какое кпд имеют современные светильники
Эффективность светодиодных светильников.
Эффективность осветительного прибора определяется количеством Люмен на 1 Ватт мощности, потребляемой прибором (Лм/Вт).
Всех очень интересует один вопрос: сколько Люмен с Ватта выдают наши светильники. Да и не только наши. Ответить точно на этот вопрос практически невозможно. Дело в том, что отдача светодиодного светильника зависит от многих факторов, некоторые из которых переменны. Это касается в первую очередь температуры окружающей светильник среды во время работы. Лучшая эффективность светодиодного светильника будет в первую минуту его работы после включения в холодном (до +23 ºС) состоянии. По мере прогрева кристалла светодиода отдача светильника снижается. Если светильник плохо продуман, имеет некачественные детали, плохо собран, то тепло от светодиодов передаётся на радиатор плохо, а это приводит к ещё большим потерям эффективности. Есть производители светодиодов, которые указывают световую отдачу в двух вариантах – в холодном и в прогретом. В технической документации даны таблицы, позволяющие определить световой поток, исходящий от светодиода при определённой температуре кристалла. Проблема в том, что очень сложно достоверно определить температуру кристалла у собранного и работающего светодиодного светильника.
Многие думают, что если в светодиодном светильнике стоят диоды с отдачей 145 Лм/Вт, то и светильник в целом имеет ту же отдачу. Это не верно. Вспомним, что для работы светодиодных модулей установлен трансформатор. Точнее стабилизирующий источник постоянного тока. У него есть свой КПД. Все отлично понимают, что не бывает КПД 100%. Как правило, КПД современных блоков питания у светодиодных светильников очень высок и составляет около 90%. То есть, если Вы проверите потребления светильника, и показания прибора будут, допустим, 60 Вт, то на диод из них уходит около 54 Вт (60*0.9). Значит, на блоке питания мы теряем 6 Вт. Это первое снижение эффективности светового потока светильника против светового потока светодиода. Далее вспомним, что светодиод, как правило, прикрыт каким-либо стеклом, рассеивателем, линзой и т.п. Очевидно, свет будет несколько теряться и при прохождении этой преграды. Потери зависят от типа защитного стекла и колеблются в широких пределах – примерно от 5 до 20%. То есть от потока светодиода надо отнять порядка 10%, которые будут обязательно потеряны на стекле. Итого мы уже теряем порядка 20% эффективности светильника в сборе против эффективности светодиода отдельно.
+7 495 698-60-54, +7 499-322-90-96
ВСЕ ЗАКАЗЫ ПРОСЬБА ОТПРАВЛЯТЬ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ Электронная почта:
Заказы принимаются только от 10 000 руб
МЫ АККРЕДИТОВАНЫ НА ЭЛЕКТРОННЫХ ТОРГОВЫХ ПЛОЩАДКАХ
Люстры, торшеры, бра
О КПД светильников, в том числе светодиодных
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.
Как измерить и улучшить КПД светодиода
Led- лампочка – один из наиболее эффективных источников света на сегодня. Однако часть потребляемой им электроэнергии все равно уходит понапрасну – в виде тепла в окружающее пространство. Чтобы узнать точно, какой реальный коэффициент полезного действия у лэд-кристалла и насколько можно продлить срок его службы, требуется провести серию лабораторных опытов.
Поэтому рассмотрим, как в домашних условиях без использования специального оборудования измерить и рассчитать КПД светодиода, а также яркость и мощность, по каким основным причинам может понизиться эффективность и как ее повысить.
Как измерить КПД светодиода
Чтобы не сомневаться в достоверности добытых из интернет-источников данных о КПД конкретного светодиода, необходимо измерить и подсчитать его величину практическим методом. Для этого придется изготовить элементарный колориметр. Вся суть эксперимента сводится к измерению разницы температуры водной среды, в которую был опущен лед-элемент – до его включения и после работы заданное время.
Далее зная какое количества тепла при этом выделилось и общее количество затраченной энергии, с помощью формул из школьной физики можно легко подсчитать точную эффективность данного светильника.
Суть опыта сводится к следующим действиям:
После этого эксперимент повторяется аналогичным образом, но при этом матрица светодиода должна быть полностью заклеена не пропускающим свет материалом. Все измеренные результаты записываются. Практическая часть на этом завершается, начинается расчет КПД.
