Технические особенности применения светодиодов

Светодиодных ламп Современные обладают достаточной яркостью, что нельзя было сказать о светодиодах прошлого поколения, у которых небольшая яркость существенно ограничивала их применение. В настоящее время,..

КПД . Коэффициент полезного действия современныхСветодиодных ламп составляет 22%. Кроме высокого КПД, светодиодные лампы могут похвастаться и большой долговечностью, в плоть, до 50000 часов, что в свою очередь эквивалентно 17-ти годам работы, по 8-мь часов в день.Современные обладают достаточной яркостью, что нельзя было сказать о светодиодах прошлого поколения, у которых небольшая яркость существенно ограничивала их применение. В настоящее время, после того, как был решен вопрос ояркости Светодиодов , их популярность резко возросла. Несмотря на высокую стоимость , но благодаря высокому КПД, сроку эксплуатации и существенной экономии на электроэнергии и монтажных работах светодиоды завоевывают все большую и большую популярность. Кроме того, большой эксплуатационный ресурс светодиодных ламп позволяет устанавливать их в труднодоступных местах, особенно это актуально при использовании Светодиодов в . За более чем 130-ти летнюю историю, лампы накаливания, доминирующие все это время в мире светотехники, обладали большим количеством недостатков: это и хрупкая нить, способная выйти из строя во время встряски, и большим процентов выхода тепла, что значительно снижает соотношение полезной мощности к световому потоку. КПД обычных ламп накаливания составляет всего, 2.6%. Более продвинутая, в технологическом смысле, люминесцентная лампа обладает несколько большим КПД, составляющим 8.7%, так же внесла существенную лепту в экономию электроэнергии. Применение люминесцентных ламп выявило несколько существенных недостатков: это и короткий срок эксплуатации в реальных условиях, возможное мерцание, и возможный отказ во включении при низких температурах, а также мигание при недостатке напряжения. Кроме того, перегоревшие люминесцентные лампы нуждаются в специальной утилизации. Люминесцентные лампы крайне негативно относятся к прерывистому циклу эксплуатации, включение-выключение.

обладают высоким КПД, низким потреблением электроэнергии и большим сроком эксплуатации, ярким светом, отличной освещенностью и отсутствием мерцания. Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам получают все большее и большее распространение, особенно часто их используют во . Компания Professional Light and Sound предлагает вашему вниманию большой ассортимент современных Светодиодных светильников и высокого качества по приемлемой цене, на базе качественных светодиодных ламп (См: ) .

Также на нашем сайте вы можете посмотреть и другую информацию, которая может вас заинтересовать, а наши специалисты в свою очередь, окажут вам любую техническую поддержку: , , , , , , ,

Недавно на одном сайте увидел калькулятор окупаемости светодиодных светильников. Мне сразу стало интересно, а через сколько лет окупит себя светодиодный светильник, поскольку на данный момент не каждый заказчик стремится установить у себя светодиодные светильники.

Если верить калькулятору, то офисный светодиодный светильник должен окупить себя уже через 3,68 года. Сейчас проверим на самом ли деле у нас получится такая цифра.

Для офиса НЕКИЙ производитель светодиодных светильников изготавливает встраиваемый светильник мощностью 42Вт, со световым потоком 3500лм, КПД=94%, индекс цветопередачи 80. Стоит такой светильник 175$. Данный светильник полностью заменяет светильник с люминесцентными лампами ЛВО 4×18, который стоит всего 25$. Как видим, светодиодный светильник для офисных помещений в 7 раз дороже светильника с люминесцентными лампами.

Для начала приведем сравнение двух светильников.

Теперь на основе этих данных посчитаем годовой расход электроэнергии и через сколько лет оправдает себя светодиодный светильник. В году у нас 2000 рабочих часов (у офисного работника). Люминесцентные лампы будем менять через 10000 часов, т.к. световой поток начнет падать.

Получился совсем плачевный результат.

Почему же тогда так получилось?

