устройства можно увидеть на гирляндах. Так же они продаются в магазинах электротехники для коммутации с RGB-лентами. Такие контроллеры оснащаются пультами дистанционного управления.
Схема такого устройства не сложна, и при желании простейший стабилизатор можно изготовить и своими руками. Для этого понадобятся лишь небольшие знания в радиоэлектронике и умение держать в руках паяльник.
Дневные ходовые огни на автомобиль
Применение световых диодов в автомобильной промышленности довольно распространено. К примеру, ДХО изготавливаются исключительно с их помощью. Но если авто не оснащено ходовыми огнями, то их приобретение может ударить по карману. Многие автолюбители обходятся дешевой светодиодной лентой, но это не очень удачная мысль. Особенно, если сила ее светового потока невелика. Неплохим выходом может стать приобретение самоклеящейся ленты на диодах «Cree».
Вполне можно сделать ДХО и при помощи уже вышедших из строя, поместив внутрь старых корпусов новые, мощные диоды.
Важно! Дневные ходовые огни созданы именно для того, чтобы авто было заметно днем, а не ночью. Нет смысла проверять, как они будут светить, в темное время суток. ДХО должны быть заметны при свете солнца.
Мигающие светодиоды – для чего это нужно?
Неплохим вариантом использования подобных элементов станет рекламное табло. Но если оно будет статично светиться, то это не привлечет должного внимания. Основной задачей является сборка и спайка щита – для этого нужны некоторые навыки, приобрести которые несложно. После сборки можно вмонтировать контроллер от той же гирлянды. В результате получается мигающая реклама, которая явно привлечет внимание.
Цветомузыка на световых диодах – сложно ли ее сделать
Это работа уже не для новичков. Для того, чтобы собрать полноценную цветомузыку своими руками нужен не только точный расчет элементов, но и знания радиоэлектроники. Но все же простейший ее вариант вполне по силам каждому.
В магазинах радиоэлектроники всегда можно найти датчик звука, да и во многих современных выключателях он есть (свет по хлопку). Если у Вас есть светодиодная лента и стабилизатор, то пустив с блока питания «+» на полосу через подобную хлопушку можно добиться желаемого результата.
Индикатор напряжения: что делать, если он перегорел
Современные индикаторные отвертки состоят как раз из светового диода и сопротивлений с изолятором. Чаще всего это эбонитовая вставка. При перегорании элемента внутри его вполне можно заменить на новый. А цвет уже будет выбирать сам умелец.
Еще один из вариантов – это изготовление прозвонки цепи. Для этого понадобится 2 пальчиковых батарейки, провода и световой диод. Соединив элементы питания последовательно, одну их ножек элемента припаиваем к плюсу батареи. Провода будут идти от другой ножки и от минуса батареи. В итоге при замыкании диод засветится (если полярность не перепутать).
Схемы подключения светодиодов – как все правильно выполнить
Подобные элементы можно подключить двумя способами – последовательно и параллельно. При этом нельзя забывать, что световой диод должен быть расположен правильно. В противном случае схема работать не будет. В обычных элементах с цилиндрической формой это можно определить так: на катоде (-) виден флажок, он немного крупнее анода (+).
Как рассчитать сопротивление светодиода
Расчет сопротивления светового диода очень важен. Иначе элемент просто сгорит, не выдержав величины тока сети.
Сделать это можно по формуле:
R = (VS – VL ) / I , где
- VS – напряжение питания;
- VL – номинальное напряжение для светодиода;
- I – ток светодиода (обычно это 0.02 А, что равно 20 мА).
При желании возможно все. Схема довольно проста – используем блок питания от сломанного мобильного телефона или любой другой. Главное, чтобы в нем был выпрямитель. Важно не переусердствовать с нагрузкой (с численностью диодов), иначе есть риск сжечь блок питания. Стандартное зарядное устройство вполне выдержит 6-12 элементов. Можно смонтировать цветную подсветку для клавиатуры компьютера, взяв по 2 синих, белых, красных, зеленых и желтых элемента. Получается довольно красиво.
Полезная информация! Напряжение, которое выдает блок питания равно 3.7 В. Это значит, что диоды нужно соединить последовательно скоммутированными парами параллельно.
Параллельное и последовательное соединение: как они выполняются
По законам физики и электротехники при параллельном соединении напряжение распределяется равномерно по всем потребителям, оставаясь неизменным на каждом из них. При последовательном монтаже поток делится и на каждом из потребителей оно становится кратным их количеству. Иными словами если взять 8 световых диодов, соединенных последовательно, они будут нормально работать от 12 В. Если же из подключить параллельно – они сгорят.
Подключение световых диодов на 12 В как самый оптимальный вариант
Любая светодиодная лента рассчитана на подключение к стабилизатору, выдающему 12 или 24 В. На сегодняшний день на прилавках российских магазинов представлен огромный ассортимент изделий различных производителей с этими параметрами. Но все же преобладают ленты и контроллеры именно 12 В. Это напряжение более безопасно для человека, да и стоимость таких приборов более низка. О самостоятельном подключении к сети 12 В говорилось чуть выше, ну а с подключением к контроллеру проблем возникнуть не должно – к ним прилагается схема, с которой разберется даже школьник.
В заключение
Популярность, которую набирают световые диоды, не может не радовать. Ведь это заставляет прогресс двигаться вперед. И кто знает, быть может, уже в ближайшее время появятся новые светодиоды, которые будут на порядок выше по характеристикам, чем существующие сейчас.
Надеемся, наша статья была полезна уважаемому читателю. При возникновении вопросов по теме просим задавать их в обсуждениях. Наша команда всегда готова на них ответить. Пишите, делитесь опытом, ведь он может кому-то помочь.
Видео: как правильно подключить светодиод