Обратите внимание! КПД светильника и КПД источника света – совершенно разные понятия. Показатель характеризует отношение исходящего из прибора света к общего световому потоку. Например, отдельный светодиод будет иметь эффективность в 100%, а при заключении ее в люстру – этот параметр снизиться. Кроме того, степень освещенности от различных светоисточников будет различной: от ламп накала – вдвое меньшим, тем от аналогичного по мощности лэд-кристалла, из-за изначальной направленности последнего.
Расчет эффективности
Изначально подсчитывается среднее энергопотребление. Для этого нужно умножить мощность на время. Например, в эксперименте использовалась светодиодная лампа мощностью ровно 50 Вт, то за 15 минут (что аналогично 900 сек.) затрачено 45000 Дж. Теперь произведем расчет КПД для светодиода, исходя из определения затрат в обоих экспериментах
Первый эксперимент: когда светодиод был заклеен, вода нагрелась с 22 до 57 градусов. Температурная разница составила 35 градусов. Зная удельную теплоемкость воды (4,2 тыс. Дж) и ее массу (250 мл – 0,25 кг), а также что потери на нагрев стекла колбы на каждый градус составили порядка 131 Дж, плюс на разогрев медного (теплоемкость 381 Дж) при массе 28 грамм светодиода, подставляем значения в формулу:
4200х0,25х35 (для воды 36750 Дж) + 131х35 (для колбы 4585 Дж) + 381х0,028х35 (для светодиода 373 Дж) = 41708 Дж.
Из соотношения получаем: 41708/45000 = 93%. Следовательно, порядка 7% – чистые тепловые потери от общего КПД данной светодиодной лампы.
Второй эксперимент: в аналогичном эксперименте с открытым светодиодом разница в нагреве воды составила 25 градусов подставляя ее значение в выше стоящую формулу, получаем = 26250 + 3275 + 266 = 29791 Дж.
Соотносим его с расчетной мощностью: 29791/45000 = 66%.
На чистую световую энергию ушло порядка 34% энергии, однако с учетом чисто тепловых потерь, равных 7%, КПД = всего 27%!
КПД фирменных светодиодов равен 24-28%. При этом это еще далеко не худший результат. Так у некачественных дешевых аналогов он может оказаться в 2-3 раза меньше.
Яркость и мощность
В работе светодиодов существует простое правило – чем выше мощность лед-кристалла, тем ярче световой поток. Однако хорошего в этой зависимости мало – чем больше значение этих показателей, тем меньше становится КПД. На графике для диода мощностью 50 Вт (взятом за 100%-ую эффективность), приведенном ниже, эта особенность хорошо прослеживается:
Подобное снижение показателя КПД с повышением мощности характерно абсолютно для всех существующих светодиодов. Причины явления скрыты в природе полупроводникового кристалла и изменении его параметров в зависимости от условий работы.
Почему ухудшается эффективность светодиодов
Для падения КПД светодиодов по мере роста их мощности есть несколько оснований:
Как увеличить эффективность
Существует несколько практических способов предотвратить снижение КПД и продлить срок службы светодиоду:
Пользуясь такими способами, можно поднять КПД конкретного светодиода в несколько раз. Кроме того, никогда не используя более трети от предельной мощности можно существенно продлить срок службы лед-элемента. Также нельзя забывать о габаритах кристалла – от этого зависит уровень его нагрева и величина внутреннего сопротивления.
Важно! Некоторые виды светодиодов покрываются слоем специального вещества для изменения цвета светового потока. От его светопропускающей способности и прочих технических характеристик будет во многом зависеть итоговый КПД.
Основные выводы
КПД – важнейший параметр в эксплуатации светодиодов. Чтобы измерить его в домашних условиях, необходимо провести ряд измерений. Для этого потребуется элементарный колориметр (например, можно взять термос), термометр и секундомер. Алгоритм действий в опыте следующий:
Измерения проводятся дважды – с открытым кристаллом и закрытым непрозрачной материей. На основании полученных данных по термодинамическим формулам вычисляются тепловые потери и рассчитывается КПД.
Для всех современных светодиодов характерна такая особенность, что с увеличением мощности, происходит падение КПД. Связанно это с особенностями полупроводниковой матрицы и увеличивающимся нагревом, приводящем к постепенной деградации последней. Повысить эффективность и долговечность можно, используя вместо одного диода сразу несколько через параллельное соединение или поставив на его место более мощный.