Все очень просто. Время окупаемости светодиодного светильника зависит от цены на электроэнергию и времени эксплуатации. Чем выше стоимость кВт*ч и количество часов работы, тем меньше срок окупаемости.

Проведя некоторые обратные вычисления, я понял, что производители светодиодных светильников совсем не жалеют нас (проектировщиков в том числе, т.к. мы тоже офисные работники), заставляют работать нас без выходных и установили на нас максимальный расчетный тариф за электроэнергию В общем они брали все по максимуму, чтобы получить минимальный срок окупаемости.

В этом случае у нас будет следующий результат .

Честно говоря, я немного расстроен. Ожидал срок окупаемости светодиодного светильника хотя бы 5 лет. Производитель обещает 3,68 года, а на самом деле около 10 лет. Причем 10 лет, при условии, что офис будет работать без выходных и по максимальному расчетному тарифу.

Заявленные 70000 часов для светодиодного светильника это лишь теория, а на практике кто его знает, как он поведет себя через 5-10 лет.

Я думаю, к тому времени как он себя окупит, а по моим расчетам это 10 лет, этот светильник уже морально устареет, хоть и будет находиться в работоспособном состоянии.

В нынешних условиях производители светодиодных светильников будут только ЗА повышение цен на электроэнергию, поскольку применение светодиодных светлиьников на пряму зависит от цены на электроэнергию.

Светодиодные светильники выгодно ставить там, где высокая стоимость электроэнергии. Думаю это более актуально для стран Европы.

Может я не все учел или у вас имеется более точная информация по данной теме?

P.S. Я совсем не против светодиодных светильников. Просто я люблю цифры. На мой взгляд нужно еще снижать стоимость светодиодного светильника, чтобы его можно было применять повсеместно. У светодиодного светильника много достоинств по сравнению с люминесцентным светильником, но и есть один большой недостаток – цена.

Технико-экономические показатели светильников

На ТЭП светильника существенным образом влияет тип и качество исполнение оптических систем светильника. Уровень КПД зависит от коэффициента мощности ПРА и оптического эффективности устройства, а так же состояния оптики. Ряд отечественного оборудования и большинство зарубежных образцов имеют высокие показатели коэффициентов. Однако какими бы хорошими эти показатели не были, оптика (свето-прозрачная крышка, рассеивающая или собирающая линза и отражающие рефлекторы) в процессе эксплуатации загрязняется, претерпевает значительные изменения структур поверхностей, что приводит к ухудшению параметров. Это утверждение касается любых типов светильников, независимо от того, используется ПРА или нет.

В новых светильниках оптический КПД колеблется в пределах от 60 до 95%. В результате практических наблюдений и специальных лабораторных обследований выяснилось, что в период 1 года эксплуатации оптический КПД снижается до 35% от своей первоначальной величины (причем основной уровень потерь приходится на самые первые дни эксплуатации). В течение 2-х лет оптика теряет от 50 до 65% от своего первоначального уровня КПД.

Наблюдаемые приборы эксплуатировались на улице (уличное освещение) на территории Республики Татарстан, в обычных не экстремальных условиях. Понятно, что если условия эксплуатация предполагают работу осветительного оборудования в условиях повышенной запыленности или загазованности, то оптический КПД снижается более быстрыми темпами.

*Замеры оптических и электрических свойства производились силами специалистов ГК «ТАТЛЕД» на собственной базе.

(Световой поток, Ф ; Распределение общего светового потока по 2-м любым уровням силы света или углам излучения в пределах диаграммы направленности, Ф(Ω) ,

Данные об измерительном оборудовании в Приложении 1.

Как правило, задача защиты светильников (особенно их внутреннего объема) от неблагоприятных факторов воздействия внешней среды решается производителями осветительного оборудования путем уплотнения между корпусами закрытых световых приборов и защитными стеклами, а также уплотнения узлов ввода проводов.

