На фото світлодіодний світильник 20 Ватт. Він замінив дві лампи розжарювання в 75 Ватт і світить трохи яскравіше, ніж вони.

Але перш ніж поговоримо про світлодіодні лампи, розвіємо кілька міфів, які вже досить міцно завоювали своє місце у свідомості користувачів. Заодно розглянемо питання, що таке світлодіодні лампи, як вибрати (рекомендуємо розглянути каталог Світлодіодні люстри Mantra) , чим вони краще, ніж гірше і чому саме вони сьогодні мають таку потужну рекламну підтримку.

А у Вас світло в будинку, якої температури: тепле чи холодне?

Насправді, питання не пусте, оскільки саме спектр робить світло своїм, приємним для очей (теплим), або навпаки яскравим (ріжучим), тобто холодним. Різні використовують різні принципи перетворення електроенергії на світло, тому і спектр у них різний. Звідси і виник перший міф – світло світлодіодних ламп найприродніше. Насправді, це не зовсім так, світлодіодні лампи для дому можуть мати будь-яке спектральне свічення, і в цьому випадку перевага цих світильників стає недоліком. Не кожен споживач полізе у технічні характеристики, щоб розібратися, що до чого.

Другий міф народився з маркування, і полягає в тому, що потужність світлодіодних ламп нижча від усіх інших.

Третій міф найскладніший, над його створенням працювали довго, вбиваючи нам у голови ідею, що світлодіодне освітлення у квартирі найенергозберігаюче.

Є ще одна чутка, що світлодіодні лампи для будинку краще не використовувати, оскільки вони не витримують плавного регулювання або стрибків напруги, а також швидко виходять з ладу при частих включеннях.

Давайте почнемо з самого початку, тому, що розуміння, що таке світлодіод, допоможе нам прийняти своє рішення, не засноване на чутках, міфах та підступах продавців ламп розжарювання.

Звідки та яке світло світлодіодних ламп ми бачимо?

Відповідь відразу – така, яку Ви обрали, як з точки зору температури світла (спектральних характеристик), так і з точки зору витрат потужності на питому освітлювану площу. Або, простіше кажучи, лампа розжарювання в сто ват буде світити весь час у свої сто ват так, як вміє, тоді, як світлодіод буде не тільки світити туди, куди треба, але і тим світлом, яке Вам приємне. А світиться, чи буде елемент (точковий), чи поверхня, залежно від того, яку світлодіодну лампу вибрали для цієї зони приміщення.

Найбільш спірним моментом є питання енергозбереження. Цей міф народився як аргумент у спорі конкуруючих виробників, і якщо чесно, то енергозберігаючі лампи дійсно споживають енергії на освітлення трохи менше, ніж світлодіодні лампи. Запитайте, як тут вибрати? Якщо вірити виробникам, то аж ніяк. Це паритет. Рівновагу кволого світу, що у стані війни. Щоправда, світлодіоди тут, швидше, постраждала сторона, оскільки з'явилися на ринку після того, як великі корпорації вклали багато грошей в енергозбереження, вирішивши, що світлодіоди надто дорога іграшка.

А потім відбулася одна подія, яка має пряме відношення до підзаголовка. З'ясувалося, що спектральні характеристики світлодіодів трохи кращі, ніж навіть денне світло. Виявилося, що світло світлодіодних ламп не має мерехтіння, яке є навіть біля ламп розжарювання. У лампі розжарювання це частота мережі (зазвичай 50 Герц), а в лампи денного світла (енергозберігаюча) кратна потрійній фазі, тобто приблизно 3 герці. Мабуть, усі бачили «моргаючі» лампи денного світла? Це те саме. Лампа світиться лише тоді, коли є струм, доки немає струму, вона не світить. Просто в лампах денного світла це помітніше.

Світлодіодна лампа не має цього недоліку, вона не чутлива ні до сили струму, ні до перепаду напруги, ні до частоти. Є напруга – вона світить, ні – не світить.

Якщо багато працюєте за столом, з документами чи дрібною роботою – купіть настільну лампу на світлодіодах та забудьте про стомлення очей. Проблеми зору при такій роботі - те мерехтіння, якого ми не помічаємо.

У чому відмінність фізики світла світлодіодних ламп від решти?

У принципі перетворення енергії. Саме це вирішує кілька проблем висвітлення:

1. Мінімальна витрата електрики на освітлення.
2. Найбільш правильний спектр освітлення приміщення (зони у приміщенні).
3. Точкове висвітлення обраної ділянки (наприклад, картини).
4. Довговічність і зменшення нагріву елемента, що світиться.
5. Можливість керування спектральними характеристиками освітлення.
6. Мінімальна вартість освітлювальних приладів.

Всі ці проблеми вирішили саме світлодіодні лампи. Залишилося вирішити, як вибрати підходящі й справу в капелюсі. Щоправда, останній пункт світлодіодні лампи ніяк не вирішують, будучи і зараз найдорожчими. Вся справа в тому самому перетворенні. Світлодіод безпосередньо, без посередників, перетворює електричну енергію на світло. Це досить нова технологія, тому і пункт 6 поки що для багатьох стає обмеженням у виборі.

Прості цифри в корисному перетворенні електрики на світло

• Лампа розжарювання. ККД 12% втрати 75% (нагрів спіралі);
• Модернізовані лампи розжарювання. ККД 15% втрати 68% (опір нитки розжарювання);
• Лампи індукованого світіння (люмінесцентні, ртутні та ін.). ККД 22% втрати 45% (реактивні, пускові струми);
• Світлодіодні лампи. ККД 58% втрати 18% (комутація);
• Лампи замкненого циклу. ККД 84% втрати 6% (замкнутий цикл до закінчення заряду акумулятора).

Якщо складати ці цифри, то 100% ви не отримаєте. Це експериментальний чинник. Але значення ККД це саме те, скільки електрики стає світлом. Лампи замкнутого циклу – це світильники вуличного типу із сонячними батареями та акумуляторами. Вони не вимагають витрат на енергію, і за бажання при їхньому світлі можна навіть прочитати газету. Решта видно за цифрами вище.