Если вы знаете другие эффективные способы, как повысить КПД и срок службы конкретного вида светодиода, обязательно напишите об этом в комментариях.
Сравнение светодиодных ламп с традиционными осветительными приборами
«У вас есть хорошие светодиодные лампы для дома?» – этот вопрос продавцы электротоваров слышат часто. Интерес покупателей к «ледам» (название произошло от аббревиатуры LED) подпитывают СМИ и реклама. Действительно ли так хороши светоизлучающие диоды? Чтобы понять это, сравним новые источники света с традиционными.
Конструктивные отличия
У всех ламп есть цоколь, и это, пожалуй, единственная часть конструкции, которая их объединяет. В остальном отличия традиционных приборов от светодиодных существенны.
Таблица 1. Особенности устройства ламп.
Вид осветительного прибора
Степень прочности конструкции
Содержание вредных веществ
И только светодиодная лампа не содержит хрупких и вредных для здоровья компонентов: вместо бьющейся колбы установлен ударостойкий пластиковый рассеиватель и прочный корпус. Даже если уроните случайно на пол – не разобьется. Лампа накаливания может треснуть даже при неосторожном выкручивании из патрона, так как большую ее часть занимает тонкостенная стеклянная колба. Люминесцентная и галогенная не намного прочнее: в их конструкции так же есть стекло, пусть и с более толстыми стенками. Если такой прибор разобьется, пары ртути или галогенов нарушат экологию помещения.
Сравнение основных характеристик светодиодных и энергосберегающих ламп
Выбор источников искусственного света на современном рынке столь велик, что неискушенному пользователю сложно разобраться в их характеристиках. Сравним основные из них.
Таблица 2. Параметры осветительных приборов.
Разновидность прибора освещения
Мощность, Вт
Световой поток, лм
Светоотдача, лм/Вт
Освещенность, лк (при напряжении 220 В)
Указанные в таблице светодиодные и энергосберегающие лампы сравнение выдерживают только по световому потоку. Он приблизительно одинаков у взятых для сравнения образцов. Но освещенность, в силу разного строения колбы и неодинакового угла рассеивания, различается. Мощность, то есть потребление электроэнергии в час, тоже сильно разнится. По этому показателю соотношение ламп накаливания и светодиодных ламп составляет 1:7,5. Это значит, что «леды» в 7-8 раз экономнее расходуют энергоресурсы. Но это лишь одно из множества их преимуществ.
Сравнение ламп по коэффициенту пульсации
Светодиоды превосходят все остальные источники освещения еще по одному параметру. Речь идет о мерцании ламп, которую отражает коэффициент пульсаций (%). Это одна из важнейших характеристик источника света, от величины которой зависит комфортность и безопасность освещения. Чем меньше коэффициент пульсации, тем лучше. Если он превышает 5-10 %, в организме начинаются негативные процессы: появляются головные боли к концу дня, быстрая утомляемость, бессонница.
Коэффициент пульсации освещения в офисных и других нежилых помещениях должен соответствовать установленным санитарным нормам, и это контролируется проверяющими органами. Дома мы сами должны следить за качеством света, если забота о здоровье семьи важна для нас.
Таблица 3. Типичные коэффициенты пульсации бытовых ламп.
Вид осветительного прибора
Коэффициент пульсации, %
Но, даже если пульсации не фиксируются зрительно, это не значит, что их нет. Возможно, глаз не замечает колебаний светового потока, но они при этом превышают норму. Установить наличие низкочастотных пульсаций недопустимого уровня поможет люксметр с функцией пульсметра RADEX LUPIN. Этот прибор соответствует ГОСТу и обеспечивает высокую точность измерений.
Коэффициент полезного действия
Этот параметр (КПД) характеризует эффективность преобразования электрической энергии в световую. Чем он выше, тем меньше потери на тепло. Самый высокий коэффициент полезного действия у LED-ламп: КПД качественных моделей достигает 90 %. Светодиод преобразует энергию в свет напрямую, с минимальным выделением тепла.
Самым низким КПД отличаются лампы накаливания – 4-5 %. В процессе работы они существенно нагреваются, так как переводят в тепло более 90 % потребляемой мощности. КПД «галогенок» выше – 15-20 %. У люминесцентных осветительных приборов этот параметр зависит от вида колбы. Наиболее низкий коэффициент полезного действия у спиралевидных КЛЛ – 7-8 %. Эффективность их использования снижена также из-за потерь большей части световой энергии, которая уходит внутрь спирали. Поэтому при более высокой светоотдаче освещенность, создаваемая этими лампами, самая низкая (см. таблицу 2).
