Кпд светодиода: эффективность светодиодной лампы и светильника

Как определить параметры тока для светодиода: способы, примеры расчета

Определение параметров неизвестного светодиода может быть произведено различными способами, на основе той или иной методики. Некоторые из них являются чисто математическими, полученными с помощью расчетов на основе полученных данных. Другие варианты предполагают проведение измерений характеристик светодиодов с помощью специальных приборов (тестеров или мультиметров).

Зачем нужно знать ток

Информация о том, какой потребляет ток данный светодиод, позволит избежать перегрузок или нарушения рабочего режима при эксплуатации светильников. Небольшое понижение напряжения способствует продлению срока службы, но превышение параметров резко ускоряет выход из строя отдельных элементов или всей цепи.

Если производится сборка цепи из большого количества светильников, обязательно измерьте силу тока и сравните полученное значение с паспортными данными. Если имеется превышение заданных 20 мА, необходимо увеличить гасящее сопротивление (подобрать резисторы с большим номиналом). Если ток в цепи окажется немного меньше (порядка 18 мА), то ничего исправлять не надо. Такое значение не сможет заметно снизить яркость свечения, но смягчит режим работы и позволит увеличить срок службы светильников.

Способы определения силы тока, напряжения и других параметров

Далеко не все знают, как определить ток и прочие параметры неизвестного светодиода. Существуют разные варианты, требующие определенных знаний и практической подготовки, или простого наличия измерительного прибора. От применяемой методики зависит точность и корректность проверки устройства. Пользователи обычно прибегают к наиболее простому и доступному для себя способу определения рабочих характеристик, хотя он может оказаться не самым эффективным. Известны следующие варианты:

• измерение специальными приборами (мультиметром);
• расчет параметров с использованием теоретических методик;
• визуальное определение типа светодиода.

Выбор того или иного типа проверки обусловлен возможностями и степенью подготовки пользователя. Рассмотрим их подробнее.

Мультиметром

Существует два основных рабочих параметра, подлежащих измерению тестером:

• рабочий ток;
• прямое падение напряжения.

Необходимо правильно определять анод и катод. У элементов обычной конструкции (с длинными ножками) анод более длинный. На впаянных в схему деталях проверку выполняют последовательным изменением полярности, если с первого раза она не была правильно определена. На мультиметре переключатель устанавливается в соответствующее положение:

• DCV — измерение постоянного напряжения;
• DCA — измерение постоянного тока до 200 мА.

Показания тестера дают достаточно точные данные, ограниченные лишь собственной погрешностью данного прибора. Ценность этого способа состоит в непосредственном измерении устройства, находящегося в конкретных условиях. Данные, отображающиеся на дисплее, позволяют делать выводы о режиме работы и состоянии как самого светодиода, так и всей схемы целиком.

По закону Ома

Теоретический метод определения параметров удобен тем, что позволяет обойтись без использования приборов и определить, сколько вольт в светодиоде, сугубо расчетным путем. Проверка состоит в расчете параметров по общеизвестной формуле:

Или, проще, напряжение равно произведению силы тока на сопротивление.

По внешнему виду

Визуальное определение параметров — весьма сомнительное занятие, дающее минимальное и не всегда корректное понятие. Однако, в ситуациях со светодиодами, внешние признаки иногда могут дать вполне достоверную информацию.

Например, синий оттенок в работающего элемента свидетельствует о завышенном напряжении питания. Прямое падение напряжения светодиодов обычно находится в определенных пределах, обеспечивающих заданный цвет элемента.

Изменение режима может говорить об отсутствии (или коротком замыкании) в цепи гасящего резистора.

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.

Схема подключения светодиодов с током 300мА к драйверу

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.

Схема светодиодной лампы с драйвером

Электронный драйвер устанавливается в светильниках большой мощности или в переносных устройствах, где экономия электроэнергии или ёмкости батарей важнее цены за устройство.

