Светоотдача светодиодов: Световой поток светодиодных ламп и накаливания – Освещение растений белыми светодиодами / Habr

КПД светодиодов. КПД LED светильников и источников питания

При использовании светодиодов в качестве основного источника света возникает вопрос — какая мощность светильников для этого необходима. Чтобы на него ответить, нужно знать от чего зависит КПД светодиодов.

КПД светодиодного элемента

В идеальном светодиоде с КПД 100% каждый поступивший электрон излучает фотон света. Такая эффективность недостижима. В реальных устройствах она оценивается по соотношению светового потока к подведённой (потребляемой) мощности.

На этот показатель влияет несколько факторов:

  • Эффективность излучения. Это количество фотонов, излучаемых на p-n переходе. Падение напряжения на нём составляет 1,5-3В. При дальнейшем повышении напряжения питания, оно не растёт, а увеличивается ток через прибор и яркость света. В отличие от лампы накаливания, она имеет линейную зависимость от протекающего тока только до определённой величины. При дальнейшем повышении тока дополнительная электрическая мощность расходуется только на нагрев, что ведёт к падению КПД.
  • Оптический выход. Все выделенные фотоны должны излучаться в окружающее пространство. Именно это является главным сдерживающим фактором для увеличения КПД светодиодов.
  • Некоторые светодиоды для лучшей передачи цвета покрываются слоем люминофора. В этом случае на КПД устройства дополнительно влияет эффективность преобразования света.
График зависимости светового потока от тока, проходящего через светодиодГрафик зависимости светового потока от тока, проходящего через светодиод

В начале XXI века нормой считался КПД 4%, а сейчас поставлен рекорд в 60%, что в 10 раз больше, чем у лампы накаливания.

«Средний по больнице» КПД для топовых производителей типа Philips или Cree колеблется 35-45%. Точные параметры можно увидеть в даташите конкретной модели. КПД для бюджетных китайских светодиодов — это всегда рулетка с разбросом 10-45%.

Но это теоретические показатели, на которые мы повлиять не можем. На практике ключевую роль играют ток, подаваемый на диод и температурный режим. Прекрасную работу проделал пользователь ютуба под ником berimor76, показав на практике зависимость светового потока от подаваемого тока и температуры. Смотрим видео.

КПД источника питания

Кроме КПД самих светодиодов, на энергоэффективность светодиодных ламп и светильников оказывает влияние источник питания. Они есть двух типов:

  • Блок питания. Подаёт на светодиоды постоянное, заранее заданное напряжение, независимо от потребляемого тока.
  • Драйвер. Обеспечивает постоянное значение тока. Напряжение при этом значения не имеет.

Блок питания

Блок питания подаёт на светодиод напряжение, превышающее необходимое для открытия p-n перехода. Но сопротивление открытого диода очень мало. Поэтому для ограничения тока последовательно с источником света устанавливается резистор. Мощность, выделяющаяся на нём, полностью превращается в тепло, что понижает КПД светодиодного светильника. Например, в led-ленте потери составляют около 25%.

Более совершенным и экономичным устройством является электронный драйвер.

Драйвер

Драйвер для питания светодиодов обеспечивает их током постоянной величины. Диоды подключаются к устройству последовательно в количестве, которое зависит от рабочего напряжения светодиодов и максимального напряжения устройства.

Схема подключения светодиодов с током 300мА к драйверуСхема подключения светодиодов с током 300мА к драйверу

В светодиодных лампах вместо драйвера используется токоограничивающий конденсатор. При прохождении через него электрического тока выделяется так называемая реактивная мощность. Она не превращается в тепло, но электросчётчик её всё равно учитывает. КПД такого «драйвера» зависит от количества диодов, включённых последовательно с ним.

Схема светодиодной лампы с драйверомСхема светодиодной лампы с драйвером

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

КПД светильника

При организации освещения, в том числе светодиодного, имеет значение КПД форм-фактора светильника. Это соотношение всего света, выходящего из светильника к световому потоку, излучаемому самой лампой.

Любая конструкция светильника, даже сделанная из зеркал или прозрачного стекла, поглощает свет. Идеальный вариант без потерь — это патрон с лампочкой, подвешенный на проводах.

Но это редкий случай, когда идеальный не значит лучший. Световой поток от лампочки на проводе направлен во все стороны, а не только в нужную. Конечно, свет, попавший на потолок или стены отражается от них, но далеко не весь, особенно под открытым небом или в комнате с тёмными обоями.

Эффективность светильников разной формыЭффективность светильников разной формы

Этим же недостатком обладает светодиодная лампа с разносторонним расположением элементов («кукуруза») или с матовым рассеиванием. В последнем случае рассеиватель дополнительно поглощает свет.

В отличие от таких светильников, led-лампа с односторонним расположением диодов направляет свет в одну сторону. КПД светильника с такой лампой близка к 100%. Освещённость, создаваемая ею выше, чем у другой, с таким же световым потоком, но направленным в разные стороны.