Ще трохи фізики. П'єзоелектрики (пам'ятаєте «вічні запальнички для газових плит»?) При виробленні «іскри» при натисканні не витрачають «матерію». Вони справді можуть «вічно» видавати іскру розряду при натисканні клавіші. І жодних батарейок не треба. Приблизно також працює світлодіод. На контакти подається напруга, матеріал випромінює фотон світла. Лампа починає світити. Як довго такі лампи можуть світити, ми не знаємо, оскільки вони недавно почали працювати, а яка енергетична насиченість збуджених матеріалів «світлом», поки не знає ніхто. Очевидно одне, світлодіодне освітлення у квартирі пропрацює дуже багато років. Простіше кажучи, в рамках окремої квартири це свого роду «Вічний світловий освітлювач». Принаймні теоретично. Давайте тепер спустимося з небес на землю і подивимося, що відбувається на практиці.

Практичні рекомендації щодо вибору освітлення з коментарями та порадами

Перш ніж приступити до питання, як вибрати світлодіодні лампи, трохи про технічні характеристики. Почнемо з головного: з того, що світить.

Світіння світлодіодної лампи – це безперервне (без мерехтіння) перетворення електричної енергії на світло. Інакше кажучи, 1 кВтг енергії буде перетворено на світло з ККД не менше 60%. Це, до речі, відповідь на питання, чи я хочу світлодіодні лампи, як розрахувати потужність, в порівнянні з лампами розжарювання? Все просто. ККД світлодіода не менше 60%, ККД лампи розжарювання не більше 12%. Звідси співвідношення – світлодіодна лампа 30 Ватт світить так само яскраво, як лампа розжарювання 150 Ватт. І ніякої каверзи, адже при такому порівнянні світлодіодна лампа все одно витратить майже вдвічі менше електроенергії. Точніше, Ви заплатите за те саме освітлення вдвічі менше.

При виборі світлодіодної лампи звертаємо увагу на такі фактори:

• Вибираємо світлодіодні лампи спочатку за потужністю, враховуючи понижувальний коефіцієнт - лампа розжарювання 100 Ватт, це світлодіодна лампа 12 Ватт. Запевняємо Вас, світність у них буде однакова. Правда світло світлодіодної лампи буде тепліше, приємніше очам.
• Другим моментом вибору спектр. Мало хто задумається, прочитавши на упаковці «цифру» Кельвінов, що це означає. Справа в тому, що решта ламп просто не може мати саме цієї характеристики – тієї самої «температури світла». Тим не менш, варто пам'ятати, що чим вище цифра, тим яскравіше і тепліше світло світлодіодних ламп буде у Вашому домі.
• Можливість плавного регулювання (управління димером) також вказана на упаковці, як позначка «допускається плавне регулювання яскравості». Якщо вирішили витратити гроші на економію, варто мати на увазі, що світлодіоди можна «пригасити», якщо не потрібне повне світло.
• Відповідність стандартам. Погодьтеся, дорога лампа, яку нікуди вставити це той самий випадок – гроші на вітер. Зараз виготовляються лампи з усіма типами цоколя, і практично будь-якою формою елемента, що світиться:

Основні параметри вибору

Що ж ми маємо як основні параметри? Це не таке просте питання, як здається.

1. Виробник? Гарантії та термін служби? Застосовність у мережах з нестабільною напругою?
2. Можливість включення у складних умовах (у тому числі для зовнішнього використання) та при перевантаженнях?
3. Приблизний обсяг економії, якщо використовувати лише світлодіодні лампи?
4. Порівняльна вартість приладів освітлення, якщо замінити світлодіодними лампами.

1-е питання. Дуже складно зрозуміти, хто виробник, чи є гарантія на виріб, і скільки він прослужить. За характеристиками іноді складно зрозуміти ця лампа для 220В чи для 127В? Часто у лампи спектр вказаний як точка на шкалі, в якій ніхто, крім вченого оптика, розібратися не зможе. Допустимі коливання напруги взагалі не пишуть, хіба що в паспорті лампи, як дивного виду синусоїди.

Друге питання. Будь-які світлодіодні лампи можна вмикати та вимикати в умовах будь-яких перевантажень. Це перший тип ламп, який продовжує світити після короткого замикання мережі. Також, це перший тип ламп, що світиться елемент яких не може вийти з ладу через мережеве навантаження. Строго кажучи, світлодіодна лампа може вийти з ладу тільки при фізичному руйнуванні. Принаймні поки немає даних про припинення світіння з інших причин. А ці лампи досліджують уже 12 років. Цікаві висновки про те, що потужність світлодіодних ламп дозволяє їм бути своєрідними запобіжниками від навантажень мережі. Чи чули слова «Діодний місток»? Так от світлодіодна лампа, свого роду тригер, здатний скинути надлишок навантаження у вигляді спалаху. Ви її можете не побачити, але Ваша мережа буде вдячна за таку розрядку.

Третє питання. Лампа розжарювання в 100 ват при безперервній роботі протягом року використовує 100% отриманої електрики. Лічильник цю електрику підрахує та перетворить на квитанцію оплати від енергетиків. Якщо замінити лампу розжарювання світлодіодною лампою, яка працювала так само довго, то ми теж отримаємо рахунок на оплату від енергетиків. Щоправда, цей рахунок відрізнятиметься від першого. Якщо за лампу розжарювання ми заплатили 100 рублів, то світлодіодну лампу заплатимо 18,5 рублів. Звичайно, Ви можете не повірити, тому візьміть калькулятор і порахуйте. А ще краще – влаштуйте світлодіодне освітлення у квартирі, а за місяць порівняйте рахунки від енергетиків.

4 питання. Різниця в ціні становитиме для ламп розжарювання приблизно 8 разів. Тобто за таке ж освітлення світлодіодними лампами Ви заплатите приблизно в 7-8 разів більше, ніж за лампи розжарювання.