Как работает лампочка накаливания

Метод работы данного устройства так же прост, как и исполнение. Под воздействием электричества, пропускаемого сквозь тугоплавкий проводник, последний разогревается до большой температуры. Температура нагрева определяется подводимым к лампочке напряжением. Следуя закону Планка нагретый проводник генерирует электромагнитное излучение. По формуле при смене температуры меняется и максимум излучения. Чем больше нагрев, тем короче длина волны испускаемого света. Другими словами, от величины температуры проводника накала в лампочке зависит цвет свечения. Длина волны видного спектра достигается при нескольких тысячах градусов по Кельвину. К слову, температура Солнца около 5000 Кельвин. Лампа с такой цветовой температурой будет светить дневным нейтральным светом. При уменьшении нагрева проводника излучение станет желтеть, затем краснеть.

В лампочке только доля энергии переходит в видный свет, остальная же преобразуется в тепло. Причем только часть светового излучения видна человеку, остальное же излучение является инфракрасным. Отсюда возникает потребность повышения температуры излучающего проводника, чтобы видимого света стало больше, а инфракрасного излучения – меньше (другими словами, увеличение КПД). Но максимальная температура проводника накаливания ограничена характеристиками проводника, что не позволяет разогреть ее до 5770 Кельвин. Проводник из любого вещества при этом будет расплавляться, деформироваться или перестанет проводить ток. В настоящее время лампочки оснащаются вольфрамовыми нитями накаливания, выдерживающими 3410 градусов по Цельсию. Одним из главных свойств лампы накаливания является температура свечения. Чаще всего она составляет от 2200 до 3000 Кельвин, что позволяет испускать только желтый свет, а не дневной белый. Следует заметить, что на воздухе проводник из вольфрама при такой температуре сразу перейдет в оксид, во избежание чего нужно предотвратить контакт с кислородом. Для этого из колбы лампочки выкачивается воздух, чего хватает для создания 25-ваттных ламп. Более мощные лампочки содержат внутри себя инертный газ под давлением, что позволяет вольфраму служить дольше. Данная технология позволяет немного повысить температуру свечения лампы и приблизиться к дневному свету.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания бывают различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Они делятся на осветительные приборы:

• Общего применения. К ним относятся лампы бытового использования разной мощности, рассчитанные на сетевое напряжение в 220 В.
• Декоративного исполнения. Имеют нестандартные типы колб в виде свечей, сфер и других форм.
• Иллюминационного типа. Маломощные лампы с цветным покрытием для создания красочных иллюминаций.
• Местного назначения. Устройства безопасного напряжения до 40 В. Применяют на производственных столах, для освещения рабочих мест станков.
• С зеркальным покрытием. Лампы, создающие направленный свет.
• Сигнального типа. Служат для работы в приборных панелях различных устройств.
• Для транспорта. Широкая линейка ламп повышенной износостойкости и надежности. Характеризуются удобной конструкцией, предполагающей быструю замену.
• Для прожекторов. Лампы повышенной мощности, доходящей до 10 000 Вт.
• Для оптических устройств. Лампы для кинопроекторов и аналогичных устройств.
• Коммутаторные. Применяемые в качестве сегментов индикатора цифрового отображения измерительных приборов.

Деградация кристалла

Напомним, что светодиод белого свечения, как правило, представляет собой кристалл, излучающий синий цвет, который покрыт люминофором. Благодаря суммированию собственного излучения кристалла с индуцированным им излучением люминофора получается свет, воспринимаемый зрением, как белый. Применительно к светодиодом надо различать температуру, измеренную в разных точках: TB — монтажная плата, TS — подложка, TJ — p-n-переход, TA — окружающая среда (рис. 2).

Рис. 2. Температура светодиода, измеренная в разных точках

Деградация кристалла приводит к снижению мощности излучения. Одна из причин — рост количества дефектов кристаллической решетки. Области кристалла, где появились дефекты, не излучают свет, но при этом генерируют тепло.

Другая причина — электрическая миграция материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода.

Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода (если очень упростить ситуацию, то речь идет о температуре внутри кристалла). Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода. Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода.

Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. По мнению некоторых специалистов к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества, поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

То, что обещает производитель и реальные сроки службы

На упаковке светодиодных ламп указываются весьма привлекательные сроки службы. Они составляют до 50 тысяч часов. Несложный расчет дает интересный результат — если прибор работает в день 8 часов, общий срок эксплуатации составит около 17 лет. Однако, и здесь есть странные расхождения.

