Сравниваем лампы накаливания и светодиодные – какие лучше? Светодиод — источник света нового поколения

Технико-экономические показатели светильников

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

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

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

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

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

Данные об измерительном оборудовании в Приложении 1.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для определения реальных светотехнических показателей производим следующие вычисления:

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

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

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

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

График стоимостей владения приборов в течение 5 лет

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

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

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

ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА (ПРА).

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

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

По типу источника света ПРА делятся:

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

По типу устройства и функционирования ПРА бывают:

• электромагнитные (ЭмПРА)
• электронные (ЭПРА)

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

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

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

Драйверы можно подразделить на две основные группы:

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

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

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

Наиболее распространенные значения тока - это 350 и 700 миллиампер.

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

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

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

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

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

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

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

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

←

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа светодиодов в схемах питания

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

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

Энергетический КПД

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

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

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

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

1. Излучение

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

2. Конвекция

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

3. Теплопроводность

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

4. Тепловое сопротивление

Суммарное тепловое сопротивление рассчитывается как:

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

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

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

Излучение

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

Конвекция

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

Теплопроводность

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

Пример расчета теплового сопротивления для белого светодиода

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

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

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

Максимальное тепловое сопротивление между запирающим слоем и окружением:

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

Согласно данным производителя, тепловое сопротивление светодиода

RthJS = 15 К/Вт

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

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

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

TJ= UF ? IF ? ?e? RthJS + ТS

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

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

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

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

• 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!