Реальна економія

Наразі стало очевидно, що в умовах різкого зростання вартості енергії окупність усіх приладів, що працюють на енергозбереження, значно скоротилася за строками. Крім того, варто пам'ятати, що всі ці прилади зазвичай продукт високих технологій, здатний працювати багато років поспіль. Тому, вибираючи лампи, не думайте, буде вона світлодіодна, чи ні. Подивіться на виробника, якість шрифту на упаковці, назву компанії, сумісність із електромережами. Після чого згадайте, що лампочка розжарювання в 100 Вт (при ціні в 10 рублів) буде коштувати Вам, 4 помножити на кВтг (доби 24 години), тобто 4 (24 0,1) щонайменше 10 рублів щодня, якщо забудете її вимкнути. А світлодіодна лампа для будинку порівнянної потужності, вартістю 200 рублів, при такій же забудькуватості обійдеться всього в 1 рубль 15 копійок.

Не нав'язуватимемо своєї думки, але в нашому колективі мало хто не замінив звичайні лампи на світлодіодні. Не на енергозберігаючі лампи, а на лампи, що заощаджують гроші!

Шляхом відповідного вибору напівпровідникового матеріалу і присадки можна цілеспрямовано впливати на характеристики світлового випромінювання світлодіодного кристала, перш за все на спектральну область випромінювання та ефективність перетворення енергії, що підводиться:

• GaALAs- арсенід галію алюмінію; на його базі – червоні та інфрачервоні світлодіоди.
• GaAsP- фосфід арсеніду галію; AlInGaP – фосфід алюміній-індій-галій; червоні, помаранчеві та жовті світлодіоди.
• GaP- фосфід галію; зелені світлодіоди.
• SiC- карбід кремнію; перший, комерційно доступний блакитний світлодіод із низькою світловою ефективністю.
• InGaN- нітрид індія-галію; GaN - нітрид галію; УФ синій і зелений світлодіоди.

Для отримання білого випромінювання з тією чи іншою температурою кольору є три принципові можливості:

1. Перетворення випромінювання блакитного світлодіода жовтим люмінофором (рисунок 1а).

2. Перетворення випромінювання УФ-світлодіода трьома люмінофорами (аналогічно люмінесцентним лампам з так званим трисмуговим спектром) (рисунок 1б).

3.Адитивне змішування випромінювань червоного, зеленого та блакитного світлодіодів (RGB-принцип, аналогічний технології кольорового TV). Відтінок кольору випромінювання білих світлодіодів може бути охарактеризований значенням корельованої колірної температури.

Більшість типів сучасних білих світлодіодів випускається на базі блакитних у комбінації з конверсійними люмінофорами, які дозволяють отримати біле випромінювання з широким діапазоном колірної температури – від 3000 К (тепло-біле світло) до 6000 К (холодне денне світло).

Робота світлодіодів у схемах живлення

Кристал світлодіода починає випромінювати, коли в ньому протікає струм у прямому напрямку. Світлодіоди мають експоненційно зростаючу вольтамперну характеристику. Зазвичай вони живляться постійним стабілізованим струмом або постійною напругою з включеним обмежуючим опором. Це запобігає небажаним змінам номінального струму, які впливають на стабільність світлового потоку, а в гіршому випадку можуть навіть призвести до пошкодження світлодіода.
При невеликих потужностях використовують аналогові лінійні регулятори, для живлення потужних діодів - мережеві блоки зі стабілізованим струмом або напругою на виході. Зазвичай світлодіоди включаються послідовно, паралельно або послідовно-паралельні ланцюжки (див. малюнок 2).

Плавне зниження яскравості (димування) світлодіодів здійснюється регуляторами із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) або зменшенням прямого струму. За допомогою стохастичної ШІМ можна досягти мінімізації діапазону перешкод (проблема електромагнітної сумісності). Але в даному випадку при ШІМ може спостерігатися пульсація випромінювання світлодіода, що заважає.
Величина прямого струму варіюється в залежності від моделі: наприклад, 2 мА - у мініатюризованих світлодіодів площинного монтажу (SMD-LED), 20 мА - у світлодіодів діаметром 5 мм з двома зовнішніми струмівводами, 1 А. - у потужних світлодіодів для освітлення. Пряма напруга UF зазвичай лежить в межах від 1,3 В (ІЧ-діоди) до 4 В (світлодіоди на базі нітриду індія-галію - білі, блакитні, зелені, УФ).
Тим часом вже створені схеми живлення, що дозволяють під'єднувати світлодіоди безпосередньо до мережі змінного струму 230 В. Для цього дві гілки світлодіодів включаються антипаралельно і приєднуються до стандартної мережі через омічний опір. У 2008 році професор П. Маркс отримав патент на схему регулювання яскравості світлодіодів, що живляться стабілізованим змінним струмом (див. рис. 3).
Південнокорейська фірма Seoul Semiconductors інтегрувала схему (малюнок 3) з двома антипаралельними ланцюжками (у кожному з яких велика кількість світлодіодів) безпосередньо в одному чіпі (Acriche-LED). Прямий струм світлодіодів (20 мА) обмежується омічним опором, послідовно підключеним до антипаралельної схеми. Пряма напруга на кожному із світлодіодів становить 3,5 Ст.

Енергетичний ККД

Енергетична ефективність світлодіодів (ККД) – відношення потужності випромінювання (у Ваттах) до електричної споживаної потужності (у світлотехнічній термінології це енергетична віддача випромінювання – т|е).
У теплових випромінювачах, до яких належать класичні лампи розжарювання, для генерації видимого випромінювання (світла) необхідне нагрівання спіралі до певної температури. Причому основна частка енергії, що підводиться, перетворюється на теплову (інфрачервоне випромінювання), а у видиме випромінювання трансформується тільки?е = 3% у звичайних, і че - 7% - у галогенних ламп розжарювання.

Світлодіоди для застосування в прикладній світлотехніці перетворюють електроенергію, що підводиться, у видиме випромінювання в дуже вузькій спектральній області, причому в кристалі виникають теплові втрати. Це тепло повинно відводитися від світлодіода спеціальними конструктивними методами для того, щоб забезпечити необхідні світлові, колірні параметри та максимальний термін служби.
У світлодіодів для цілей освітлення та сигналізації ІЧ- та УФ-складові у спектрі випромінювання практично відсутні, і такі світлодіоди мають значно більшу енергетичну ефективність, ніж теплові випромінювачі. При сприятливому тепловому режимі у світлодіодів у світ перетворюється 25% енергії, що підводиться. Тому, наприклад, у білого світлодіода потужністю 1 Вт приблизно 0,75 Вт припадає на теплові втрати, що вимагає конструкції світильника наявності тепловідвідних елементів або навіть примусового охолодження. Таке управління тепловим режимом світлодіодів набуває особливої ​​значущості. Бажано, щоб виробники світлодіодів та світлодіодних модулів наводили у переліку характеристик своїх виробів значення енергетичного ККД.