Технология производства светодиодов пpaктически аналогична во всем мире. Конструкция и принцип действия прибора не дают возможности отклонений от базовой методики. Это означает, что готовая продукция должна иметь примерно равные параметры. Однако, на пpaктике это не так. На одной упаковке написан срок 25 тысяч часов, на другой — все 50 тыс. Объяснить такое расхождение особенностями конструкции или разницей в условиях эксплуатации нельзя, так как источники света пpaктически одинаковы.

Недобросовестные производители светотехники часто завышают хаpaктеристики ламп. Этому имеются две причины:

• бaнaльный маркетинговый ход. Пользователь скорее купит LED светильник с высокими хаpaктеристиками, поэтому есть coблaзн несколько приукрасить реально существующую ситуацию;
• разница в условиях эксплуатации и тестовых испытаний.

Если с первой причиной все понятно, то со второй надо разобраться. Заводские испытания производятся в лабораторных условиях, оптимальных для эксплуатации осветительных приборов. Пользователь приобретает лампу для дома или других помещений, где условия работы далеко не идеальны. Поэтому всегда можно объяснить расхождения заявленных и реальных значений ресурса светильника несоблюдением правил эксплуатации.

Для светодиодных ламп требуется низковольтное питание — каждый излучающий кристалл потрeбляет примерно 3-4 В электроэнергии. Внутри (иногда — снаружи) каждого светильника установлен драйвер. Это источник питания, преобразующий поступающие 220 В переменного тока в необходимую для работы кристалла величину постоянного тока. Поэтому перепады напряжения в сети для LED не слишком опасны, преобразованное значение все равно будет соответствовать заданным значениям.

Гораздо опаснее для светодиодных ламп перегрев. Он ключевым образом влияет на состояние излучающего кристалла. Если лампа находится в нeблагоприятных температурных условиях, она быстро выйдет из строя. Единственным способом продлить срок ее службы является использование качественного теплоотведения, или изменение условий работы.

Что такое яркость светодиода и в чем она измеряется

Яркостью свечения называют показатель света, равный соотношению силы светового потока к косинусу угла, под которым он излучается, и освещаемой площади. Другое определение – освещенность в точке, перпендикулярной к источнику, к углу, в который заключен луч. Яркость свечения обозначается буквой «L», измеряется в милликанделах на метр в минус второй степени (кд*м-2). У обычных светодиодов яркость 20-50 мкд, у сверхярких – до 20 000 мкд. От этого показателя зависит восприятие предметов глазами человека.

Если говорить о светодиодах, то у них яркость свечения – это мощность (сила) света, измеряемая в ваттах и зависящая от угла конуса, основание которого расположено на освещаемой площади, вершина – в источнике света. При равном излучении во всех направлениях яркость свечения будет соотношением потока к пространственному углу (в градусах). Чаще всего градусы переводятся в стерадианы: sr = 2 π (1 – cos θ/2), где θ – угол луча.

Расчет эффективности

Изначально подсчитывается среднее энергопотребление. Для этого нужно умножить мощность на время. Например, в эксперименте использовалась светодиодная лампа мощностью ровно 50 Вт, то за 15 минут (что аналогично 900 сек.) затрачено 45000 Дж. Теперь произведем расчет КПД для светодиода, исходя из определения затрат в обоих экспериментах

Первый эксперимент: когда светодиод был заклеен, вода нагрелась с 22 до 57 градусов. Температурная разница составила 35 градусов. Зная удельную теплоемкость воды (4,2 тыс. Дж) и ее массу (250 мл – 0,25 кг), а также что потери на нагрев стекла колбы на каждый градус составили порядка 131 Дж, плюс на разогрев медного (теплоемкость 381 Дж) при массе 28 грамм светодиода, подставляем значения в формулу:

4200х0,25х35 (для воды 36750 Дж) + 131х35 (для колбы 4585 Дж) + 381х0,028х35 (для светодиода 373 Дж) = 41708 Дж.

