Despre eficiența lămpilor, inclusiv a LED-urilor. Eficiența lămpilor LED

Abordarea tradițională a lămpilor cu LED duce adesea la o înțelegere greșită a circumstanțelor fundamentale. Este despre despre eficiența lămpilor și influența designului lămpilor LED și convenționale asupra eficienței.

Eficiența unui corp de iluminat este raportul dintre puterea de iluminat flux luminos la întregul flux luminos creat de o sursă de lumină. De exemplu, o lampă sub formă de bec fără corpuri de iluminat, în primul rând fără reflector, are o eficiență de 100%. Acest lucru nu înseamnă deloc că acesta este un ideal la care trebuie să ne străduim pentru lămpi - mai puțină eficiență, asta nu înseamnă mai rău; Orice încercare de concentrare (directă) a luminii duce la o scădere a eficienței. Dar metoda de concentrare și calitatea reflectorului pot fi diferite, iar lămpile vor avea o eficiență diferită. Poti compara corpurile de iluminat prin eficienta doar pe cele care au o distributie similara a luminii(KSS), în acest caz eficiența va fi determinată de calitatea sistemului optic al lămpii (reflector, sticlă). Nu are sens să compari corpuri de iluminat cu KSS diferite în ceea ce privește eficiența!

Diferența fundamentală dintre LED-uri și lămpi este că acestea strălucesc doar într-un semiplan. Adică o lampă LED fără corpuri de iluminat (eficiență 100%) va fi regizat! Unghiul de emisie al LED-urilor fără optică secundară este de 90-120 de grade. De exemplu, dacă comparăm două „lămpi” sub formă de bec și un LED (eficiență 100%) cu același flux luminos, atunci pe axa lămpii la aceeași distanță iluminarea va fi de aproximativ 2 ori mai mică decât pe axa LED-ului. Dacă încercați să colectați fluxul luminos al lămpii folosind un reflector (pentru a obține același unghi de radiație), atunci în orice caz nu veți putea obține aceeași iluminare pe care o oferă LED-ul din cauza pierderilor de reflexie. În acest sens, înlocuirea unei surse de lumină bec cu o sursă LED în corpurile de iluminat direcționale va avea sens, chiar dacă aceste surse au aceeași eficiență luminoasă (lm/W).

Dacă un corp de iluminat cu lampă are sticlă plată, adică întreaga sursă de lumină este „cufundată” în interiorul lămpii, Eficiența lămpii va scădea semnificativ datorită faptului că partea principală a luminii care iese din lampă va fi reflectată, adică cu pierderi de reflexie. Pentru o lampă LED cu acest design, practic nu există nicio scădere a eficienței(doar pierderile în sticlă sunt de aproximativ 5%), deși intuitiv pare că, prin analogie cu lămpile cu lampă, eficiența ar trebui să scadă.

O lampă tubulară cu sticlă plată va avea o eficiență de aproximativ 50-60%.

O lampă LED cu sticlă plată va avea o eficiență de aproximativ 95%.

Aceasta este principala diferență fundamentală Lămpi cu LED-uri din cele cu lampă. Luminile cu LED-uri direcționale sunt mult mai eficiente decât luminile cu tub direcționale. Acest lucru se datorează în mare parte caracteristicilor de design ale LED-urilor și nu doar eficienței lor luminoase ridicate.

Înțelegerea acestei circumstanțe ar trebui să conducă la o revizuire a abordărilor de calcul al instalațiilor de iluminat cu lămpi LED.

Cât de eficiente sunt cu adevărat LED-urile și cum le puteți prelungi durata de viață?

Cum să le măsurăm eficiența acasă și să creștem eficiența, precum și să creștem durabilitatea lămpilor cu LED-uri?

Pentru a răspunde la toate aceste întrebări, este suficient să efectuați mai multe experimente vizuale, fără a utiliza instrumente complexe de laborator.
LED-ul este una dintre cele mai eficiente și mai ușor de utilizat surse de lumină. Totuși, în același timp, irosește în continuare cea mai mare parte a energiei consumate, transformând-o nu în lumină, ci în căldură.

Desigur, nu este nevoie să comparați LED-urile cu un bec obișnuit aici au mers cu mult înainte. Dar cât de mare credeți că este eficiența lor reală?