Управління телпловим режимом
Нагадаємо, що майже 3/4 електроенергії, що споживається світлодіодом, перетворюється на тепло і лише 1/4 - на світло. Тому при конструюванні світлодіодних світильників вирішальну роль у забезпеченні їхньої максимальної ефективності грає оптимізація теплового режиму світлодіодів, простіше кажучи, інтенсивне охолодження.

Як відомо, передача тепла від нагрітого тіла здійснюється за рахунок трьох фізичних процесів:

1. Випромінювання

Ф = W? =5,669?10-8?(Вт/м2?К4)??А?(Тs4 – Та5)
де: W? - Потік теплового випромінювання, Вт
? - Коефіцієнт випромінювання
Тs – температура поверхні нагрітого тіла,
Та - температура поверхонь, що обмежують приміщення,
А - площа поверхні, що випромінює тепло, м?

2. Конвекція

Ф = ?? А? (Тs-Та)
де: Ф - тепловий потік, Вт
А - площа поверхні нагрітого тіла, м?
? - Коефіцієнт теплопередачі,
Тs - температура граничного тепловідвідного середовища, К
Та - температура поверхні нагрітого тіла,
[для неполірованих поверхонь? = 6 ... 8 Вт / (м? К)].

3. Теплопровідність

Ф = ?T?(А/l) (Тs-Та) =(?T/Rth)
де: Rth = (l /? T?A) - тепловий опір, K / Вт,
Ф – теплова потужність, Вт
A – поперечне перетин
l-довжина - ?T - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м?К)
для керамічних елементів охолодження? T = 180 Вт / (м? К),
для алюмінію – 237 Вт/(м?К),
для міді – 380 Вт/(м?К),
для алмазу – 2300 Вт/(м?К),
для вуглецевих волокон – 6000 Вт/(м?К)]

4. Тепловий опір

Сумарний тепловий опір розраховується як:

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

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

Резюме
При дизайні світлодіодних світильників необхідно вжити всіх можливих заходів для полегшення теплового режиму світлодіодів за рахунок теплопровідності, конвекції та випромінювання. Тому першочергове завдання при конструюванні світлодіодних світильників – забезпечити відведення тепла за рахунок теплопровідності спеціальних елементів, що охолоджують, або конструкції корпусу. Тоді вже ці елементи відводитимуть тепло випромінюванням та конвекцією.
Матеріали тепловідвідних елементів повинні мати мінімальний тепловий опір.
Хороші результати були отримані з тепловідвідними вузлами типу Heatpipes, що володіють екстремально високими теплопровідними властивостями.
Один з найкращих варіантів тепловідведення – керамічні підкладки з попередньо нанесеними струмопровідними трасами, безпосередньо до яких підпаюються світлодіоди. Охолодні конструкції на базі кераміки відводять приблизно в 2 рази більше тепла в порівнянні зі звичайними варіантами металевих елементів, що охолоджують.
Взаємозв'язок електричних та теплових параметрів світлодіода проілюстровано на рис. 4.
На рис. 5 показана типова конструкція потужного світлодіода з алюмінієвим охолоджуючим елементом та ланцюг теплових опорів, а на рис. 6-8 - різні методи охолодження.

Випромінювання

Поверхня освітлювального приладу, на якій монтується світлодіод або модуль з декількома світлодіодами не повинна бути металевою, оскільки метали мають дуже низький коефіцієнт випромінювання. Поверхні світильників, що контактують зі світлодіодами, повинні, по можливості, мати високий спектральний коефіцієнт випромінювання?

Конвекція

Бажано мати досить велику площу поверхні корпусу світильника для безперешкодного контакту з потоками навколишнього повітря (спеціальні охолодні ребра, шорстка структура і т.д.). Додаткове відведення тепла можуть забезпечити примусові заходи: мінівентилятори або мембрани, що вібрують.

Теплопровідність

Через дуже невелику площу поверхні та обсягу світлодіодів необхідне охолодження за рахунок випромінювання та конвенції не досягається.

Приклад розрахунку теплового опору білого світлодіода

UF = 3,8 В
IF = 350 мА
PLED = 3,8? 0,35 A = 1,33 Вт
Оскільки оптичний ККД світлодіода дорівнює 25%, лише 0,33 Вт перетворюється на світло, інші 75% (Pv=1 Вт) – в тепло. (Часто в літературі при розрахунку теплового опору RthJA припускаються помилки, приймаючи, що Pv = UF ? IF = 1,33 Вт - це неправильно!)

Максимально допустима температура активного шару (p-n – переходу Junction) TJ = 125°C (398 K).

Максимальна навколишня температура ТA = 50 ° С (323 К).

Максимальний тепловий опір між замикаючим шаром та оточенням:

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

Згідно з даними виробника, тепловий опір світлодіода

RthJS = 15 К/Вт

Необхідний тепловий опір додаткових тепловідвідних елементів (охолоджуючі ребра, теплопровідні пасти, компаунди, що клеють, плата):

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

На рис. 9 пояснено теплові опори для діода на платі.
Взаємозв'язок температури активного шару та теплового опору між замикаючим (активним) шаром та точкою припою висновків кристала визначає формулу:

TJ = UF? IF? ?e? RthJS + ТS

де ТS – температура, виміряна у точці припою висновків кристала (у разі вона дорівнює 105°С)

Тоді, для прикладу з білим світлодіодом потужністю 1,33 Вт температура активного шару визначиться як
TJ = 1,33 Вт? 0,75? 15 К/Вт + 105 ° С = 120 ° С.

Деградація випромінювальних характеристик через температурне навантаження на активний (замикаючий) шар.
Знаючи реальну температуру в точці припою і маючи дані, надані виробником, можна визначити теплове навантаження на активний шар (TJ) та її вплив на деградацію випромінювання. Під деградацією розуміється зниження світлового потоку протягом експлуатації світлодіодного чіпа.

