LED - een nieuwe generatie lichtbron

Herstelmodus

Na het schrijven heb ik zelf nog steeds een onbeantwoorde vraag: wat is precies winstgevender om te kopen en hoeveel kun je winnen op de lange en korte termijn. Bovendien zijn er nog steeds enkele onzekerheden over de efficiëntie van LED's. En de vraag moedigt mij aan om er een antwoord op te zoeken, dus bleef ik deze richting ontwikkelen. Ik zal niet zeggen dat het materiaal een volwaardig artikel bleek te zijn, maar als aanvulling op de eerdere informatie bevat het essentiële gegevens die nuttig zullen zijn.

Laten we eerst eens kijken wat precies de efficiëntie is van de LED's die in het laatste deel zijn besproken. Voorheen nam ik de gegevens voornamelijk over zonder ze te controleren, omdat... daar hielden ze zich meer bezig met de kwestie van de efficiëntie van fotosynthese bij belichting met licht van een ander spectrum. Nu besloot ik om naar de algehele efficiëntie te kijken.

We zullen LED's van CREE overwegen, omdat... aan de ene kant zijn ze tegenwoordig het meest geavanceerd op het gebied van technologie en dienovereenkomstig de lichtopbrengst per krachteenheid, en aan de andere kant zijn al hun indicatoren stabiel en goed gedocumenteerd (in tegenstelling tot fabrikanten zonder naam). Hier zou het opgegeven bedrijf mij moeten betalen voor advertenties, maar helaas schrijf ik niet namens hen, maar simpelweg omdat het gemakkelijker en toegankelijker is.

Dus, wat voor soort LED's gaan we bestuderen? Ik zal hier niet het hele proces van het bestuderen en selecteren van specifieke series posten, om het materiaal niet met “water” te overspoelen. Kortom, ik zal zeggen dat ik de krachtigste en tegelijkertijd de meest efficiënte chips heb geselecteerd, onder voorbehoud van gratis beschikbaarheid en gunstige prijzen. Volgens deze criteria zijn twee typen geschikt: witte komen uit de XM-L-serie.

Dit zijn chips van 10 watt met een rendement van 158 lm/W (maar niet op maximaal vermogen, maar op slechts 1 W). Koel wit (6000-6500K), neutraal wit (4000-4500K) en warm wit (3000-3500K).
En rode uit de XP-E serie, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Links naar LED-documentatie aan het einde van het artikel.

Laten we de blanken aanpakken. De vorige keer werd er geen rekening gehouden met het verschil in efficiëntie van witte LED's en werd de efficiëntie alleen beoordeeld in relatie tot de fotosynthetische activiteitscurve van McCree.

Deze keer besloot ik deze kwestie grondiger te verduidelijken. Helaas geeft de documentatie voor LED's nooit de efficiëntie weer, maar wordt alleen het aantal lumen per watt vermeld, dus moest ik een omgekeerde berekening uitvoeren. Op basis van het spectrum van de LED en de fotopische curve wordt berekend hoeveel lumen de LED zou hebben als de efficiëntie 100% zou zijn, en vervolgens wordt het aantal echte lumen uit de documentatie voor de LED gedeeld door dit getal. En dit is wat we kregen voor drie soorten witte LED's:

Van links naar rechts: koel wit, neutraal wit en warm wit.

Opmerkelijk is dat ondanks de toename in lumen tijdens de overgang van koudwit naar warmwit spectrum (bij hetzelfde vermogen straling), dalen de tabelwaarden van lm/W en de algehele efficiëntie van de LED zeer aanzienlijk - van 40 naar 23%. Het punt is dat de fosfor, waarvan er veel meer een warmwitte LED is in een warmwitte gloed, zelf geen 100% efficiëntie heeft, en zelfs, blijkbaar, als er een grote hoeveelheid van is, heeft hij dat wel een schaduweffect (de stralen die door de lagere lagen worden uitgezonden, worden geabsorbeerd door de lagen erboven en verdwijnen). Tegelijkertijd wordt de lumen per watt-indicator gebruikt bij een stroomsterkte van 2A (van de maximaal drie) - het is te zien dat deze daalt van 140 bij 350mA naar 108 (voor koel wit). Een dergelijke tabel bestaat niet in het Cree-document - absolute lumens worden daar gegeven bij een bepaalde stroomsterkte, en het vermogen moet worden berekend met behulp van gegevens uit de stroom-spanningskarakteristiekgrafiek. Hier zijn de relevante gegevens uit het gegevensblad:

Laten we nu de rode aanpakken.

Bij hen is alles een beetje eenvoudiger, omdat... De lichtstroom wordt niet in lumina, maar in milliwatt aangegeven. Het is voldoende om de milliwatt aan straling te delen door het verbruikte watt en we krijgen de efficiëntie met hoge nauwkeurigheid! Als alleen de LED’s deze gegevens zouden leveren, zou 2/3 van het werk niet gedaan hoeven te worden!

En hier doen we meteen een verbazingwekkende ontdekking - dat de efficiëntie van deze LED's 50% is, en (nog een grafiek, ik zal hier niet laten zien), in tegenstelling tot blauw/witte kristallen, neemt de lichtstroom lineair toe met de stroom en de efficiëntie van de chip neemt niet af! Maar wanneer de chip oververhit raakt, is de daling veel groter dan bij blue chips. Ter vergelijking: puur blauwe exemplaren hebben een efficiëntie van 48% onder dezelfde omstandigheden (vergelijk dit cijfer voor witte - hoger). Maar voor de “gewoon rode wijnen” is alles veel erger. Hun efficiëntie bleek ergens rond de 19% te liggen, en bij toenemende temperatuur daalt de lichtstroom zelfs sneller dan die van “Photo Red”.

Interessante opties voor het gebruik van individuele LED's en hun combinaties zijn al in opkomst. Laten we nu de efficiëntietabel herberekenen, rekening houdend met de nieuw verkregen gegevens.