Индекс цветопередачи (CRI)
Раньше люди при покупке источников освещения интересовались только их мощностью и сроком службы. Современный покупатель более «подкован» в вопросах светотехники. Он знает, что такое световой поток, цветовая температура. Но и сегодня многие игнорируют такой важный показатель качества осветительного прибора, как индекс цветопередачи. Этот параметр отражает то, насколько точно освещаемый объект сохраняет свои естественные оттенки. За эталон берется индекс цветопередачи солнечного света, который равен 100.
У хороших светодиодных ламп для дома индекс цветопередачи составляет 85 и выше. Такое освещение приемлемо в быту, так как комфортно для глаз и достаточно хорошо передает оттенки предметов. Для музеев и торговых залов желательно подбирать светильники с максимально высоким CRI. К примеру, текстиль, меха и кожа выглядят особенно привлекательно при освещении LED-лампами теплого белого света (2700-3000 К) и CRI 90. Такие светильники недешевы, но расходы стоят того, так как привлекательный вид товара помогает увеличить продажи. Светильники с индексом цветопередачи от 90 устанавливают также в специализированных лабораториях и художественных студиях.
Выбирайте лампы с помощью многофункционального люксметра
Единственный способ проверить качество освещения – купить бытовой люксметр, например RADEX LUPIN. Он измеряет основные характеристики – яркость лампы, освещенность поверхности и коэффициент пульсации. Люксметр поможет установить:
Определить все это без люксметра-пульсметра невозможно. С помощью этого люксметра вы отберете самые хорошие светодиодные лампы для дома, и это будет технически обоснованный выбор. Качественные «леды» действительно превосходят остальные приборы освещения по большинству параметров. Они не нагревают воздух, не перегружают зрение, а также помогают экономить на оплате счетов за электроэнергию. Да и часто менять такие лампочки вам не придется: срок их службы составляет более 30000 часов.
Какой кпд у современных светодиодов. Светодиодные лампы для дома — как выбрать? Чем хороши светодиоды и есть ли в них минусы
Поэтому рассмотрим, как в домашних условиях без использования специального оборудования измерить и рассчитать КПД светодиода, а также яркость и мощность, по каким основным причинам может понизиться эффективность и как ее повысить.
Как измерить КПД светодиода
Чтобы не сомневаться в достоверности добытых из интернет-источников данных о КПД конкретного светодиода, необходимо измерить и подсчитать его величину пpaктическим методом. Для этого придется изготовить элементарный колориметр. Вся суть эксперимента сводится к измерению разницы температуры водной среды, в которую был опущен лед-элемент – до его включения и после работы заданное время.
Далее зная какое количества тепла при этом выделилось и общее количество затраченной энергии, с помощью формул из школьной физики можно легко подсчитать точную эффективность данного светильника.
Суть опыта сводится к следующим действиям:
После этого эксперимент повторяется аналогичным образом, но при этом матрица светодиода должна быть полностью заклеена не пропускающим свет материалом. Все измеренные результаты записываются. Пpaктическая часть на этом завершается, начинается расчет КПД.
Обратите внимание! КПД светильника и КПД источника света – совершенно разные понятия. Показатель хаpaктеризует отношение исходящего из прибора света к общего световому потоку. Например, отдельный светодиод будет иметь эффективность в 100%, а при заключении ее в люстру – этот параметр снизиться. Кроме того, степень освещенности от различных светоисточников будет различной: от ламп накала – вдвое меньшим, тем от аналогичного по мощности лэд-кристалла, из-за изначальной направленности последнего.
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.
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 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 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.
Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:)
Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)
Яркость и мощность
В работе светодиодов существует простое правило – чем выше мощность лед-кристалла, тем ярче световой поток. Однако хорошего в этой зависимости мало – чем больше значение этих показателей, тем меньше становится КПД. На графике для диода мощностью 50 Вт (взятом за 100%-ую эффективность), приведенном ниже, эта особенность хорошо прослеживается:
Подобное снижение показателя КПД с повышением мощности хаpaктерно абсолютно для всех существующих светодиодов. Причины явления скрыты в природе полупроводникового кристалла и изменении его параметров в зависимости от условий работы.