Вплив температури замикаючого шару
Принципова вимога: максимально допустима температура замикаючого шару не повинна перевищуватися, оскільки це може призвести до незворотних дефектів світлодіодів або до спонтанних виходів їх з ладу.
У зв'язку зі специфікою фізичних процесів, що протікають під час функціонування світлодіодів, зміна температури замикаючого шару TJ в діапазоні допустимих значень впливає на багато параметрів світлодіодів, у тому числі на пряму напругу, світловий потік, координати кольоровості та термін служби.

При використанні світлодіодів як основне джерело світла виникає питання - яка потужність світильників для цього необхідна. Щоб відповісти на нього, потрібно знати від чого залежить ККД світлодіодів.

ККД світлодіодного елемента

В ідеальному світлодіоді з ККД 100% кожен електрон, що надійшов, випромінює фотон світла. Така ефективність недосяжна. У реальних пристроях вона оцінюється за співвідношенням світлового потоку до підведеної потужності.

На цей показник впливає кілька факторів:

• Ефективність випромінювання. Це кількість фотонів, що випромінюються на p-n переході. Падіння напруги у ньому становить 1,5-3В. При подальшому підвищенні напруги живлення воно не росте, а збільшується струм через прилад і яскравість світла. На відміну від лампи розжарювання, вона має лінійну залежність від струму, що протікає, тільки до певної величини. При подальшому підвищенні струму додаткова електрична потужність витрачається лише на нагрівання, що призводить до падіння ККД.
• Оптичний вихід. Усі виділені фотони повинні випромінюватись в навколишній простір. Саме це є головним стримуючим фактором збільшення ККД світлодіодів.
• Деякі світлодіоди для кращого кольору покриваються шаром люмінофора. В цьому випадку на ККД пристрою додатково впливає ефективність перетворення світла.

На початку XXI століття нормою вважався ККД 4%, а зараз поставлено рекорд у 60%, що у 10 разів більше, ніж у лампи розжарювання.

"Середній по лікарні" ККД для топових виробників типу Philips або Cree коливається 35-45%. Точні параметри можна побачити в дататі конкретної моделі. ККД для бюджетних китайських світлодіодів — це рулетка з розкидом 10-45%.

Але це теоретичні показники, на які ми не можемо вплинути. Насправді ключову роль грають струм, поданий на діод і температурний режим. Прекрасну роботу проробив користувач ютуба під ніком berimor76, показавши на практиці залежність світлового потоку від струму, що подається, і температури. Дивимося відео.

ККД джерела живлення

Крім ККД самих світлодіодів, на енергоефективність світлодіодних ламп та світильників впливає джерело живлення. Вони є двох типів:

• Блок живлення. Подає на світлодіоди постійну, заздалегідь задану напругу, незалежно від споживаного струму.
• Драйвер. Забезпечує постійне значення струму. Напруга при цьому значення не має.

Блок живлення

Блок живлення подає на світлодіод напругу, що перевищує необхідне відкриття p-n переходу. Але опір відкритого діода дуже мало. Тому обмеження струму послідовно з джерелом світла встановлюється резистор. Потужність, що виділяється на ньому, повністю перетворюється на тепло, що знижує ККД світлодіодного світильника. Наприклад, у led-стрічці втрати становлять близько 25%.

Більш досконалим та економічним пристроєм є електронний драйвер.

Драйвер

Драйвер для живлення світлодіодів забезпечує їх струмом постійної величини. Діоди підключаються до пристрою послідовно у кількості, яка залежить від робочої напруги світлодіодів та максимальної напруги пристрою.

У світлодіодних лампах замість драйвера використовується струмообмежуючий конденсатор. При проходженні електричного струму виділяється так звана реактивна потужність. Вона не перетворюється на тепло, але електролічильник її все одно враховує. ККД такого драйвера залежить від кількості діодів, включених послідовно з ним.

Електронний драйвер встановлюється у світильниках великої потужності або в переносних пристроях, де економія електроенергії або ємності батарей важливіша за ціну за пристрій.

ККД світильника

При організації освітлення, зокрема світлодіодного, має значення ККД форм-фактора світильника. Це співвідношення всього світла, що виходить зі світильника до світлового потоку, що випромінюється лампою.

Будь-яка конструкція світильника, навіть зроблена з дзеркал чи прозорого скла, поглинає світло. Ідеальний варіант без втрат – це патрон із лампочкою, підвішений на проводах.

Але це рідкісний випадок, коли ідеальний не означає найкращий. Світловий потік від лампочки на дроті спрямований на всі боки, а не тільки в потрібну. Звичайно, світло, що потрапило на стелю або стіни відбивається від них, але далеко не все, особливо просто неба або в кімнаті з темними шпалерами.

Цим же недоліком володіє світлодіодна лампа з різнобічним розташуванням елементів (кукурудза) або з матовим розсіюванням. У разі розсіювач додатково поглинає світло.

На відміну від таких світильників, led-лампа з одностороннім розташуванням діодів спрямовує світло в один бік. ККД світильника з такою лампою близька до 100%. Освітленість, створювана нею вище, ніж в іншої, з таким самим світловим потоком, але спрямованим у різні боки.

Це пов'язано з конструктивними особливостями світлодіодів - на відміну від ламп розжарювання та люмінесцентних (енергозберігаючих), що мають кругову спрямованість випромінювання, вони випромінюють світло в діапазоні 90-120 градусів. Ті ж властивості мають світлодіодні стрічки і прожектори, що випромінюють світло тільки в одному напрямку.

Таким чином, максимальний світловий потік на ват потужності випромінюють світлодіоди в прожекторах з вбудованим електронним драйвером.

Після написання попередньої статті у мене самого залишилося не до кінця вирішеним питання – а що ж конкретно вигідніше купити і на скільки можна виграти у дальній та ближній перспективі. Плюс залишилися деякі невизначеності щодо ефективності світлодіодів. А питання спонукає до пошуку відповіді на нього, тож я продовжив розробляти цей напрямок. Не скажу, що вийшов матеріал на повноцінну статтю, але як доповнення до попередньої інформація містить істотно важливі дані буде корисною.