Cum să se măsoare Eficiență LED

Să verificăm acest lucru în direct, nu după etichetele de pe pachete și datele din tabele de pe Internet, ci prin metoda colorimetrică de acasă.

Dacă coborâți un LED în apă și măsurați diferența de temperatură înainte de a se aprinde și ceva timp după aceea, puteți afla câtă energie din el se va transforma în căldură.

Cunoscând cantitatea totală de energie cheltuită și energia pierdută în căldură, puteți afla cu adevărat cât de mult beneficii există de la această sursă lumina transformată în lumină.

Recipientul în care se vor face măsurători trebuie izolat de fluctuațiile de temperatură din exterior și din interior. Un termos obișnuit este potrivit pentru asta.

Cu unele modificări, veți avea un colorimetru de casă complet utilizabil.

Pentru a izola și a preveni scurgerea curentului, toate firele și bornele de pe LED trebuie acoperite cu un strat gros de lac izolant electric.

Înainte de experiment, turnați 250 ml de apă distilată în balon.

Pune LED-ul în apă până când îl acoperă complet. În acest caz, lumina ar trebui să iasă liber.

Porniți alimentarea și începeți să numărați timpul.

După 10 minute, opriți tensiunea și măsurați din nou temperatura apei.

În același timp, nu uitați să o amestecați bine.

Acum trebuie să repetați experimentul, dar de data aceasta, sigilați bine matricea cu ceva material opac. Acest lucru este necesar pentru ca energia să nu poată părăsi sistemul sub formă de lumină.

Experimentul cu specimenul sigilat se repetă din nou în aceeași secvență:

• 250 ml apă distilată

• măsurarea inițială a temperaturii

• 10 minute de „strălucire”

• măsurarea temperaturii finale

1 din 4

După toate măsurătorile și experimentele, puteți trece la calcule.

Calculul randamentului

Să presupunem că pentru acest model consumul mediu al sursei de lumină este de 47,8 W. Timp de funcționare – 10 minute.

Dacă înlocuim aceste date în formulă, constatăm că, pe o perioadă de 600 de secunde, s-au cheltuit 28.320 J pentru aprinderea LED-ului.

În cazul modelului etanș, apa s-a încălzit de la 27 la 50 de grade. Capacitatea termică a apei este de 4200 J, iar masa este de 0,25 kg.

Alți 130 J pe grad au fost cheltuiți pentru încălzirea becului, plus trebuie să adăugați energie pentru a încălzi LED-ul în sine. Cântărește 27 de grame și este compus în principal din cupru. Rezultatul este o cifră de 27377 J.

Raportul dintre energia eliberată și energia cheltuită va fi de 96,7%. Adică lipsesc mai mult de 3%. Aceasta este tocmai pierderea de căldură.

În cazul unui LED deschis, apa s-a încălzit de la 28 la 45 de grade. Toate celelalte variabile au rămas aceleași. Calculul de aici ar arăta astfel:

Ce concluzie se poate trage din toate aceste experimente și calcule?

După cum se poate observa din acest mic experiment, aproximativ 28% din energie a părăsit sistemul direct sub formă de lumină. Și dacă luăm în considerare 3% din pierderile de căldură, atunci rămân doar 25%.

După cum puteți vedea, LED-urile sunt încă foarte departe de a fi surse de lumină ideale, deoarece mulți vânzători le prezintă.

Și mai rău, există adesea modele pe piață care sunt extrem de De calitate inferioară cu eficiență și mai mică.

Luminozitate și putere

Să comparăm acum luminozitatea diferite modeleși să vedem de ce depinde și dacă îl putem influența cumva. Pentru a face o comparație fiabilă, utilizați o bucată obișnuită de țeavă și un luxmetru.

Să presupunem că un eșantion de înaltă calitate testat anterior oferă o iluminare de 1100 de lux. Și asta cu un consum de energie de 50 W.

Și dacă iei mai mult model ieftin? Datele se pot dovedi a fi de două ori mai mici - mai puțin de 5500 Lux.

Și asta cu aceeași putere! Rezultă că vei plăti aceeași sumă pentru lumină ca în primul caz, dar o vei primi cu 50% mai puțin.