Het is te zien dat de rode Photo-red iedereen met een ruime marge voorloopt. Maar je kunt niet verlichten met puur rood, dus je moet het combineren, en hier zijn er opties met wit en blauw. Laten we meteen de combinatie van warm wit en rood opmerken (ik heb alles overwogen, maar weggegooid wat niet veelbelovend bleek). Het lage rendement van warmwitte LED's doet alle voordelen van rode LED's teniet. Maar koele witte tinten zijn erg goed in deze combinatie! Ze hebben zelf een goede efficiëntie, nog versterkt door rode LED's, en het ontbreken van het rode spectrum wordt ook door hen gedekt. Ook de combinatie van rood en blauw ziet er goed uit. Dan zijn er alleen maar koude witte wijnen en HPS 1000, en de rest houdt niet echt stand. Laten we eens kijken hoe het er compleet uit zal zien - met stuurprogramma's.

Verder was de logica van de berekeningen gebaseerd op de veronderstelling dat we voor hetzelfde geld meer fotosynthetisch actieve straling willen krijgen, dus alle cijfers, inclusief prijzen voor LED's en drivers, zijn gebaseerd op de totale waarde van de fytoactieve straling van de lamp. µmol/sec.

Kleurcodering zoals in de vorige tabel - om het gemakkelijker te maken te begrijpen waar welke LED's zich bevinden en geen ruimte in beslag te nemen door herhalende koppen.

Maar dit is slechts de startprijs: hoeveel geld u moet investeren om een gloeilamp van 100 µmol/s te krijgen. Dit is niet genoeg - u moet zien hoeveel het kost om te werken. En als je ook nog eens rekening houdt met de energiekosten in de loop van de tijd, dan krijg je een compleet beeld, dat ik voor iedereen zichtbaar maak!

Bewaard voor de geschiedenis, hieronder bijgewerkt

Dankzij de aandacht van commentatoren bleek dat niet alle LED's die op AliExpress onder de naam CREE worden verkocht, daadwerkelijk LED's zijn. De goedkoopste daarvan, ongeveer $ 1,50 voor een diode van 10 watt of minder, zijn hoogstwaarschijnlijk namaak met chips geproduceerd door het Chinese bedrijf LatticeBright, die meerdere keren minder kosten dan de originele en helaas ongeveer twee keer slechter presteren. In dit verband heb ik gezocht naar prijzen van de overeenkomstige LED's bij het bedrijf Compel, de officiële distributeur van cree in de Russische Federatie. De prijzen zijn daar veel hoger dan in China, maar kleine groothandels zijn behoorlijk winstgevend, ook in vergelijking met buitenlandse leveranciers.
En gaandeweg corrigeerde ik twee punten: ik voegde eenmaal per jaar lampvervanging toe voor de HPS-curve. En ik corrigeerde een fout (mijn vergissing), waardoor de prijs van alle lampen werd berekend op hetzelfde vermogen (100W), terwijl het oorspronkelijke idee per eenheid fotoactieve straling was. In de nieuwe grafiek gelden deze prijzen voor een lamp die 100 μmol/s uitstraalt, niet 100 W. Mijn excuses voor het onoplettendheid.

Hoe kunnen we deze bundel twijgen begrijpen?

Links staat de prijs van de lamp bij aanvang. Ik wil u eraan herinneren dat ze in dit geval allemaal dezelfde hoeveelheid fytoactieve straling zullen uitstralen, maar een ander spectrum hebben. Hoe lager de lat begint, hoe goedkoper de set. Op de X-as hebben we maanden. Er wordt aangenomen dat de lamp 12 uur per dag, 7 dagen per week, in totaal 36 maanden brandt, d.w.z. 3 jaar. Dit is slechts iets meer dan 13 duizend uur, en voor LED's worden er 50 duizend vermeld. En als alles goed wordt gedaan met koeling, worden de LED's ook geleverd met een stroomsterkte van 0,7 van het maximum (dit betekent een geheel meer efficiëntie). derde), dan zullen ze nog meer werken, d.w.z. meer dan 10 jaar met vrijwel geen degradatie.

Hoe horizontaaler de lijn is, hoe groter het rendement van de lamp. We zien dat veel lijnen hoger beginnen (duurdere chips), maar na verloop van tijd goedkoper blijken te zijn dan goedkopere tegenhangers. De lijn voor fotorode LED's is hiervoor een indicatie: deze heeft de kleinste helling.

Het meest verrassende is dat de goedkoopste nu... De duurste fotorode LED's zijn! Dit komt omdat ze de hoogste efficiëntie en het meest “gemakkelijk verteerbare” spectrum hebben – ze hebben in het begin de minste hoeveelheid nodig en ze verspillen in de toekomst de minste hoeveelheid elektriciteit! Van groot belang zijn de combinaties “Koud wit + rood fotorood”. Deze grafiek toont een curve met een wit:rood-verhouding van 2:1 in vermogen. En gewoon “koud wit”. Deze drie lijnen waaieren uit, waarbij de buitenste witte en rode LED's zijn, en de middelste een combinatie daarvan. Om planten te laten groeien zijn alle componenten van het spectrum nodig, maar in verschillende combinaties. Het blijkt dat alle opties voor combinaties van spectra het meest effectief worden gedekt door slechts één combinatie: koudwitte en rode LED's (maar in verschillende numerieke verhoudingen).
Het is vermeldenswaard dat de combinatie blauw+rood, hoewel deze een lagere helling heeft dan wit+rood, een aanzienlijk slechtere prijs/lichtstroomindicator geeft, zodat deze de combinatie wit+rood zelfs na 3 jaar niet kan inhalen. Over een periode van tien jaar kan dit de voorkeur verdienen, maar dit is een uitzonderlijk geval.
De fytolamp blijkt niet zo goedkoop te zijn. Als je rekening houdt met de efficiëntie, is het duurder dan zelfs koudwitte LED's, en op de lange termijn... Geld voor elektriciteit is zonde...
DNAT is in eerste instantie niet erg goedkoop (ik was verrast hoeveel elektronische voorschakelapparaten ervoor kosten, maar Em Het is niet de moeite waard om voorschakelapparaten te nemen - ze hebben een laag rendement, de lamp ook vanwege flikkeringen, ze zoemen en warmen op als een kachel) en na verloop van tijd halen ze hun achterstand niet in - vooral als je rekening houdt met de vervanging van lampen - wat zal moeten minstens één keer per jaar worden uitgevoerd, wat als stappen in de grafiek wordt weergegeven. Dus op naar de tuin.