Спочатку розберемося з тим, який точно ККД у розглянутих у минулій частині світлодіодів. Раніше я взяв дані переважно зі статті iva2000 , не перевіряючи, т.к. там розглядалося питання ефективності фотосинтезу при освітленні світлом різного спектра. Тепер я вирішив розібратися й у загальній ефективності.

Розглядатимемо світлодіоди фірми CREE, т.к. вони, з одного боку, на сьогоднішній день найбільш просунуті за технологіями і, відповідно, світловіддачі на одиницю потужності, а з іншого, всі показники стабільні і добре задокументовані (на відміну від ноунейм виробників). Тут зазначена фірма мала б мені заплатити за рекламу, але на жаль, я пишу не з їхньої подачі, а просто тому, що так простіше і доступніше.

Отже, які досліджуватимемо світлодіоди? Не викладатиму сюди весь процес вивчення та відбору конкретних серій, щоб не затоплювати матеріал «водою». Коротко скажу, що вбирав найпотужніші і одночасно найефективніші чіпи, за умови вільної доступності та вигідної ціни. За цими критеріями підходять два типи: білі будуть із серії XM-L.

Це 10-ватні чіпи з ефективністю 158 lm/W (але не на максимальній потужності, а лише при 1 Вт). Холодно білі (6000-6500К), нейтрально білі (4000-4500К) та тепло-білі (3000-3500К).
І червоні із серії XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Посилання на документацію з світлодіодів наприкінці статті.

Розберемося із білими. Минулого разу різниця в ККД світлодіодів білого світіння не була врахована і ефективність оцінювалася лише стосовно кривої фотосинтетичної активності McCree.

Цього разу я вирішив докладніше уточнити це питання. На жаль, у документації до світлодіодів ніколи не наводять ккд, а пишуть люмени на ват, тому довелося робити зворотний розрахунок. По спектру світлодіода та фотопічної кривої розраховується скільки люмен було б у світлодіода, якби його ккд дорівнював 100%, а потім на це число ділиться число реальних люмен, взяте з документації на світлодіод. І ось що у нас вийшло для трьох типів білих світлодіодів:

Зліва направо: холодно-білий, нейтрально білий та тепло-білий.

Привертає увагу, що незважаючи на зростання люменів при переході від холодно-білого до тепло-білого спектру (при однаковій потужності випромінювання), табличні значення lm/W та загальний ккд світлодіода падає і дуже суттєво - з 40 до 23%. Вся справа в тому, що люмінофор, якого в світлодіоді тепло-білого світіння набагато більше, сам має не 100% ККД, та ще й, мабуть, при його великій кількості має ефект, що затіняє (промені випромінювані нижніми шарами поглинаються вище лежачими і пропадають ). При цьому показник люмен на ват використовується при струмі 2А (з максимально трьох) - видно, що він при цьому падає зі 140 при 350мА до 108 (для холодно-білого). У документі Cree такої таблиці немає - там дані абсолютні люмени при заданому струмі, а потужність треба розраховувати, користуючись даними з графіка вольт-амперної характеристики. Ось відповідні дані з даташиту:

Тепер розберемося із червоними.

З ними дещо простіше, т.к. світловий потік вказаний над люмінах а милливаттах. Достатньо розділити мілівати випромінювання на вати споживання та отримуємо ККД з високою точністю! На всі світлодіоди наводили б ці дані - 2/3 роботи можна було не робити!

І тут ми одразу робимо дивовижне відкриття - що ККД цих світлодіодів дорівнює 50%, причому (ще один графік, тут не наводжу), на відміну від синіх/білих кристалів, світловий потік росте лінійно зі струмом і кпд чипа не падає! Зате при перегріві чіпа падіння значно суттєвіше, ніж у синіх чіпів. Для порівняння у чисто синіх ккд за тих же умов 48% (порівняйте з цим показником у білих - вище). А от у «просто червоних» все набагато гірше. Їх ККД вийшов десь у районі 19%, а зі зростанням температури світловий потік падає ще швидше ніж у Photo red.

Ось уже вимальовуються цікаві варіанти використання окремих світлодіодів та їх комбінацій. Тепер перерахуємо таблицю ефективності з урахуванням нових даних.

Видно, що червоні Photo-red з великим відривом попереду всіх. Але висвітлювати чисто червоним не можна, тому потрібно комбінувати і тут йдуть варіанти з білим та синім. Відразу відзначимо (я вважав все, але викинув те, що вийшло не перспективно) комбінації тепло-білих з червоним. Низька ефективність тепло-білих світлодіодів зводить нанівець всі переваги червоних. А ось холодно-білі дуже гарні у такому поєднанні! Самі мають непоганий ккд, ще посилений червоними світлодіодами, а недолік червоного спектру так само покривається ними. Так само добре виглядає поєднання червоних із синіми. Потім йдуть просто холодно-білі та ДНаТ 1000, а решта по суті не тягнуть. Ну що ж подивимося як це виглядатиме в повному комплекті - з драйверами.

Далі логіка розрахунків йшла в припущенні, що ми хочемо отримати за ті ж гроші більше фотосинтетично активного випромінювання, тому всі цифри, у тому числі ціни на світлодіоди та драйвера, приведені до загальної величини фітоактивної радіації світильника 100мкмоль/с.

Колірне маркування як у попередній таблиці - щоб простіше було зрозуміти де якісь світлодіоди і не займати місце заголовками, що повторюються.

Але це лише ціна на старті – скільки потрібно вкласти грошей, щоб отримати лампочку на 100мкмоль/с. Цього мало - потрібно подивитися скільки вона обійдеться при експлуатації. І ось якщо порахувати до цього ще й витрати електроенергії у часі – ось тоді вийде повна картина, яку я й уявляю на загальний огляд!

