Освещение растений белыми светодиодами — о КПД и экономической эффективности. Сравниваем лампы накаливания и светодиодные – какие лучше

Хочется задать один вопрос. А вы часто меняете лапочки в своей квартире? Это не занимает много времени, да и сами лампочки стоят не дорого. Но вам не кажется, что времена немного изменились? Развитие технологий в сфере электрики, а точнее приборов и источников освещения, в настоящее время позволяет подходить к решению данных вопросов с другой стороны.

Сравнение различных светодиодных ламп

На рынке представлено огромное количество лампочек, которые различаются по дизайнерскому исполнению, материалов из которых они изготовлены и по цветовой палитре. Но основные элементы, из которых состоят лампы, для всех видов неизменны.

Светодиодные лампы состоят из:

• Корпуса;
• Рассеивающей колбы;
• Светодиодов;
• Драйвер.

Важную роль в нормальной работе светодиодной лампочки играет ее корпус, в состав которого входит радиатор, цоколь и рассеивающий элемент. Радиатор данных ламп изготавливается из алюминия или его сплавов и имеет сложную форму, за счет которой обеспечивается качественный теплоотвод, что в свою очередь определяет долговечность работы самих светодиодов.

В случае, если радиатор небольшого размера, или изготовлен из некачественных материалов, то срок службы данной лампы сокращается в несколько раз, из – за долговременного перегрева светодиодов. Основную массу светодиодной лампы составляет вес радиатора.

Некачественное соединение пластины со светодиодами к радиатору, не способно качественно отводить тепло.

Для бесперебойной и долговечной работы светодиодов, необходимо ограничивать ток. Данную функцию выполняет драйвер. На рынке представлены два вида ограничителей: при помощи конденсатора, и драйвера.

Существует огромное количество светодиодов различных производителей. Основным параметром светодиодов является количество Люмен/Ватт (яркость или светоотдача). Чем дороже светодиод, тем он качественней. Такие светодиоды ярче светятся, меньше греются, это определяет сколько прослужит лампа.

При сравнении разных по цене светодиодных ламп, было отмечено, что более дорогие модели меньше греются, нет видимого мерцания, и данные лапы обладают более высокой светоотдачей.

Мощность светодиодной лампочки

Исследованиями доказано, что наиболее экономичны и совершенны технологически, являются лампы на основе светодиодов. Но на современном рынке представлены и другие виды ламп, которые нашли широкое применение для частного и промышленного использования.

Виды источников света (лампы):

• Накаливания;
• Люминесцентные;
• Галогенные.

Все эти источники света отличаются друг от друга по многим параметрам, но для каждого из них производителями заявлена определенная мощность и сила светового потока.

Мощность всех потребителей электроэнергии измеряется в Ваттах, что означает, мощность любой лампы, как и мощность различных электроприборов можно измерить при помощи Ваттметра.

Мощность светодиодных ламп, является их важнейшей характеристикой, так как данный параметр непосредственно виляет на количество и силу света лампы. Но стоит понимать, что мощность лампы, не является прямым фактором, указывающим на световую отдачу. Это говорит о том, что с развитием светодиодных технологий, производители стараются увеличить светоотдачу с одного потребляемого Ватта электроэнергии.

Например, светодиодная лампа одного и того же вида, но разного поколения при одинаковой светоотдаче, способна снизить энергопотребление на 10%. А это, в свою очередь выгодно с экономической точки зрения для тех, кто приобретает данный вид продукта.

Важно знать! Указанные на упаковке мощность и светоотдача, могут не соответствовать параметрам лампочки, из – за недобросовестности производителей.

Так же, стоит отметить, что одинаковая мощность ламп разных производителей никаким образом не влияет на светоотдачу. На этот параметр непосредственно указывают цифры силы светового потока, которые по тем или иным причинам у каждого производителя разные. Например, светодиодная лампа одного производителя на 10 Ватт, будет выдавать световой поток 700 – 800 Люмен, а лампа другого производителя 600 – 650 Люмен.

Потребляемая мощность светодиодных ламп варьируется от 2 до 30 Ватт.