Hier is het spectrum van een combinatie van witte en rode LED's, bovenop de MkCree-curve (4:1 in vermogen, veranderde deze niet in 2:1):

Natuurlijk is het verkeerd om zulke dingen te beoordelen op basis van de schoonheid van de grafieken, maar gezien de cijfers die hetzelfde zeggen, is de grafiek naar mijn mening bijna ideaal in termen van het bestrijken van het spectrum van het fotosynthetisch actieve bereik.

De conclusie blijft hetzelfde: koop cool witte LED's en rode CREE Photo rood en je krijgt veel licht voor je planten en besparingen voor je portemonnee!
Het is ook mogelijk om te verlichten met puur rode LED's; een van de commentatoren schreef over een dergelijke ervaring. Dit is het meest geschikt als de planten gedeeltelijk worden verlicht door natuurlijk licht (een tuin op een vensterbank, balkon, loggia, wanneer direct zonlicht helemaal niet of een paar uur per dag bereikt - dan ontvangen de planten voornamelijk blauwe stralen van de lucht, en ontvangen catastrofaal niet genoeg rode stralen, evenals de algehele lichtintensiteit. Hier zullen rode LED's de bestaande leemte perfect opvullen. Alleen zouden dit zeer efficiënte LED's moeten zijn met een stralingsgolflengte van 660 nM en het zou beter zijn als ze dat wel zouden doen waren CREE Photo red. Nou, dat is alles, ik ga diodes bestellen!

De traditionele benadering van LED-lampen leidt vaak tot een misverstand over fundamentele omstandigheden. We hebben het over het rendement van lampen en de invloed van het ontwerp van LED en conventionele lampen op het rendement.

Het rendement van een armatuur is de verhouding tussen de lichtstroom die uit de armatuur komt en de totale lichtstroom die door de lichtbron wordt gecreëerd. Een lamp in de vorm van een gloeilamp zonder verlichtingsarmaturen, voornamelijk zonder reflector, heeft bijvoorbeeld een rendement van 100%. Dit betekent helemaal niet dat dit een ideaal is waarnaar we moeten streven voor lampen - minder efficiëntie, dit betekent niet slechter. Elke poging om (direct) licht te concentreren leidt tot een afname van de efficiëntie. Maar de concentratiemethode en de kwaliteit van de reflector kunnen verschillen, en de lampen zullen een ander rendement hebben. Armaturen die een vergelijkbare lichtverdeling hebben, kunt u op efficiëntie alleen met elkaar vergelijken(KSS), in dit geval wordt het rendement bepaald door de kwaliteit van het optische systeem van de lamp (reflector, glas). Het heeft geen zin om armaturen van verschillende KSS qua efficiëntie te vergelijken!

Het fundamentele verschil tussen LED's en lampen is dat ze slechts in één halfvlak schijnen. Dat wil zeggen een LED-lamp zonder verlichtingsarmaturen (100% rendement) zal geregisseerd worden! De emissiehoek van LED's zonder secundaire optiek is 90-120 graden. Als we bijvoorbeeld twee "lampen" vergelijken in de vorm van een gloeilamp en een LED (100% efficiëntie) met dezelfde lichtstroom, dan zal op de as van de lamp op dezelfde afstand de verlichting ongeveer 2 keer minder zijn dan op de as van de LED. Als je de lichtstroom van de lamp probeert op te vangen met behulp van een reflector (om dezelfde stralingshoek te bereiken), dan zul je door reflectieverliezen in ieder geval niet dezelfde verlichting kunnen verkrijgen als de LED. In dit opzicht is het zinvol om bij richtbare armaturen een gloeilamp-lichtbron te vervangen door een LED-bron, zelfs als deze bronnen dezelfde lichtopbrengst (lm/W) hebben.

Als een armatuur met een lamp vlak glas heeft, dat wil zeggen dat de gehele lichtbron in de lamp wordt "ondergedompeld", Het rendement van de lamp zal aanzienlijk afnemen vanwege het feit dat het grootste deel van het licht dat uit de lamp komt, wordt gereflecteerd, dat wil zeggen met reflectieverliezen. Voor een LED-lamp van dit ontwerp is er vrijwel geen afname in efficiëntie(alleen de verliezen bij glas bedragen ongeveer 5%), hoewel het intuïtief lijkt dat, naar analogie met lamplampen, het rendement zou moeten afnemen.

Een buislamp met vlak glas zal een rendement hebben van ongeveer 50-60%.

Een LED lamp met vlak glas zal een rendement hebben van ongeveer 95%.

Dit is het belangrijkste fundamentele verschil tussen LED-lampen en lamplampen. Richtbare LED-lampen zijn veel efficiënter dan gerichte buislampen. Dit is grotendeels te danken aan de ontwerpkenmerken van LED's, en niet alleen aan hun hoge lichtopbrengst.

Het begrijpen van deze omstandigheid zou moeten leiden tot een herziening van de benaderingen van de berekening van verlichtingsinstallaties met LED-lampen.