Залишено для історії, оновлені дані нижче

Завдяки пильній увазі коментаторів з'ясувалося, що далеко не всі світлодіоди, які продають на аліекспресі з назвою CREE, насправді ними є. Найдешевші з них, близько півтора доларів за 10-ватний діод або найімовірніше є підробкою з чіпами виробництва китайської компанії LatticeBright, які коштують у рази дешевше за оригінальні і, на жаль, мають приблизно в 2 рази гірші показники. У зв'язку з цим я провів пошук цін відповідних світлодіодів у компанії Компел, що є офіційним дистриб'ютором компанії cree в РФ. Ціни там значно вищі ніж у китаї, але дрібним оптом досить вигідно, у тому числі порівняно із закордонними постачальниками.
І під час справи виправив два моменти - додав для кривої ДНаТ заміну ламп раз на рік. І виправив помилку (мій недогляд), через яку ціна всіх ламп вважалася на однакову їх потужність (100Вт), тоді як вихідна ідея була з розрахунку на одиницю фотоактивної радіації. У новому графіку дані ціни за світильник, що випромінює 100мкмоль/с, а не 100Вт. прошу вибачення за помилку.

Як розібратися в цій в'язці лозин?

Зліва – ціна світильника на старті. При цьому всі вони будуть видавати однакову кількість фітоактивної радіації, але мати різний спектр. Чим нижче починається смужка, тим дешевший набір. По осі Х у нас місяці. Передбачається, що світильник працює 12 годин на добу 7 днів на тиждень, всього 36 місяців, тобто. 3 роки. Це лише трохи більше 13 тис. годин, а для світлодіодів заявлено 50 тис. І якщо все зроблено правильно з охолодженням, а так само на світлодіоди подається струм 0.7 від максимального (так більше ККД на цілу третину), то пропрацюють вони і того більше , тобто. понад 10 років майже без деградації.

Чим горизонтальніше йде лінія - тим більше ККД у світильника. Бачимо, що багато ліній починаються вище (дорожче чіпи), але згодом виявляються дешевшими ніж дешевші аналоги. У цьому показовою є лінія для світлодіодів photo red - вона має найменший нахил.

Найдивовижніше, що найдешевшими тепер виявилися… Найдорожчі photo red світлодіоди! Це тому що вони мають найвищий ККД і найлегше засвоюваний спектр - їх потрібно найменше на початку і вони витрачають найменше електрики і в майбутньому! Великий інтерес мають комбінації «Холодно-білий+червоний photo red». На даному графіку наведено криву при співвідношенні білий: червоний як 2:1 за потужністю. І просто холодно-білий. Ці три лінії розходяться віялом, де крайні – білий та червоний світлодіоди, а середня – їх комбінація. Для вирощування рослин необхідні всі складові спектру, але у різних комбінаціях. Виходить, що всі варіанти поєднань спектрів найбільш ефективно покриваються лише однією комбінацією - холодно-білих і червоних світлодіодів (але в різному чисельному співвідношенні).
Варто зазначити, що комбінація синій+червоний хоч і має менший нахил ніж білий+червоний, але дає суттєво гірший показник ціна/світловий потік, тому не наздоганяє поєднання білий+червоний навіть за 3 роки. У 10-річній перспективі може бути кращим, але це винятковий випадок.
Фітолампа виявляється не така вже й дешева. Якщо врахувати її ККД вона дорожча навіть за холодно-білі світлодіоди, а вже в перспективі... Гроші за електрику на вітер...
ДНаТ і на початку не дуже дешевий (я здивувався скільки коштують ЕПРА для них, а ЕмПРА брати не варто - вони мають низький ККД, лампа через мерехтіння - теж, ще вони гудуть і гріються як піч) і згодом не наганяють - особливо з урахуванням заміни ламп - яку доведеться робити не рідше ніж раз на рік, що відображається як сходинки на графіку. Тож у сад.

Ось спектр поєднання білих з червоними світлодіодами, накладений на криву MkCree (4:1 за потужністю, на 2:1 не став переробляти):

Звичайно неправильно судити про такі речі ґрунтуючись на красивості графіків, але враховуючи цифри, які говорять те саме - на мій графік практично ідеальний щодо покриття спектру фотосинтетично активної діапазни.

Висновок залишається тим самим - купуйте холодно-білі світлодіоди та червоні CREE Photo red і буде вам купа світла для ваших рослин та економія для гаманця!
Так само можливе освітлення чисто червоними світлодіодами, про такий досвід писав один із коментаторів. Це буде найбільш доцільно у випадку, якщо рослини частково висвітлюються природним світлом (город на підвіконні, балконі, лоджії, коли пряме сонячне світло не потрапляє зовсім або на пару годин на день - тоді рослини отримують переважно сині промені від неба, а червоних їм катастрофічно не вистачає, як і загальної інтенсивності світла.Тут червоні світлодіоди заповнять наявний пробіл якнайкраще.Тільки це повинні бути високоефективні світлодіоди з довжиною хвилі випромінювання 660нМ і краще якщо це будуть CREE Photo red.Ну все, я пішов замовляти діоди!

Хочеться поставити одне запитання. А ви часто міняєте лапочки у своїй квартирі? Це не займає багато часу, та й самі лампочки коштують не дорого. Але вам не здається, що час трохи змінився? Розвиток технологій у сфері електрики, а точніше приладів та джерел освітлення, в даний час дозволяє підходити до вирішення цих питань з іншого боку.

Порівняння різних світлодіодних ламп

На ринку представлена ​​величезна кількість лампочок, які різняться по дизайнерському виконанню, матеріалів з яких вони виготовлені і колірною палітрою. Але основні елементи, у тому числі складаються лампи, всім видів незмінні.

Світлодіодні лампи складаються з:

• Корпуси;
• Розсіює колби;
• Світлодіодів;
• Драйвер.

Важливу роль у нормальній роботі світлодіодної лампочки відіграє її корпус, до складу якого входить радіатор, цоколь і елемент, що розсіює. Радіатор даних ламп виготовляється з алюмінію або його сплавів і має складну форму, за рахунок якої забезпечується якісне тепловідведення, що визначає довговічність роботи самих світлодіодів.

Якщо радіатор невеликого розміру, або виготовлений з неякісних матеріалів, то термін служби даної лампи скорочується в кілька разів, через довготривале перегрівання світлодіодів. Основну масу світлодіодної лампи становить вагу радіатора.

Неякісне з'єднання пластини зі світлодіодами до радіатора не здатне якісно відводити тепло.

Для безперебійної та довговічної роботи світлодіодів необхідно обмежувати струм. Цю функцію виконує драйвер. На ринку представлені два види обмежувачів: за допомогою конденсатора та драйвера.