Направление светового потока светодиодовНаправление светового потока светодиодов

Это связано с конструктивными особенностями светодиодов — в отличие от ламп накаливания и люминесцентных (энергосберегающих), имеющих круговую направленность излучения, они излучают свет в диапазоне 90-120 градусов. Теми же свойствами обладают светодиодные ленты и прожектора, излучающие свет только в одном направлении.

Таким образом, максимальный световой поток на ватт мощности излучают светодиоды в прожекторах со встроенным электронным драйвером.

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Освещение растений белыми светодиодами — о КПД и экономической эффективности

После написания предыдущей статьи у меня самого остался не до конца решенным вопрос — а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна.

Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из статьи iva2000, не проверяя, т.к. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.

Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т.к. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.

Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.

— это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К).
И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.

Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.

Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.

В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:


Слева направо: холодно-белый, нейтрально белый и тепло-белый.

Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности

излучения), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно — с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) — видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет — там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:


Теперь разберемся с красными.

С ними все немного проще, т.к. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные — 2/3 работы можно было не делать!



И тут мы сразу делаем удивительное открытие — что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых — выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».

Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.

Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте — с драйверами.

Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.

Цветовая маркировка как в предыдущей таблице — чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.

Но это только цена на старте — сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало — нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени — вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!

Оставлено для истории, обновленные данные ниже

Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл, являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками.
И по ходу дела исправил два момента — добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность.

Как разобраться в этой вязанке прутьев?

Слева — цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т.е. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0.7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т.е. более 10 лет практически без деградации.

Чем более горизонтально идет линия — тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red — она имеет наименьший наклон.

Самое удивительное что самыми дешевыми теперь оказались… Самые дорогие photo red светодиоды! Это потому что они имеют самый высокий КПД и самый «легкоусваиваемый» спектр — их нужно меньше всего в начале и они тратят меньше всего электричества и в будущем! Большой интерес представляют комбинации «Холодно-белый+красный photo red». На данном графике приведена кривая при соотношении белый: красный как 2:1 по мощности. И просто «холодно-белый». Эти три линии расходятся веером, где крайние — белый и красный светодиоды, а средняя — их комбинация. Для выращивание растений необходимы все составляющие спектра, но в разных комбинациях. Выходит что все варианты сочетаний спектров наиболее эффективно покрываются всего одной комбинацией — холодно-белых и красных светодиодов (но в разном численном соотношении).
Стоит отметить, что комбинация синий+красный хоть и имеет меньший наклон чем белый+красный, но дает существенно худший показатель цена/световой поток, поэтому не догоняет сочетание белый+красный даже за 3 года. В 10-летней перспективе может быть предпочтительнее, но это исключительный случай.
Фитолампа оказывается не такая уж и дешевая. Если учесть её КПД она дороже даже холодно-белых светодиодов, а уж в перспективе… Деньги за электричество на ветер…
ДНаТ и в начале не очень дешев (я удивился сколько стоят ЭПРА для них, а ЭмПРА брать не стоит — они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания — тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют — особенно с учетом замены ламп — которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.

Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):

Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое — по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.

Вывод остается прежним — покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день — тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!

Использованные материалы

Долговечность светодиодных ламп и снижение светового потока / LampTest corporate blog / Habr

Я провёл эксперимент и сравнил, как снижается световой поток разных светодиодных ламп в течение сорока минут после включения.
Перед любым тестированием я обязательно прогреваю светодиодные лампы не менее 30 минут. Дело в том, что любая светодиодная лампа за это время снижает свой световой поток по мере прогрева светодиодов и электроники.

С помощью самодельного «чёрного ящика» Lamptest-1 я измерил, как меняется световой поток двенадцати разных светодиодных ламп в первые сорок минут после включения. Для наглядности отобрал девять из них:

IKEA Ryet 603.979.60 LED1741G6;
OSRAM LEDSCLA60 10W/827 230VFR E27;
ASD LED-A60-std 7Вт Е27 3000К 630Лм ASD;
Camelion LED ULTRA LED6-A60-FL/830/E27 филаментная;
Лисма СДФ-6 A50 филаментная;
Toshiba 00101315012B;
Geniled 01327;
Gauss 102802115 Графен филаментная;
Saffit SBA6010 55004.

Вот, что получилось.


Первое, что бросается в глаза, — существенно большее падение яркости (здесь и далее я буду использовать это слово, не как технический термин, а как бытовое понятие) у лампы Saffit. Через 25 минут световой поток этой лампы упал почти до 70% от начального. Замечу, что это очень-очень плохая лампочка (заявлено 10 Вт, по факту 5 Вт, заявлено CRI 80, по факту 72, световой поток ещё не измерял, но думаю он тоже в районе половины заявленного). Такое падение говорит о том, что скорее всего светодиоды работают в режиме перегрузки. Долго такая лампочка не проработает.