Однако, при более детальном изучении проблемы выяснилось что этого недостаточно для обеспечения должной изоляции внутреннего объема светильника. Согласно законам термодинамики, в закрытых световых приборах наблюдается эффект «дыхания», связанный с изменением давления воздуха, заключенного во внутреннем изолированном объеме светового прибора. При включении источника света прибора и нагревании заключенного внутри прибора воздуха, возрастает давление, а при выключении давление падает. В результате даже незаметного дефекта уплотнения, происходит всасывание загрязненного воздуха во внутреннюю полость светильника. Это явление представляет возможность оседания пыли, волокон и коррозионных частиц на колбе лампы, отражателе, внутренней поверхности, защитном стекле, рассеивателе и контактных узлах патронов. В результате осветительная способность приборов падает и они сами выходят из строя в течение короткого периода эксплуатации (например, в некоторых зонах металлургического производства осветительные приборы заменяются ежегодно, существенно увеличивая затраты на эксплуатацию системы освещения).

Светодиодные светильники лишены вышеуказанного недостатка. Дело в том, что используемые в таких светильниках светодиоды не требуют отражающих рефлекторов.

В световых приборах, использующих обычные источники света, встраивается отражающий рефлектор, форму которого не всегда удается выстроить в соответствии с требованиями светового распределения. В отличии от обычных светильников светодиодные приборы используют источники света, излучающие световую энергию не во всех направлениях, а в одном. Направленность и интенсивность светового потока регулируется расположением осей светового излучателя в заданном направлении и их количеством. Угол раскрытия испускаемого излучения регулируется с помощью вторичной оптики (микролинзы).

Таким образом, светодиодный светильник лишен недостатков, вызываемых потерями в оптических системах, используемых всенаправленные источники света. То-есть показатель отношение Люмен/Ватт у светильников на СИД более привлекательное.

В люменах измеряется поток во всех направлениях, т.е. в телесном угле 4пи. Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд × ср)

Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом R, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной R (то есть R²). Если такой телесный угол имеет вид кругового конуса, то угол его раскрытия составит приблизительно 65,541° или 65°32′28″).

Если предположить, что расчетный конус направлен непосредственно на освещаемый объект, то остальная часть световой энергии попадает на освещаемую поверхность посредством рефлектора или оптических линз.
Кандела (от лат. candela — свеча), единица силы света Международной системы единиц. Обозначение: русское кд, международное cd. Кандела (единица силы света) — сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении 101325 н/м2.

Исходя из вышеизложенного для сравнения ТЭП светильников с обычным источником света и светодиодным светильником, необходимо вводить поправку на различие КПД оптических систем.

Рассмотрим в качестве конкретного примера получивший широкое распространение осветительный прибор РКУ15-250 с использованием лампы ДРЛ и светильник на СИД.

Для определения реальных светотехнических показателей производим следующие вычисления:

По данным завода-производителя КПД светильника РКУ15 равен 65%. Источник света (лампа ДРЛ-250 (В)) имеет уровень светового потока 13 200 Люмен. Получаем уровень реально излучаемого прибором светового потока: 65% от 13 200 lm = 8 580 Люмен.

Так же необходимо учесть ускоренную потерю уровня светового потока ДРЛ в первые 1000 часов наработки. Из приведенного ниже графика (по данным ВНИСИ) видно, что в течение первых 1000 часов эксплуатации уровень излучаемого светового потока снижается на 15-20% от начальной величины. Отсюда получаем Фv = 6 864 Люмен. В течение дальнейшего срока эксплуатации деградация происходит менее интенсивно.

Кривая уровня светового потока СИД, используемых в светодиодных светильниках, также имеет неравномерную характеристику. Однако, как видно из приведенного ниже графика (предоставлено OSRAM Opto Semiconductors), после кратковременного спада уровень постепенно повышается (диоды Golden Dragon plus).

График стоимостей владения приборов в течение 5 лет

Данные приведены с учетом неизменной стоимости электроэнергии. Учитывая прогнозируемый Минэкономразвития рост тарифов точка пересечения кривых уровня затрат наступит ранее срока, полученного расчетами (предположительно 4 года).

Пример использования светильников ДРЛ и светодиодных светильников для освещения автодороги. Благодаря более рационально распределенной световой энергии полотно дороги, освещенное светодиодными светильниками (рисунок слева) залито более равномерно.