Door het halfgeleidermateriaal en het additief op de juiste manier te selecteren, is het mogelijk om specifiek de kenmerken van de lichtemissie van het LED-kristal te beïnvloeden, voornamelijk het spectrale gebied van de emissie en de efficiëntie van het omzetten van de ingevoerde energie in licht:

GaALA's- aluminiumgalliumarsenide; Het is gebaseerd op rode en infrarode LED's.
GaAsP- galliumarsenidefosfide; AlInGaP - aluminium-indium-galliumfosfide; rode, oranje en gele LED's.
Gat- galliumfosfide; groene LED's.
SiC- siliciumcarbide; De eerste in de handel verkrijgbare blauwe LED met lage lichtopbrengst.
InGaN- indium-galliumnitride; GaN - galliumnitride; UV-blauwe en groene LED's.

Om witte straling met een bepaalde kleurtemperatuur te verkrijgen zijn er drie fundamentele mogelijkheden:

1. Omzetting van blauwe LED-straling door gele fosfor (Figuur 1a).

2. Omzetting van UV-LED-straling door drie fosforen (vergelijkbaar met fluorescentielampen met het zogenaamde driebandsspectrum) (Figuur 1b).

3. Additieve menging van rode, groene en blauwe LED's (RGB-principe, vergelijkbaar met kleuren-tv-technologie). De kleurtoon van witte LED's kan worden gekenmerkt door de waarde van de bijbehorende kleurtemperatuur.

De meeste typen moderne witte LED's worden geproduceerd op basis van blauwe in combinatie met conversiefosforen, die het mogelijk maken witte straling te verkrijgen met een breed scala aan kleurtemperaturen - van 3000 K (warm wit licht) tot 6000 K (koud daglicht). ).

Werking van LED's in stroomcircuits

Een LED-kristal begint licht uit te zenden wanneer er in voorwaartse richting stroom in stroomt. LED's hebben een exponentieel toenemende stroom-spanningskarakteristiek. Ze worden meestal gevoed door een constante gestabiliseerde stroom of constante spanning met een vooraf aangesloten begrenzingsweerstand. Hierdoor worden ongewenste veranderingen in de nominale stroom voorkomen die de stabiliteit van de lichtstroom aantasten en in het ergste geval zelfs tot beschadiging van de LED kunnen leiden.
Voor lage vermogens worden analoge lineaire regelaars gebruikt; hoogvermogendiodes, netwerkeenheden met gestabiliseerde stroom of uitgangsspanning. Meestal worden LED's in serie, parallel of in serie-parallelle circuits aangesloten (zie figuur 2).

Een soepele afname van de helderheid (dimmen) van LED's wordt uitgevoerd door regelaars met pulsbreedtemodulatie (PWM) of een afname van de voorwaartse stroom. Met behulp van stochastische PWM is het mogelijk het interferentiespectrum te minimaliseren (elektromagnetisch compatibiliteitsprobleem). Maar in dit geval kan bij PWM een storende pulsatie van de LED-straling worden waargenomen.
De hoeveelheid voorwaartse stroom varieert afhankelijk van het model: bijvoorbeeld 2 mA voor geminiaturiseerde LED's voor paneelmontage (SMD-LED's), 20 mA voor LED's met een diameter van 5 mm met twee externe stroomkabels, 1 A voor hoogvermogen LED's voor verlichtingsdoeleinden. De voorwaartse spanning UF varieert gewoonlijk van 1,3 V (IR-diodes) tot 4 V (indium-galliumnitride-LED's - wit, blauw, groen, UV).
Inmiddels zijn er al stroomcircuits gemaakt die het mogelijk maken om LED’s rechtstreeks op een 230 V AC-netwerk aan te sluiten. Hiervoor worden twee takken van de LED’s anti-parallel geschakeld en via een ohmse weerstand aangesloten op een standaardnetwerk. In 2008 ontving professor P. Marx een patent voor een dimcircuit voor LED's die worden aangedreven door gestabiliseerde wisselstroom (zie figuur 3).
Het Zuid-Koreaanse bedrijf Seoul Semiconductors heeft een circuit (Figuur 3) met twee anti-parallelle ketens (elk met een groot aantal LED's) direct op één chip (Ariche-LED) geïntegreerd. De voorwaartse stroom van de LED's (20 mA) wordt begrensd door een ohmse weerstand die in serie is aangesloten op het antiparallelle circuit. De voorwaartse spanning over elke LED bedraagt 3,5 V.

Energie-efficiëntie

De energie-efficiëntie van LED's (efficiëntie) is de verhouding tussen het stralingsvermogen (in watt) en het elektriciteitsverbruik (in verlichtingsterminologie is dit de energieopbrengst van straling - d.w.z.).
In thermische emitters, waaronder klassieke gloeilampen, moet de spoel, om zichtbare straling (licht) te genereren, tot een bepaalde temperatuur worden verwarmd. Bovendien wordt het grootste deel van de geleverde energie omgezet in thermische straling (infraroodstraling), en wordt slechts μe = 3% omgezet in zichtbare straling voor conventionele lampen, en 7% voor halogeengloeilampen.

LED's voor gebruik in toegepaste verlichting zetten de toegevoerde elektrische energie om in zichtbare straling in een zeer smal spectraalgebied, en er treden thermische verliezen op in het kristal. Deze warmte moet via speciale ontwerpmethoden uit de LED worden verwijderd om de noodzakelijke licht- en kleurparameters en een maximale levensduur te garanderen.
LED's voor verlichtings- en signaleringsdoeleinden hebben vrijwel geen IR- en UV-componenten in het emissiespectrum, en dergelijke LED's hebben een aanzienlijk hogere energie-efficiëntie dan thermische emitters. Bij gunstige thermische omstandigheden zetten LED's 25% van de geleverde energie om in licht. Daarom is voor een witte LED met een vermogen van 1 W bijvoorbeeld ongeveer 0,75 W te wijten aan thermische verliezen, wat de aanwezigheid van warmtedissiperende elementen of zelfs geforceerde koeling in het ontwerp van de lamp vereist. Een dergelijk beheer van het thermische regime van LED's is van bijzonder belang. Het is wenselijk dat fabrikanten van LED's en LED-modules energie-efficiëntiewaarden vermelden in de lijst met kenmerken van hun producten

Controle van de thermische modus
Laten we niet vergeten dat bijna 3/4 van de elektriciteit die door een LED wordt verbruikt, wordt omgezet in warmte en slechts 1/4 in licht. Daarom wordt bij het ontwerpen van LED-lampen een beslissende rol gespeeld bij het garanderen van hun maximale efficiëntie door het optimaliseren van het thermische regime van LED's, met andere woorden, intensieve koeling.