Из соотношения получаем: 41708/45000 = 93%. Следовательно, порядка 7% – чистые тепловые потери от общего КПД данной светодиодной лампы.

Второй эксперимент: в аналогичном эксперименте с открытым светодиодом разница в нагреве воды составила 25 градусов подставляя ее значение в выше стоящую формулу, получаем = 26250 + 3275 + 266 = 29791 Дж.

Соотносим его с расчетной мощностью: 29791/45000 = 66%.

На чистую световую энергию ушло порядка 34% энергии, однако с учетом чисто тепловых потерь, равных 7%, КПД = всего 27%!

КПД фирменных светодиодов равен 24-28%. При этом это еще далеко не худший результат. Так у некачественных дешевых аналогов он может оказаться в 2-3 раза меньше.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

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

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

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

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

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

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

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

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

Вторая причина ухудшения эффективности светодиода при увеличении мощности – это паразитное внутреннее сопротивление.

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

Посмотрев на эту схему, сразу хочется избавиться от паразитного сопротивления. Ну или хотя бы уменьшить его, так как это делают с конденсаторами.

Как измерить КПД светодиода

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

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

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

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

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

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

Перед экспериментом заливаете во внутрь колбы 250мл дистиллированной воды.

Далее фиксируете начальную температуру жидкости.

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

Включаете питание и начинаете отсчет времени.

Через 10 минут выключаете напряжение и опять замеряете температуру воды.

При этом не забудьте хорошенько ее перемешать.

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

Опыт с заклеенным экземпляром повторяется опять в той же последовательности:

250мл дистиллированной воды

замер начальной температуры

10 минут ”свечения”

замер конечной температуры

1 of 4

После всех измерений и экспериментов, можно переходить к расчетам.

От чего зависит срок службы

Срок службы светодиода ограничен общими характеристиками данного светильника. Однако, основным фактором, позволяющим увеличить или уменьшить длительность работы, являются условия его эксплуатации. В этом отношении основным условием является качественное отведение тепла. Многие лампы имеют собственные радиаторы, забирающие тепловую энергию у кристаллов и рассеивающие ее в окружающее пространство.

Существует масса способов продлить срок службы светодиодных ламп. Все они позволяют усилить отдачу тепла. Здесь используются разные методы:

• периодическая чистка ламп с пылесосом (только без моющих средств);
• установка радиаторов;
• для светодиодных лент рекомендуется использовать алюминиевый профиль, который исключает нагрев.

Существуют специализированные фирмы, выполняющие установку освещения и создание для светодиодов оптимальных условий. Если самостоятельно решить вопрос не удается, рекомендуется обратиться к специалистам.

Как отличить качественную продукцию от некачественной

Внешне отличить подделку от оригинала невозможно. Этим пользуются недобросовестные производители. Множество неизвестных фирм выпускает светодиодные лампы под маркировкой известных брендов. Понятно, что их характеристики не соответствуют показателям оригинала.

Если в подлинности светодиодных ламп возникают сомнения, следует попросить у продавца сертификат соответствия. Он всегда есть у изделий известных фирм, и продавцы его предъявляют без возражений. Однако, если возникают какие-то затруднения и сертификата нет, следует поискать в другом магазине. Сегодня в торговых точках недостатка нет, и рисковать, приобретая сомнительную продукцию, незачем.

Световая эффективность и световая отдача

Зная радиометрическую мощность излучения, можно найти величину светового потока Ф1ит:

где Р(А) — спектральная плотность мощности, т. е. мощность света на единицу длины волны, а множитель 683 лм/Вт — коэффициент нормировки. При этом оптическая мощность источника излучения определяется выражением

У высокоэффективных однокристальных светодиодов видимого спектра величина светового потока при токе инжекции 100-1000 мА достигает 10-100 лм.

Световая эффективность оптического излучения

(иногда называемаяфункцией яркости илилюмен-эквивалентом), измеряемая в люменах на ватт оптической мощности, представляет собой коэффициент преобразования оптической мощности в световой поток:

Для строго монохроматических источников света (ДА —> 0) световая эффективность излучения совпадает с функцией чувствительности человеческого глаза У (А), умноженной на коэффициент 683 лм/Вт. Однако для многоцветных источников, особенно для источников белого света, для определения световой эффективности необходимо вычислять интеграл во всем диапазоне длин волн. На рис. 16.7 величина световой эффективности показана на правой ординате.