Второй интересный момент — отличие графиков трёх филаментных ламп. Они быстрее нагреваются и быстрее стабилизируются. У лампы Camelion световой поток стабилизировался уже через пять минут после включения и после этого в течение 35 минут упал всего на 1%.

Интересный график у старой лампы OSRAM с тяжеленным радиатором (лампа весит целых 117 грамм). Она разогревается так медленно, что даже 40 минут не хватило для полной стабилизации светового потока.

Волнистый график у IKEA Ryet вызван пульсацией света (коэффициент пульсации у неё около 13%).

Возможно по степени падения светового потока можно делать прогноз долговечности ламп и если за 15 минут яркость упала более, чем на 20%, вероятность преждевременного выхода лампы из строя довольно высока.

Пока что у меня нет возможности так тестировать каждую лампу, но если сделать для Lamptest-1 специальную прошивку и самих приборов изготовить несколько штук, процесс вполне можно автоматизировать поставить на поток.

© 2019, Алексей Надёжин

Sunlike — светодиодный свет нового поколения / LampTest corporate blog / Habr

Современные белые светодиоды, использующиеся для освещения, работают по одному принципу — светодиод светит синим светом, а люминофор, которым он покрыт, преобразует свет в белый, добавляя в него красную и жёлтую составляющую. Недостаток такой конструкции в неравномерности спектра, синем пике (из-за него некоторые учёные даже выдвинули теорию о небезопасности светодиодного освещения), и «провале» на голубом и зелёном цвете.

Компания Seoul Semiconductor разработала технологию Sunlike, в которой используются светодиоды с фиолетовым светом, покрытые трёхкомпонентным люминофором, преобразующим фиолетовый свет в полноспектральный с полноценной красной, зелёной и синей составляющей.


Технология неспроста называется Sunlike (в переводе — «как солнце»). Спектр света таких светодиодов действительно похож на спектр солнечного света, а индекс цветопередачи составляет около 97. Фактически, качество света таких светодиодов не уступает качеству света ламп накаливания.

На сайте Seoul Semiconductor указано, что маломощные модули Sunlike 0.2W с цветовыми температурами 2700K, 3000K, 4000K, 5000K и 6500K уже поставляются, а мощные модули с цветовой температурой 3000K пока в разработке.

На самом деле эти же модули, но с цветовой температурой 4000K и 5000K уже поставляются в небольших количествах отдельным заказчикам, но стоят пока очень дорого — 6 евро за 6-ваттный, 13 евро за 10-ваттный, 19 евро за 15-ваттный и 23 евро за 25-ваттный.

Энтузиасту из Беларуси, который называет себя GrowByLEDs, удалось добыть 25-ваттные модули и сделать на них экспериментальные лампы, которые я протестировал.

Круглый COB-модуль диаметром 15 мм помещён на квадратную алюминиевую подложку 19×19 мм.

Для получения более точных результатов индекса цветопередачи, цветовой температуры и спектра я измерил свет ламп со снятыми колпаками. Спектрометр Uprtek MK350D показал следующие результаты.

Спектр действительно более ровный, чем у обычных светодиодных ламп. Индекс цветопередачи около 97.

Я сравнил спектры Sunlike 4000K, обычной светодиодной лампы 4000К, люминесцентной лампы, галогенной лампы и солнца.

В экспериментальных лампах, которые я протестировал, модули Sunlike 25 Вт используются на пониженной мощности — готовые лампы потребляют 11.7 Вт. При этом лампа с модулем 4000К даёт 960 лм, лампа с модулем 5000K — 1000 лм. Со снятыми колпаками лампы дают 1133 лм и 1180 лм соответственно.

Получается, что эффективность модулей Sunlike в таком режиме составляет 97-101 лм/Вт, что не уступает обычным современным светодиодам и это очень здорово.

Белорусские лампы на модулях Sunlike можно купить уже сейчас (от $20 за 6-ваттную до $50 за 18-ваттную). Я не публикую здесь ссылки, но в копии этой статьи на lamptest они будут.

Seoul Semiconductor не единственная компания, наладившая выпуск светодиодов нового поколения. Китайская Yuji LED также начала производить модули с фиолетовыми светодиодами и RGB-люминофором, дающие свет с CRI 97, но судя по информации на их сайте, фиолетовый пик в спектре существенно больше и эффективность модулей меньше — 65-85 лм/Вт.

Светодиодное освещение уже используется повсеместно и не может не радовать, что появляются новые технологии, делающие этот свет более качественным.

Новая технология только зарождается и лампы с модулями Sunlike пока дорогие, но весьма вероятно, что через 2-3 года существенная часть осветительных светодиодов будет выпускаться по новой технологии и лампы с модулями Sunlike или аналогичными будут стоить так же дёшево, как обычные светодиодные лампочки сейчас.

© 2018, Алексей Надёжин

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о