Zoals bekend vindt warmteoverdracht van een verwarmd lichaam plaats als gevolg van drie fysieke processen:

1. Straling

Ф = W? =5,669?10-8?(W/m2?K4)??A?(Ts4 – Ta5)
waar: W? – thermische stralingsflux, W
? – emissiviteit
Тs – oppervlaktetemperatuur van een verwarmd lichaam, K
Ta – temperatuur van de oppervlakken die de kamer omsluiten, K
A is de oppervlakte van het warmteafgevende oppervlak, m?

2. Convectie

F = ?? Huh?
waarbij: Ф – warmtestroom, W
A is de oppervlakte van het verwarmde lichaam, m?
? – warmteoverdrachtscoëfficiënt,
Тs – temperatuur van het grenswarmteafvoermedium, K
Ta – oppervlaktetemperatuur van een verwarmd lichaam, K
[voor ongepolijste oppervlakken? = 6...8 W / (m²K)].

3. Thermische geleidbaarheid

Ф = ?T?(А/l) (Тs-Та) =(?T/Rth)
waarbij: Rth= (l / ?T?A) – thermische weerstand, K/W,
Ф – thermisch vermogen, W
A – dwarsdoorsnede
l-lengte - ?T – thermische geleidbaarheidscoëfficiënt, W/(m?K)
voor keramische koelelementen?T=180 W/(m?K),
voor aluminium – 237 W/(m²K),
voor koper – 380 W/(m²K),
voor diamant – 2300 W/(m²K),
voor koolstofvezels – 6000 W/(m²K)]

4. Thermische weerstand

De totale thermische weerstand wordt berekend als:
Rth par.com.=1/[(1/ Rth,1)+ (1/ Rth, 2)+ (1/ Rth,3)+ (1/ Rth,n)]
Rth nawoord = Rth,1 + Rth, 2 + Rth,3 +....+ Rth,n

Cv
Bij het ontwerpen van LED-armaturen moeten alle mogelijke maatregelen worden genomen om het thermische gedrag van de LED's door geleiding, convectie en straling te verminderen. Daarom is de primaire taak bij het ontwerpen van LED-lampen het garanderen van warmteafvoer vanwege de thermische geleidbaarheid van speciale koelelementen of het ontwerp van de behuizing. Vervolgens zullen deze elementen warmte verwijderen door straling en convectie.
De materialen van de koellichaamelementen moeten, indien mogelijk, een minimale thermische weerstand hebben.
Goede resultaten werden behaald met warmteafvoerunits van het type “Heatpipes”, die extreem hoge warmtegeleidende eigenschappen hebben.
Een van de beste opties voor koellichamen zijn keramische substraten met vooraf aangebrachte stroomvoerende paden, waarop de LED's rechtstreeks worden gesoldeerd. Op keramiek gebaseerde koelstructuren dissiperen ongeveer 2 keer meer warmte vergeleken met conventionele metalen koelelementen.
De relatie tussen de elektrische en thermische parameters van de LED wordt geïllustreerd in Fig. 4.
In afb. Figuur 5 toont een typisch ontwerp van een krachtige LED met een aluminium koelelement en een circuit van thermische weerstanden, en Fig. 6-8 – verschillende koelmethoden.

Straling

Het oppervlak van de verlichtingsarmatuur waarop de LED of module met meerdere LED's is gemonteerd, mag niet van metaal zijn, aangezien metalen een zeer lage emissiviteit hebben. De oppervlakken van armaturen die in contact komen met LED's moeten, indien mogelijk, een hoge spectrale emissiviteit hebben.

Convectie

Het is wenselijk om een voldoende groot oppervlak van het lamplichaam te hebben voor ongehinderd contact met omgevingsluchtstromen (speciale koelvinnen, ruwe structuur, enz.). Extra warmteafvoer kan worden gerealiseerd door verplichte maatregelen: miniventilatoren of trilmembranen.

Thermische geleidbaarheid

Door het zeer kleine oppervlak en volume van LED's wordt de noodzakelijke koeling door straling en convectie niet bereikt.

Voorbeeld van het berekenen van de thermische weerstand voor een witte LED

UF= 3,8 V
ALS = 350 mA
PLED = 3,8 V? 0,35 EEN = 1,33 W
Omdat het optische rendement van de LED 25% bedraagt, wordt slechts 0,33 W omgezet in licht en de resterende 75% (Pv=1 W) in warmte. (Vaak maken ze in de literatuur bij het berekenen van de thermische weerstand RthJA de fout om aan te nemen dat Pv = UF? IF = 1,33 W - dit is onjuist!)

De maximaal toelaatbare temperatuur van de actieve laag (p-n junctie – junctie) TJ = 125°C (398 K).

Maximale omgevingstemperatuur TA = 50°C (323 K).

Maximale thermische weerstand tussen barrièrelaag en omgeving:

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

Volgens de fabrikant is de thermische weerstand van de LED

RthJS = 15 K/W

Vereiste thermische weerstand van extra warmteafvoerende elementen (koelvinnen, warmtegeleidende pasta's, lijmverbindingen, plaat):

RthSA= RthJA – RthJS = 75-15 = 60 K/W

In afb. 9 legt de thermische weerstanden voor de diode op het bord uit.
De relatie tussen de temperatuur van de actieve laag en de thermische weerstand tussen de blokkerende (actieve) laag en het soldeerpunt van de kristalleidingen wordt bepaald door de formule:

TJ=UF? ALS? ?e? RthJS + TS

waarbij ТS de temperatuur is gemeten op het soldeerpunt van de kristaldraden (in dit geval is deze gelijk aan 105°С)

Vervolgens wordt voor het beschouwde voorbeeld met een witte LED met een vermogen van 1,33 W de temperatuur van de actieve laag bepaald als
TJ = 1,33 W? 0,75? 15 K/W + 105°C = 120°C.

