Технические особенности применения светодиодов. Технико-экономические показатели светодиодных светильников

После написания предыдущей статьи 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 статьи iva2000 , 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:

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:

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!

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!

Светодиодных ламп Современные обладают достаточной яркостью, что нельзя было сказать о светодиодах прошлого поколения, у которых небольшая яркость существенно ограничивала их применение. В настоящее время,..

КПД . Коэффициент полезного действия современныхСветодиодных ламп составляет 22%. Кроме высокого КПД, светодиодные лампы могут похвастаться и большой долговечностью, в плоть, до 50000 часов, что в свою очередь эквивалентно 17-ти годам работы, по 8-мь часов в день.Современные обладают достаточной яркостью, что нельзя было сказать о светодиодах прошлого поколения, у которых небольшая яркость существенно ограничивала их применение. В настоящее время, после того, как был решен вопрос ояркости Светодиодов , их популярность резко возросла. Несмотря на высокую стоимость , но благодаря высокому КПД, сроку эксплуатации и существенной экономии на электроэнергии и монтажных работах светодиоды завоевывают все большую и большую популярность. Кроме того, большой эксплуатационный ресурс светодиодных ламп позволяет устанавливать их в труднодоступных местах, особенно это актуально при использовании Светодиодов в . За более чем 130-ти летнюю историю, лампы накаливания, доминирующие все это время в мире светотехники, обладали большим количеством недостатков: это и хрупкая нить, способная выйти из строя во время встряски, и большим процентов выхода тепла, что значительно снижает соотношение полезной мощности к световому потоку. КПД обычных ламп накаливания составляет всего, 2.6%. Более продвинутая, в технологическом смысле, люминесцентная лампа обладает несколько большим КПД, составляющим 8.7%, так же внесла существенную лепту в экономию электроэнергии. Применение люминесцентных ламп выявило несколько существенных недостатков: это и короткий срок эксплуатации в реальных условиях, возможное мерцание, и возможный отказ во включении при низких температурах, а также мигание при недостатке напряжения. Кроме того, перегоревшие люминесцентные лампы нуждаются в специальной утилизации. Люминесцентные лампы крайне негативно относятся к прерывистому циклу эксплуатации, включение-выключение.

обладают высоким КПД, низким потреблением электроэнергии и большим сроком эксплуатации, ярким светом, отличной освещенностью и отсутствием мерцания. Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам получают все большее и большее распространение, особенно часто их используют во . Компания Professional Light and Sound предлагает вашему вниманию большой ассортимент современных Светодиодных светильников и высокого качества по приемлемой цене, на базе качественных светодиодных ламп (См: ) .

Также на нашем сайте вы можете посмотреть и другую информацию, которая может вас заинтересовать, а наши специалисты в свою очередь, окажут вам любую техническую поддержку: , , , , , , ,

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.

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.

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.