Вывод: оптические свойства светильников, использующих СИД, заметно превосходят по светотехническим параметрам светильники с обычными источниками света.

ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА (ПРА).

Пускорегулирующая аппаратура (ПРА) — это специальное изделие, с помощью которого осуществляется запуск и поддержание работы источника света.

Конструктивно ПРА может быть выполнено в виде единого блока или нескольких отдельных.

По типу источника света ПРА делятся:

• ПРА для газоразрядных ламп
• ПРА для галогенных ламп (трансформаторы)
• ПРА для светодиодов (LED драйверы)

По типу устройства и функционирования ПРА бывают:

• электромагнитные (ЭмПРА)
• электронные (ЭПРА)

На эффективность осветительного приборы, помимо параметров оптики существенно оказывает параметр коэффициента мощности ПРА.

Для ПРА разрядных ламп этот параметр (по данным заводов-изготовителей) составляет от 0,6 до 0,9. Наиболее эффективными сегодня являются электронные ПРА, так как с помощью электроники возможность осуществлять зажигание и контролировать свечение можно осуществлять гораздо эффективнее, по сравнению с индуктивными дросселями. ПРА для разрядных ламп выпускается давно и, не смотря на продолжающееся совершенствование, хорошо известен потребителям, поэтому не рассматривается подробно в данной работе.

В светодиодных светильниках ПРА (LED-драйвер) выполняет функцию стабилизатора постоянного тока, стабилизаторов напряжения и диммирование (специализированные).

Драйверы можно подразделить на две основные группы:

1. Блоки питания светодиодов с постоянным стабилизированным выходным током (LED драйверы) - предназначены для питания светодиодов (или светодиодных светильников) соединенных последовательно.

2. Блоки питания со стабилизированным постоянным напряжением (светодиодные трансформаторы) - предназначены для питания групп светодиодов, которые уже снабжены ограничивающим ток резистором, обычно это светодиодные ленты, линейки или панели.

Помимо этого, поскольку промышленностью выпускаются светодиоды, рассчитанные на разные значения номинального тока, драйверы светодиодов подразделяются ещё и по этому параметру.

Наиболее распространенные значения тока - это 350 и 700 миллиампер.

Коэффициента мощности LED-драйверов у большинства производителей составляет значение 0,95. Отдельный светодиод требует постоянного напряжения 2-4В и несколько десятков mA тока. Последовательный массив светодиодов требует более высокого напряжения. LED-драйвер является источником этого напряжения. Он трансформирует питание бытовой электросети 110-240В переменного напряжения в низковольтное постоянное для питания LED систем.

К качеству ПРА для СИД предъявляются повышенные требования, так как СИД, являясь полупроводниковым устройством, чрезвычайно требователен к качеству электропитания. Отклонения от заданных параметров в пределах 2-5% резко сказывается на светотехнических и электрических свойствах СИД, и может привести к значительному сокращению срока жизни кристалла или люминофора.

Исходя из вышесказанного понятно, что качество ПРА для СИД изначально высокое, и соответственно является изделием, имеющим высокий КПД.

Подавляющим большинством производителей заявленными величинами являются значения от 0,90 до 0,95. Простые замеры подтверждают данные значения.

Для диммирования (изменение яркости свечения светодиодов) как правило, используются принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

По КПД и по степени надежности ПРА для разрядных ламп и ПРА для светодиодных светильников отличается только качеством схемотехники и используемой элементной базы, что в конечном итоге подразумевает разницу в стоимости изделия. Качественные и дорогие ПРА различных типов светильников приближаются к единому показателю (близко к 1).

В Приложении 2 и Приложении 3 отзывы организаций, внедрившие в качестве опытных образцов светодиодные светильники.

Вывод: влияние КПД ПРА на общий коэффициент полезного действия осветительного прибора для разрядных ламп и для светодиодных светильников не имеет заметной разницы, и обусловлены только ценой изделия.

←

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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.