Існує безліч світлодіодів різних виробників. Основним параметром світлодіодів є кількість Люмен/Ват (яскравість або світловіддача). Чим дорожчий світлодіод, тим він якісніший. Такі світлодіоди яскравіше світяться, менше гріються, це визначає, скільки прослужить лампа.

При порівнянні різних за ціною світлодіодних ламп, було відзначено, що дорожчі моделі менше гріються, немає видимого мерехтіння, і дані лапи мають більш високу світловіддачу.

Потужність світлодіодної лампочки

Дослідженнями доведено, що найбільш економічні та досконалі технологічно є лампи на основі світлодіодів. Але на сучасному ринку представлені інші види ламп, які знайшли широке застосування для приватного та промислового використання.

Види джерел світла (лампи):

• Накалювання;
• Люмінесцентні;
• Галогенні.

Всі ці джерела світла відрізняються один від одного за багатьма параметрами, але для кожного з них виробниками заявлена ​​певна потужність та сила світлового потоку.

Потужність всіх споживачів електроенергії вимірюється у Ваттах, що означає, потужність будь-якої лампи, як і потужність різних електроприладів, можна виміряти за допомогою Ваттметра.

Потужність світлодіодних ламп є їх найважливішою характеристикою, тому що даний параметр безпосередньо виляє на кількість і силу світла лампи. Але варто розуміти, що потужність лампи не є прямим фактором, що вказує на світлову віддачу. Це говорить про те, що з розвитком світлодіодних технологій, виробники намагаються збільшити світловіддачу з одного споживаного електроенергії Ватта.

Наприклад, світлодіодна лампа того самого виду, але різного покоління при однаковій світловіддачі, здатна знизити енергоспоживання на 10%. А це, у свою чергу, вигідно з економічної точки зору для тих, хто набуває цього виду продукту.

Важливо знати! Зазначені на упаковці потужність і світловіддача, можуть не відповідати параметрам лампочки, через недобросовісність виробників.

Так само варто відзначити, що однакова потужність ламп різних виробників жодним чином не впливає на світловіддачу. На цей параметр безпосередньо вказують цифри сили світлового потоку, які з тих чи інших причин у кожного виробника є різними. Наприклад, світлодіодна лампа одного виробника на 10 Ватт видаватиме світловий потік 700 – 800 Люмен, а лампа іншого виробника 600 – 650 Люмен.

Потужність світлодіодних ламп варіюється від 2 до 30 Ватт.

ККД світлодіодної та лампи розжарювання: відповідність

Світлодіодні лампи є відмінною альтернативою звичайним лампам розжарювання, а так само володіють якостями, які сприяють найбільш комфортному їх використанню.

Переваги світлодіодних ламп:

• Низьке енергоспоживання;
• Ефективна світловіддача;
• Високий світловий потік;
• Низька температура роботи.

Заміну звичайних ламп розжарювання на джерела світла на основі світлодіодів слід робити грамотно. Оскільки для того, щоб отримати потрібний світловий потік, необхідно порівняти значення яскравості різних видів ламп і здійснити переклад значення яскравості та потужності.

Таблиця значень світлодіодних та ламп розжарювання:

Світлодіодна лампа, модність, Ватт	Лампа розжарювання, потужність, Ватт	Потік світловий, Люмен

Використовуючи цю таблицю, ви легко зробите переклад та впораєтеся з підбором світлодіодних ламп на заміну застарілим моделям ламп розжарювання за потужністю та кількістю світлового потоку.

Відповідно до характеристик видно, що світлодіодна лампа 10 Ватт, світловим потоком дорівнює лампі розжарювання на 60 Ватт.

Важливо знати! Термін служби світлодіодних ламп у десятки разів перевищує час експлуатації ламп розжарювання.

Для того, щоб не виникало питань при виборі потрібних світлодіодних джерел світла, потрібно знати, що цоколь, що використовується, маркується Е27. Світлодіодні лампи з використанням даного цоколя є формою свічки, груші та інших різних форм.

Застосовуючи ці знання, вам не доведеться разом з лампами купувати відповідні освітлювальні прилади, що, безсумнівно, спростить роботи із заміни ламп на економічніші.

Відмінність світлодіодних ламп від енергозберігаючих

Світлодіодні та енергозберігаючі лампи істотно відрізняються один від одного не тільки формою та змістом, але й принципом роботи (ознаками, за якими відбувається свічення).

Дані види ламп порівнюють за:

• яскравості;
• Тепловіддачі під час роботи;
• Довговічність.

Світлодіодна лампа, по своїй суті, є твердотілим джерелом світла, робота якого заснована на випромінюванні світла при проходженні електричного струму, через напівпровідники, які в свою чергу для цього призначені.

Робота енергозберігаючих ламп заснована на принципі роботи люмінесцентних, що дозволяє за низьких енерговитрат виробляти потрібний світловий потік. І якщо порівняти лампи, що підходять під це визначення, то з упевненістю можна сказати, що енергозберігаючими є лише флуоресцентні.

Для того, щоб визначити, яка лампа краще світить і скільки при цьому витрачає електроенергії, візьмемо для порівняння світлодіодну та енергозберігаючу лампу. Світловий потік світлодіодної лампи на 12 Ватт становить 900 Люмен, а енергозберігаюча лампа тієї ж потужності видає 600 Люмен. Це говорить про те, що з економічного погляду вигідні обидва види ламп.

Низька температура роботи світлодіодних ламп дозволяє вбудовувати їх відповідно до будь-яких дизайнерських рішень.

Якщо порівнювати ці види ламп за кількістю тепла, то в цьому випадку результати сильно розходяться. Світлодіодна лампа на 12 Ватів під час роботи нагрівається не більше ніж до 31 0 С, а ось нагрівання енергозберігаючої відповідає 80 0 С.

А говорячи про час експлуатації, то для енергозберігаючих вона становить 8000 годин, а для світлодіодних до 50000 годин.

Сучасні світлодіодні лампи: потужність у таблиці (відео)

Світлодіодні технології поступово витісняють застарілі. Пов'язано це з тим, що незважаючи на більш високу вартість при покупці, цей вид освітлення дозволяє заощаджувати надалі.