где произведение I ■ V

является входной электрической мощностью устройства. Заметим, что световая отдача иногда называетсясветовой эффективностью источника. Из уравнений (16.3) и (16.4) следует, что световая отдача источника света находится из произведения световой эффективности излучения на коэффициент преобразования электрической мощности в оптическую. В табл. 16.6 приведены значения световой отдачи наиболее распространенных источников света: ламп накаливания (а), флуоресцентных ламп (б), газоразрядных ламп (в).

Таблица 16.6. Световая отдача некоторых источников света

Источник света	Световая отдача, лм/Вт
Первая лампочка Эдисона (а)	1,4
Лампы с вольфрамовой нитью накала (а)	15-20
Кварцевые галогенные лампы (а)	20-25
Флуоресцентные лампы (б)	50-80
Ртутные лампы (в)	50-60
Металлогалогенные лампы (в)	80-125
Натриевые лампы высокого давления (в)	100-140

Световая отдача является важной характеристикой светодиодов видимого спектра, отражающей эффективность их работы. Для источников света с высоким коэффициентом преобразования электрической мощности в оптическую световая отдача близка к световой эффективности излучения

Упражнение.

Определение световой эффективности и световой отдачи светодиодов

Рассмотрим светодиоды красного и янтарного свечения, работающие на длинах волн 625 и 590 нм. Для упрощения расчетов предположим, что спектры излучения данных светодиодов монохроматические (ДА 0). Требуется определить световую эффективность и светоотдачу двух светодиодов, считая, что их внешний квантовый выход равен 50%. Предполагается, что для напояжения на светодиодах справедливо следующее соотношение:

где 1{\) — спектральная интенсивность излучения,

Вт/(нм • см^), А —площадь поверхности сферы. В табл. 16.7 приведено краткое описание основных параметров светодиодов.

Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Tweet Нравится

• Предыдущая запись: РАДИОЛОКАЦИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПЛАНЕТ
• Следующая запись: РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА – ЧАСТЬ 2

КОММУТИРУЕМОЙ АТТЕНЮАТОР МОЩНОСТИ (0)
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ (0)
ПРОСТОЙ КВАЗИКОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬМОЩНОСТИ (0)
80-ВАТТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ HA МИКРОСХЕМАХ (0)
Параллельное соединение источников питания (0)
Импульсный стабилизатор (0)
Электронные регуляторы и переключатели (0)

Где теряется производительность

В сами элементы заложены очень большие возможности. Теоретически, из расчета, КПД солнечной панели может составлять 80–87 %!

Но из практики мы знаем, что их эффективность крайне мала. Коэффициент полезного действия фактически находится в пределах 15–20 %. Именно такую часть электричества способны вырабатывать современные солнечные панели из всего солнечного потока, попадающего на принимающие фотоэлементы.

1. Несовершенство технологии производства.
2. Недостаточно чистые компоненты для изготовления.
3. Погрешности при сборке.

Это всего лишь малая часть тех составляющих причин, куда уходит энергоэффективность.

Также необходимо учитывать и погодные условия. Какая бы современная солнечная панель не была — она не будет эффективно работать, если солнце закрыто облаками или расположено над горизонтом. Эту причину сложно регулировать. Значит единственное средство — повышать эффективность самих панелей.

К этим перечисленным трудностям следует добавить и то, что процесс очистки и получения кристаллов сам по себе – достаточно дорогая процедура. Без этого необходимого комплекса высокотехнологичных работ, трудно добиться ожидаемого эффекта.

Конечно, есть солнечные панели с высоким КПД. Но их конечная стоимость настолько высока, что недоступна для массового покупателя.

Эффективность светодиодных светильников.