КПД светодиодной и лампы накаливания: соответствие

Светодиодные лампы, являются отличной альтернативой обычным лампам накаливания, а так же обладают качествами, которые способствуют наиболее комфортному их использованию.

Преимущества светодиодных ламп:

• Низкое энергопотребление;
• Эффективная светоотдача;
• Высокий световой поток;
• Низкая температура работы.

Замену обычных ламп накаливания на источники света на основе светодиодов, следует производить грамотно. Так как, для того, чтобы получить нужный световой поток, необходимо сравнить значения яркости различных видов ламп и осуществить перевод значения яркости и мощности.

Таблица значений светодиодных и ламп накаливания:

Используя данную таблицу, вы легко сделаете перевод и справитесь с подбором светодиодных ламп на замену устаревшим моделям ламп накаливания по мощности и количеству светового потока.

Согласно характеристикам видно, что светодиодная лампа 10 Ватт, световым потоком ровняется лампе накаливания на 60 Ватт.

Важно знать! Срок службы светодиодных ламп, в десятки раз превосходит время эксплуатации ламп накаливания.

Для того, чтобы, не возникало вопросов при выборе нужных светодиодных источников света, нужно знать, что используемый цоколь маркируется Е27. Светодиодные лампы с использованием данного цоколя представляют собой форму свечи, груши и других различных форм.

Применяя эти знания, вам не придется вместе с лампами покупать подходящие осветительные приборы что, несомненно, упростит работы по замене ламп на более экономичные.

Отличие светодиодных ламп от энергосберегающих

Светодиодные и энергосберегающие лампы, существенно отличаются друг от друга не только формой и содержанием, но и принципом работы (признакам, по которым происходит свечение).

Данные виды ламп сравнивают по:

• Яркости;
• Теплоотдаче при работе;
• Долговечности.

Светодиодная лампа, по своей сути является твердотельным источником света, работа которого основана на излучении света при прохождении электрического тока, через полупроводники, которые в свою очередь для этого предназначены.

Работа энергосберегающих ламп основана на принципе работы люминесцентных, что позволяет при низких энергозатратах производить нужный световой поток. И если сравнить лампы подходящие под это определение, то с уверенностью можно сказать, что энергосберегающими являются только флуоресцентные.

Для того, чтобы определить, какая лампа лучше светит и сколько при этом затрачивает электроэнергии, возьмем для сравнения светодиодную и энергосберегающую лампы. Световой поток светодиодной лампы на 12 Ватт, составляет 900 Люмен, а энергосберегающая лампа той же мощности выдает 600 Люмен. Это говорит о том, что с экономической точки зрения выгодны оба вида ламп.

Низкая температура работы светодиодных ламп позволяет встраивать их в соответствии с любыми дизайнерскими решениями.

Если сравнивать эти виды ламп по количеству исходящего тепла, то в этом случае результаты сильно расходятся. Светодиодная лампа на 12 Ватт при работе нагревается не более чем до 31 0 С, а вот нагрев энергосберегающей соответствует 80 0 С.

А говоря о времени эксплуатации, то для энергосберегающих она составляет 8000 часов, а для светодиодных до 50000 часов.

Современные светодиодные лампы: мощность в таблице (видео)

Светодиодные технологии, постепенно вытесняют устаревшие. Связано это с тем, что несмотря на более высокую стоимость при покупке, данный вид освещения позволяет экономить в последующем.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа светодиодов в схемах питания

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

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

Энергетический КПД

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

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

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

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

1. Излучение

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

2. Конвекция

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

3. Теплопроводность

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

4. Тепловое сопротивление

Суммарное тепловое сопротивление рассчитывается как:

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

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

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

Излучение

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

Конвекция

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

Теплопроводность

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

Пример расчета теплового сопротивления для белого светодиода

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

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

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

Максимальное тепловое сопротивление между запирающим слоем и окружением:

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

Согласно данным производителя, тепловое сопротивление светодиода

RthJS = 15 К/Вт

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

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

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

TJ= UF ? IF ? ?e? RthJS + ТS

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

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

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

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