Verslechtering van de emissie-eigenschappen als gevolg van temperatuurbelasting op de actieve (blokkerende) laag.
Als u de werkelijke temperatuur op het soldeerpunt kent en de gegevens van de fabrikant heeft, is het mogelijk om de thermische belasting op de actieve laag (TJ) en het effect ervan op de afbraak van straling te bepalen. Degradatie verwijst naar de afname van de lichtstroom gedurende de levensduur van de LED-chip.

Effect van de temperatuur van de barrièrelaag
Fundamentele eis: de maximaal toegestane temperatuur van de blokkeerlaag mag niet worden overschreden, omdat dit tot onomkeerbare defecten van de LED's of spontane uitval kan leiden.
Vanwege de specifieke fysieke processen die plaatsvinden tijdens de werking van LED's, heeft het veranderen van de temperatuur van de blokkeerlaag TJ binnen het bereik van toegestane waarden invloed op veel LED-parameters, waaronder voorwaartse spanning, lichtstroom, kleurcoördinaten en levensduur.

Technische en economische indicatoren van lampen

De TEP van een lamp wordt in belangrijke mate beïnvloed door het type en de kwaliteit van de optische systemen van de lamp. Het efficiëntieniveau hangt af van de arbeidsfactor van de ballast en de optische efficiëntie van het apparaat, evenals van de staat van de optiek. Een aantal binnenlandse apparatuur en de meeste buitenlandse monsters hebben hoge coëfficiënten. Hoe goed deze indicatoren ook zijn, de optica (transparante afdekking, divergerende of convergerende lens en reflectoren) worden tijdens gebruik vuil en ondergaan aanzienlijke veranderingen in de oppervlaktestructuren, wat leidt tot verslechtering van de parameters. Deze verklaring geldt voor alle typen armaturen, ongeacht of er wel of geen voorschakelapparaten worden gebruikt.

Bij nieuwe lampen varieert het optische rendement van 60 tot 95%. Als resultaat van praktische observaties en speciale laboratoriumonderzoeken bleek dat gedurende de periode van 1 jaar gebruik de optische efficiëntie afneemt tot 35% van de oorspronkelijke waarde (en het grootste verliesniveau treedt op tijdens de allereerste gebruiksdagen ). Binnen 2 jaar verliezen optica 50 tot 65% van hun oorspronkelijke efficiëntieniveau.

De waargenomen apparaten werden buiten gebruikt (straatverlichting) op het grondgebied van de Republiek Tatarstan, onder normale, niet-extreme omstandigheden. Het is duidelijk dat als de bedrijfsomstandigheden de werking van verlichtingsapparatuur vereisen in omstandigheden met verhoogde stof- of gasvervuiling, de optische efficiëntie sneller afneemt.

*Metingen van optische en elektrische eigenschappen werden uitgevoerd door specialisten van de TATLED Group of Companies op hun eigen basis.

(Lichtstroom, Ф; Verdeling van de totale lichtstroom over 2 niveaus van lichtintensiteit of stralingshoeken binnen het stralingspatroon, Ф(Ω),

Gegevens over meetapparatuur in bijlage 1.

In de regel wordt het probleem van het beschermen van lampen (vooral hun interne volume) tegen ongunstige omgevingsfactoren opgelost door fabrikanten van verlichtingsapparatuur door afdichting tussen de behuizingen van gesloten verlichtingsapparaten en beschermend glas, evenals door draadingangspunten af te dichten.

Uit een meer gedetailleerde studie van het probleem bleek echter dat dit niet voldoende is om een goede isolatie van het interne volume van de lamp te garanderen. Volgens de wetten van de thermodynamica is er bij gesloten verlichtingsapparaten een "ademend" effect geassocieerd met een verandering in de luchtdruk ingesloten in het interne geïsoleerde volume van het verlichtingsapparaat. Wanneer de lichtbron van het apparaat wordt ingeschakeld en de lucht die in het apparaat zit wordt verwarmd, neemt de druk toe, en wanneer deze wordt uitgeschakeld, daalt de druk. Als gevolg van zelfs een onmerkbaar defect in de afdichting, wordt vervuilde lucht in de interne holte van de lamp gezogen. Dit fenomeen biedt de mogelijkheid dat stof, vezels en corrosieve deeltjes zich op de lampbol, reflector, binnenoppervlak, beschermglas, lens en fittingcontactsamenstellen nestelen. Als gevolg hiervan neemt de verlichtingscapaciteit van de apparaten af en vallen ze zelf binnen een korte gebruiksperiode uit (in sommige gebieden van de metallurgische productie worden verlichtingsapparaten bijvoorbeeld jaarlijks vervangen, waardoor de kosten van het gebruik van het verlichtingssysteem aanzienlijk stijgen).

LED-lampen hebben bovenstaand nadeel niet. Feit is dat de LED's die in dergelijke lampen worden gebruikt geen reflecterende reflectoren nodig hebben.

In verlichtingsapparaten die conventionele lichtbronnen gebruiken, is een reflecterende reflector ingebouwd, waarvan de vorm niet altijd kan worden aangepast aan de eisen van de lichtverdeling. In tegenstelling tot conventionele lampen gebruiken LED-apparaten lichtbronnen die lichtenergie niet in alle richtingen uitstralen, maar in één richting. De richting en intensiteit van de lichtstroom wordt geregeld door de locatie van de assen van de lichtzender in een bepaalde richting en hun aantal. De openingshoek van de uitgezonden straling wordt aangepast met behulp van secundaire optica (microlens).

De LED-lamp is dus vrij van de nadelen die worden veroorzaakt door verliezen in optische systemen die gebruik maken van omnidirectionele lichtbronnen. Dat wil zeggen dat de Lumen/Watt-verhouding bij LED-lampen aantrekkelijker is.