Эффективность осветительного прибора определяется количеством Люмен на 1 Ватт мощности, потребляемой прибором (Лм/Вт). Всех очень интересует один вопрос: сколько Люмен с Ватта выдают наши светильники. Да и не только наши. Ответить точно на этот вопрос практически невозможно. Дело в том, что отдача светодиодного светильника зависит от многих факторов, некоторые из которых переменны. Это касается в первую очередь температуры окружающей светильник среды во время работы. Лучшая эффективность светодиодного светильника будет в первую минуту его работы после включения в холодном (до +23 ºС) состоянии. По мере прогрева кристалла светодиода отдача светильника снижается. Если светильник плохо продуман, имеет некачественные детали, плохо собран, то тепло от светодиодов передаётся на радиатор плохо, а это приводит к ещё большим потерям эффективности. Есть производители светодиодов, которые указывают световую отдачу в двух вариантах – в холодном и в прогретом. В технической документации даны таблицы, позволяющие определить световой поток, исходящий от светодиода при определённой температуре кристалла. Проблема в том, что очень сложно достоверно определить температуру кристалла у собранного и работающего светодиодного светильника. Многие думают, что если в светодиодном светильнике стоят диоды с отдачей 145 Лм/Вт, то и светильник в целом имеет ту же отдачу. Это не верно. Вспомним, что для работы светодиодных модулей установлен трансформатор. Точнее стабилизирующий источник постоянного тока. У него есть свой КПД. Все отлично понимают, что не бывает КПД 100%. Как правило, КПД современных блоков питания у светодиодных светильников очень высок и составляет около 90%. То есть, если Вы проверите потребления светильника, и показания прибора будут, допустим, 60 Вт, то на диод из них уходит около 54 Вт (60*0.9). Значит, на блоке питания мы теряем 6 Вт. Это первое снижение эффективности светового потока светильника против светового потока светодиода. Далее вспомним, что светодиод, как правило, прикрыт каким-либо стеклом, рассеивателем, линзой и т.п. Очевидно, свет будет несколько теряться и при прохождении этой преграды. Потери зависят от типа защитного стекла и колеблются в широких пределах – примерно от 5 до 20%. То есть от потока светодиода надо отнять порядка 10%, которые будут обязательно потеряны на стекле. Итого мы уже теряем порядка 20% эффективности светильника в сборе против эффективности светодиода отдельно.

Источник



Определение светового потока

Каждый источник света обладает своим показателем светового потока, сведения о котором должны находиться на упаковке изделия или в инструкции по эксплуатации. Делая качественное освещение, надо знать, что мощность лампы играет главную роль, определяющую светопоток. Но обязательно надо учитывать световую отдачу, измеряемую в люменах. Все эти параметры являются важными с точки зрения экономии электроэнергии.

По законам физики максимальный показатель светоотдачи любых ламп равен 683 Лм/Вт. Во время преобразования электроэнергии в световой луч появляются потери, которые препятствуют достижению большего показателя. Если брать в сравнение обычные лампы накаливания и энергосберегающие, то показатель первых равен 12 Лм/Вт, а показатель вторых – 60 Лм/Вт. Самый высокий показатель дают светодиодные лампы – 70-90 Лм/Вт. Чтобы проще определить светопоток разных источников света, существует таблица. В ней можно даже сделать сравнение, например, светодиодных и обычных ламп накаливания.

В таблице точно указан показатель для светодиодных, люминесцентных и ламп накаливания, при условии, что они новые. С длительностью эксплуатации любой лампы размер ее потока уменьшается. Этот фактор надо учитывать при обустройстве освещения каждой комнаты помещения.

Существует другой фактор, ухудшающий показатель потока света – это сам светильник. От качества материалов, из которых он собран, зависит размер потерь. Они могут составить от 20 до 80%:

1. Наибольший процент потерь имеют осветительные приборы с энергосберегающей или обычной лампой накаливания. Здесь вся проблема заключается в качественном отражателе, установленном в светильнике. Во время свечения лампы угол рассеивания составляет 360о, то есть поток света направлен во все стороны. Отражатель светильника направляет поток в одну сторону, что создает некоторый процент потерь.