Сравнение ламп по коэффициенту пульсации
Светодиоды превосходят все остальные источники освещения еще по одному параметру. Речь идет о мерцании ламп, которую отражает коэффициент пульсаций (%). Это одна из важнейших характеристик источника света, от величины которой зависит комфортность и безопасность освещения. Чем меньше коэффициент пульсации, тем лучше. Если он превышает 5-10 %, в организме начинаются негативные процессы: появляются головные боли к концу дня, быстрая утомляемость, бессонница.
Коэффициент пульсации освещения в офисных и других нежилых помещениях должен соответствовать установленным санитарным нормам, и это контролируется проверяющими органами. Дома мы сами должны следить за качеством света, если забота о здоровье семьи важна для нас.
Таблица 3. Типичные коэффициенты пульсации бытовых ламп.
Вид осветительного прибора
Коэффициент пульсации, %
Но, даже если пульсации не фиксируются зрительно, это не значит, что их нет. Возможно, глаз не замечает колебаний светового потока, но они при этом превышают норму. Установить наличие низкочастотных пульсаций недопустимого уровня поможет люксметр с функцией пульсметра RADEX LUPIN. Этот прибор соответствует ГОСТу и обеспечивает высокую точность измерений.
Коэффициент полезного действия
Этот параметр (КПД) характеризует эффективность преобразования электрической энергии в световую. Чем он выше, тем меньше потери на тепло. Самый высокий коэффициент полезного действия у LED-ламп: КПД качественных моделей достигает 90 %. Светодиод преобразует энергию в свет напрямую, с минимальным выделением тепла.
Самым низким КПД отличаются лампы накаливания – 4-5 %. В процессе работы они существенно нагреваются, так как переводят в тепло более 90 % потребляемой мощности. КПД «галогенок» выше – 15-20 %. У люминесцентных осветительных приборов этот параметр зависит от вида колбы. Наиболее низкий коэффициент полезного действия у спиралевидных КЛЛ – 7-8 %. Эффективность их использования снижена также из-за потерь большей части световой энергии, которая уходит внутрь спирали. Поэтому при более высокой светоотдаче освещенность, создаваемая этими лампами, самая низкая (см. таблицу 2).
Почему ухудшается эффективность светодиодов
Для падения КПД светодиодов по мере роста их мощности есть несколько оснований:
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:
График 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.
Как увеличить эффективность
Существует несколько пpaктических способов предотвратить снижение КПД и продлить срок службы светодиоду:
Пользуясь такими способами, можно поднять КПД конкретного светодиода в несколько раз. Кроме того, никогда не используя более трети от предельной мощности можно существенно продлить срок службы лед-элемента. Также нельзя забывать о габаритах кристалла – от этого зависит уровень его нагрева и величина внутреннего сопротивления.
Важно! Некоторые виды светодиодов покрываются слоем специального вещества для изменения цвета светового потока. От его светопропускающей способности и прочих технических хаpaктеристик будет во многом зависеть итоговый КПД.
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 Эм
ПРА брать не стоит — они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания — тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют — особенно с учетом замены ламп — которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.
Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):
Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое — по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.
Вывод остается прежним — покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька! Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день — тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!
www.cree.com/led-components/products/xlamp-leds-discrete/xlamp-xm-l www.cree.com/led-components/products/xlamp-leds-discrete/xlamp-xp-e geektimes.ru/post/297333 www.compel.ru/producer/cree
Основные выводы
КПД – важнейший параметр в эксплуатации светодиодов. Чтобы измерить его в домашних условиях, необходимо провести ряд измерений. Для этого потребуется элементарный колориметр (например, можно взять термос), термометр и секундомер. Алгоритм действий в опыте следующий:
Измерения проводятся дважды – с открытым кристаллом и закрытым непрозрачной материей. На основании полученных данных по термодинамическим формулам вычисляются тепловые потери и рассчитывается КПД.
Для всех современных светодиодов хаpaктерна такая особенность, что с увеличением мощности, происходит падение КПД. Связанно это с особенностями полупроводниковой матрицы и увеличивающимся нагревом, приводящем к постепенной деградации последней. Повысить эффективность и долговечность можно, используя вместо одного диода сразу несколько через параллельное соединение или поставив на его место более мощный.
Если вы знаете другие эффективные способы, как повысить КПД и срок службы конкретного вида светодиода, обязательно напишите об этом в комментариях.