Lumen meten de stroom in alle richtingen, d.w.z. in een ruimtehoek van 4pi. Eén lumen is gelijk aan de lichtstroom die wordt uitgestraald door een isotrope puntbron, met een lichtsterkte gelijk aan één candela, in een ruimtehoek van één steradiaal (1 lm = 1 cd × sr)

Een steradiaal is gelijk aan een ruimtehoek met het hoekpunt in het midden van een bol met straal R, waarbij op het oppervlak van de bol een gebied wordt uitgesneden dat gelijk is aan het gebied van een vierkant met zijde R (dat wil zeggen R²). Als een dergelijke ruimtehoek de vorm heeft van een cirkelvormige kegel, dan zal de openingshoek ongeveer 65,541° of 65°32′28″) zijn.

Als we aannemen dat de berekende kegel rechtstreeks op het verlichte object is gericht, raakt de rest van de lichtenergie het verlichte oppervlak via een reflector of optische lenzen.
Candela (van het Latijnse candela - kaars), eenheid van lichtsterkte van het Internationale Systeem van Eenheden. Benaming: Russische CD, internationale CD. Candela (eenheid van lichtintensiteit) - de intensiteit van het licht dat wordt uitgestraald door een oppervlakte van 1/600.000 m2 van de dwarsdoorsnede van een volledige emitter in een richting loodrecht op deze sectie bij een emittertemperatuur gelijk aan de stollingstemperatuur van platina (2042 K) bij een druk van 101325 n/m2.

Op basis van het bovenstaande is het, om TEC-lampen te vergelijken met een conventionele lichtbron en een LED-lamp, noodzakelijk een correctie in te voeren voor het verschil in efficiëntie van optische systemen.

Laten we als specifiek voorbeeld het veelgebruikte verlichtingsapparaat RKU15-250 bekijken dat een DRL-lamp en een LED-lamp gebruikt.

Om echte verlichtingsprestatie-indicatoren te bepalen, maken we de volgende berekeningen:

Volgens de fabrikant is het rendement van de RKU15-lamp 65%. De lichtbron (DRL-250(V) lamp) heeft een lichtstroomniveau van 13.200 Lumen. We krijgen het niveau van de lichtstroom die daadwerkelijk door het apparaat wordt uitgezonden: 65% van 13.200 lm = 8.580 lumen.

Er moet ook rekening worden gehouden met het versnelde verlies van het DRL-lichtstroomniveau tijdens de eerste 1000 bedrijfsuren. Uit de onderstaande grafiek (volgens VNISI-gegevens) blijkt duidelijk dat tijdens de eerste 1000 bedrijfsuren het niveau van de uitgestraalde lichtstroom met 15-20% van de oorspronkelijke waarde afneemt. Vanaf hier krijgen we Фv = 6.864 lumen. Gedurende de verdere bedrijfsperiode treedt de afbraak minder intensief op.

Ook de lichtstroomcurve van LED's die in LED-armaturen worden gebruikt, heeft een ongelijkmatige karakteristiek. Zoals u echter kunt zien in de onderstaande grafiek (met dank aan OSRAM Opto Semiconductors), stijgt het niveau na een korte dip geleidelijk (Golden Dragon plus diodes).

(“Lichttechniek”, Lichoslavl) met lamp DRL-250 (V) (“Lisma”, Saransk)	SVETECO 48/6624/80/Ш (“Ledel”, Kazan) OSRAM-LED's (“Osram”, Duitsland)
Lampparameters, (exclusief optische verliezen in de lamp) nominale spanning B-130 nominaal vermogen, W - 250 lichtstroom, Lume - 13.200 duur van de bergen u - 12.000	LED-parameters (48 stuks) (er zijn geen optische verliezen in de lamp) nominale spanning V-220 ± 22 nominaal vermogen, W - 80 lichtstroom, Lum - 6.624 duur van de bergen u - 100.000
Totale kosten 4 500 wrijven.	Totale kosten 15 000 wrijven.
Bedrijfsduur per jaar, h - 2.920 (bij 8 uur per dag)
730	Hoeveelheid energieverbruik per jaar, kW/uur - 233
verbruik per jaar - 2 190 wrijven.	verbruik per jaar - 699 wrijven. tegen een kostprijs van 3 roebel. - kW/uur
Kosten voor onderhoud van de lamp, voorschakelapparaten, vervanging en afvoer van lampen, wrijven. per jaar - 600 wrijven.	Onderhoudskosten, wrijven. per jaar - 0 wrijven.
Totale uitgaven voor acquisitie En exploitatie binnen 1 jaar - 7 290 wrijven.	Totale uitgaven voor acquisitie En exploitatie binnen 1 jaar - 15 699 wrijven.
Verdere exploitatie wrijven. per jaar - 2 790 wrijven.	Verdere exploitatie wrijven. per jaar - 699 wrijven.
Totale kosten voor 5 jaar - 18.450 roebel. inclusief voor elektriciteit - 10.950 roebel. tegen een kostprijs van 3 roebel. - kW/uur	Totale kosten voor 5 jaar - 18.495 roebel. inclusief voor elektriciteit - 3.495 roebel. tegen een kostprijs van 3 roebel. - kW/uur
minimum	Mogelijkheid tot verder gebruik: 40% van de grondstoffen is opgebruikt

Grafiek van de eigendomskosten van apparaten over een periode van vijf jaar

Bij de gegevens wordt rekening gehouden met de constante elektriciteitskosten. Rekening houdend met de door het Ministerie van Economische Ontwikkeling voorspelde tariefgroei zal het snijpunt van de kostenniveaucurven eerder plaatsvinden dan de door berekeningen verkregen periode (vermoedelijk vier jaar).

Een voorbeeld van het gebruik van DRL-lampen en LED-lampen voor wegverlichting. Dankzij een rationeler verdeelde lichtenergie wordt het door LED-lampen verlichte wegdek (foto links) gelijkmatiger overstroomd.