2. Наименьшими потерями обладает светодиодная лампа или светильник. Их конструкция состоит из светодиодов, освещающих пространство перед собой. Имея поток свечения в одном направлении, LED лампа не требует использования дополнительного отражателя. Для направления свечения по сторонам, светодиоды располагают на наклонной плоскости под разным углом или используют рассеивающие колбы. Наиболее распространены приборы с углом рассеивания от 120 до 170о. Их потери составляют не более 5% за счет использования фокусирующих линз и защитных накладок.

3. На многих светильниках установлены рефлекторные стекла для рассеивания света. Качество их исполнения так же влияет на уровень потока. Так, мощная светодиодная лампа светильника с плохим рефлектором отдаст меньший поток света, чем маломощный осветительный прибор без рассеивателя.

Эффективный и полный срок службы

На каждый стандартный тип светодиодов существует техническая документация (datasheet), где приводится графическая зависимость относительного светового потока (%) от времени работы (ч) при определенной температуре окружающей среды.

Примечательно, что данные приводятся только для первых 3000 часов эксплуатации, в течение которых яркость падает как минимум на 5%, а далее зависимость имеет линейный характер. На самом деле кривая имеет больший наклон за счет неидеальных условий эксплуатации. Причём постепенная потеря яркости никак не отображается в технических характеристиках лампочек.

Производителям led ламп и led светильников гораздо выгоднее указывать в спецификации к изделию полный срок службы светодиода, приятно удивляя покупателя числом с четырьмя нулями. На самом деле более корректно указывать эффективный срок службы светодиодных светильников и ламп в соответствии со стандартом IES LM-80 (методы измерений светового потока led источников света). В соответствии с п.3.6 IES LM-80 эффективный срок службы – это время, в течение которого световой поток снизится до 50% или 70% от начального значения и обозначается L50 и L70 соответственно. Кроме этого, на эффективный срок эксплуатации влияет время, за которое выйдет из строя половина светильников по причине:

• низкой светоотдачи В50;
• неисправности в электрической цепи F50.

Поэтому полный срок службы – это не более чем теоретический расчёт, предоставленный производителем светодиодов, и к готовым осветительным приборам этот показатель никакого отношения не имеет. Вся светодиодная продукция: лампы, светильники, ленты – это сложная электромеханическая система, состоящая из несколько взаимосвязанных блоков:

• светодиодов;
• печатной платы;
• источника питания;
• оптики;
• теплоотвода;
• корпуса;
• соединительных проводов.

Перечисленные элементы системы оказывают непосредственное влияние на продолжительность её работы. Сбой в работе одной составляющей спровоцирует поломку всей системы. Это правило касается и UV led-ламп для сушки ногтей. УФ-диоды обладают такими же свойствами, как и обычные светодиоды. Поэтому срок службы светодиодной УФ-лампы для полимеризации геля также зависит от качества применённых деталей.

Основные выводы

КПД – важнейший
параметр в эксплуатации светодиодов. Чтобы измерить его в домашних условиях,
необходимо провести ряд измерений. Для этого потребуется элементарный
колориметр (например, можно взять термос), термометр и секундомер. Алгоритм
действий в опыте следующий:

1. В колбу
   наливается стакан чистой воды и измеряется его температура.
2. Затем в нее
   полностью погружается подготовленный светодиод и подключается к сети.
3. Через
   определенное время снова измеряется температура воды.

Измерения проводятся дважды – с открытым кристаллом и закрытым непрозрачной материей. На основании полученных данных по термодинамическим формулам вычисляются тепловые потери и рассчитывается КПД.

Для всех современных
светодиодов хаpaктерна такая особенность, что с увеличением мощности,
происходит падение КПД. Связанно это с особенностями полупроводниковой матрицы
и увеличивающимся нагревом, приводящем к постепенной деградации последней. Повысить
эффективность и долговечность можно, используя вместо одного диода сразу
несколько через параллельное соединение или поставив на его место более мощный.

ПредыдущаяСветодиодыКак сделать зеркало с подсветкой своими руками: инструменты, выбор ленты, инструкцияСледующаяСветодиодыОсобенности, применение и инструкция по изготовлению светорассеивателя для светодиодной ленты