Conclusie: de optische eigenschappen van lampen met LED's zijn qua verlichtingsparameters merkbaar superieur aan lampen met conventionele lichtbronnen.

CONTROLEAPPARATUUR (CONTROLEAPPARATUUR).

Voorschakelapparaten (ballasten) zijn een speciaal product dat wordt gebruikt om de werking van een lichtbron op gang te brengen en te houden.

Structureel kan de ballast worden gemaakt in de vorm van een enkel blok of meerdere afzonderlijke blokken.

Afhankelijk van het type lichtbron zijn voorschakelapparaten onderverdeeld in:

Voorschakelapparaten voor gasontladingslampen
Voorschakelapparaten voor halogeenlampen (transformatoren)
Voorschakelapparaten voor LED's (LED-drivers)

Afhankelijk van het type apparaat en de werking van de voorschakelapparaten zijn er:

elektromagnetisch (EMPRA)
elektronisch (elektronische voorschakelapparaten)

Naast de optische parameters wordt de efficiëntie van een verlichtingsapparaat aanzienlijk beïnvloed door de arbeidsfactorparameter van de ballast.

Voor voorschakelapparaten voor ontladingslampen varieert deze parameter (volgens fabrikanten) van 0,6 tot 0,9. Het meest effectief vandaag zijn elektronische voorschakelapparaten, omdat met behulp van elektronica het vermogen om de gloed te ontsteken en te regelen veel efficiënter kan worden gedaan in vergelijking met inductieve smoorspoelen. Voorschakelapparaten voor ontladingslampen worden al heel lang geproduceerd en zijn, ondanks voortdurende verbeteringen, goed bekend bij de consument, daarom worden ze in dit werk niet in detail besproken.

Bij LED-lampen vervult de ballast (LED-driver) de functie van DC-stabilisator, spanningsstabilisatoren en dimmen (gespecialiseerd).

Chauffeurs kunnen in twee hoofdgroepen worden verdeeld:

1. LED-voedingen met constante gestabiliseerde uitgangsstroom (LED-drivers) - ontworpen om LED's (of LED-lampen) van stroom te voorzien die in serie zijn geschakeld.

2. Voedingen met gestabiliseerde constante spanning (LED-transformatoren) - ontworpen om groepen LED's van stroom te voorzien die al zijn uitgerust met een stroombegrenzende weerstand, meestal LED-strips, linialen of panelen.

Omdat de industrie LED's produceert die zijn ontworpen voor verschillende nominale stroomwaarden, worden LED-drivers bovendien ook verdeeld op basis van deze parameter.

De meest voorkomende stroomwaarden zijn 350 en 700 milliampère.

De powerfactor van LED-drivers van de meeste fabrikanten is 0,95. Voor een aparte LED is een constante spanning van 2-4V en enkele tientallen mA stroom nodig. Een reeks LED's vereist een hogere spanning. De LED-driver is de bron van deze spanning. Het transformeert de 110-240V AC-stroomvoorziening voor huishoudelijk gebruik in laagspannings-DC om LED-systemen van stroom te voorzien.

Er worden steeds hogere eisen gesteld aan de kwaliteit van LED-voorschakelapparaten, omdat LED's, als halfgeleiderapparaat, extreem hoge eisen stellen aan de kwaliteit van de stroomvoorziening. Afwijkingen van de gespecificeerde parameters binnen 2-5% hebben een scherpe invloed op de verlichtings- en elektrische eigenschappen van LED's en kunnen leiden tot een aanzienlijke verkorting van de levensduur van het kristal of de fosfor.

Op basis van het voorgaande is het duidelijk dat de kwaliteit van LED-bedrijfsapparatuur in eerste instantie hoog is en dat het daarom een product is met een hoog rendement.

De overgrote meerderheid van de door fabrikanten opgegeven waarden liggen tussen 0,90 en 0,95. Eenvoudige metingen bevestigen deze waarden.

Voor het dimmen (het veranderen van de helderheid van LED’s) wordt meestal het principe van pulsbreedtemodulatie (PWM) gebruikt.

In termen van efficiëntie en betrouwbaarheid verschillen voorschakelapparaten voor ontladingslampen en voorschakelapparaten voor LED-lampen alleen in de kwaliteit van de circuits en de gebruikte elementbasis, wat uiteindelijk een verschil in de kosten van het product impliceert. Hoogwaardige en dure voorschakelapparaten van verschillende soorten lampen benaderen een enkele indicator (dichtbij 1).

Bijlage 2 en Bijlage 3 bevatten beoordelingen van organisaties die LED-lampen als prototypes hebben geïmplementeerd.

Conclusie: de invloed van de ballastefficiëntie op de algehele efficiëntie van een verlichtingsapparaat voor ontladingslampen en voor LED-lampen heeft geen merkbaar verschil en wordt alleen bepaald door de prijs van het product.

←

Na het schrijven van het vorige artikel had ik zelf nog een onbeantwoorde vraag: wat is precies rendabeler om te kopen en hoeveel kun je winnen op de lange en korte termijn. Bovendien zijn er nog steeds enkele onzekerheden over de efficiëntie van LED's. En de vraag moedigt mij aan om er een antwoord op te zoeken, dus bleef ik deze richting ontwikkelen. Ik zal niet zeggen dat het materiaal een volwaardig artikel bleek te zijn, maar als aanvulling op de eerdere informatie bevat het essentiële gegevens die nuttig zullen zijn.

Laten we eerst eens kijken wat precies de efficiëntie is van de LED's die in het laatste deel zijn besproken. Voorheen haalde ik de gegevens voornamelijk uit het iva2000-artikel, zonder het te controleren, omdat... daar hielden ze zich meer bezig met de kwestie van de efficiëntie van fotosynthese bij belichting met licht van een ander spectrum. Nu besloot ik om naar de algehele efficiëntie te kijken.