Este posibil să obțineți de 3 ori mai multa lumina, folosind cât mai puțină energie?

Este posibil, dar pentru aceasta veți avea nevoie de un LED care funcționează într-un mod ușor diferit. Pentru a înțelege cum să faceți acest lucru, trebuie să faceți mai multe măsurători.

În primul rând, ar trebui să fiți interesat de dependența luminozității de consumul de energie. Creșteți treptat puterea și monitorizați citirile luxmetrului.

Ca urmare, veți ajunge la o astfel de relație neliniară.

Dacă ar fi liniar, ai obține așa ceva.

Se va dovedi și mai interesant dacă calculați eficiența relativă a LED-ului, luând valoarea puterii de 50 W ca 100%.

Puteți vedea cum eficiența sa se deteriorează. Această deteriorare odată cu creșterea puterii este inerentă tuturor LED-urilor. Și există mai multe motive pentru aceasta.

De ce se deteriorează eficiența LED-urilor

Una dintre ele este, desigur, încălzirea. Odată cu creșterea temperaturii, probabilitatea formării fotonilor în joncțiunea p-n scade.

În plus, energia acestor fotoni scade. Chiar si cu răcire bună carcasă, temperatură joncțiune p-n poate fi cu zeci de grade mai mare, deoarece este separat de metal printr-un substrat de safir.

Și nu conduce foarte bine căldura. Diferența de temperatură poate fi calculată cunoscând dimensiunile cristalului și căldura generată pe acesta.

Cu o eliberare de căldură de 1 W, ținând cont de grosimea și suprafața substratului, temperatura de joncțiune va fi cu 11,5 grade mai mare.

În cazul unui LED ieftin totul este mult mai rău. Aici rezultatul este mai mult de 25 de grade.

Temperaturile ridicate ale joncțiunii conduc la degradarea rapidă a cristalului, scurtând durata de viață a acestuia. Aici apare clipirea, clipirea etc.

Mă întreb dacă producătorii nu sunt conștienți de această diferență de temperatură sau creează în mod deliberat dispozitive condamnate?

Adesea, componentele care par a fi în lămpi normale, scumpe, funcționează în condiții extreme, la temperaturi maxime, fără nicio marjă de siguranță.

Atâta timp cât curentul este mic, nu se observă. Dar datorită relației pătratice, pe măsură ce curentul crește, din ce în ce mai multă energie se transformă în căldură inutilă.

Cum să creșteți eficiența

Adică, conectați un alt LED în paralel, reducând astfel la jumătate pierderile de rezistență. Și această metodă cu siguranță funcționează.

Prin conectarea a două LED-uri în paralel la lampă în loc de unul, veți obține mai multă lumină cu mai puțină energie și, în consecință, mai puțină căldură.

Desigur, acest lucru prelungește și durata de viață a LED-ului.

Nu trebuie să vă opriți și să conectați 3,4 diode în loc de una, nu va fi mai rău.

Și dacă nu există suficient spațiu pentru mai multe LED-uri, atunci puteți instala un LED proiectat inițial pentru mai multă putere. De exemplu, o lampă de 100 de wați și 50 de wați.

În acest fel, eficiența lămpii poate fi mărită de mai multe ori, cu același consum de energie ca și sursa originală, dar cu o putere mai mică, și funcționând la limita capacităților acesteia.

În plus, folosind nu mai mult de o treime din puterea maximă, veți uita pentru totdeauna cum este să înlocuiți LED-urile arse.

În același timp, eficiența și eficiența lor de funcționare vor crește considerabil.

Prin urmare, atunci când cumpărați LED-uri, fiți întotdeauna interesați de dimensiunea cristalului. La urma urmei, răcirea și rezistența lor internă depind de asta.

Regula aici este că cu cât mai mult, cu atât mai bine.

Visul unei surse de lumină durabilă, practică și economică care să strălucească și să nu se încălzească a devenit realitate datorită dezvoltării rapide a tehnologiilor semiconductoare. Și, în ciuda faptului că astăzi costul unui LED este relativ mare, acesta poate înlocui în curând alte surse de lumină tradiționale. Cel puțin pentru următorii 15-20 de ani, îi este deja garantat un viitor fără griji.

Despre LED-uri ca surse de lumină capabile nu doar să pâlpâie Ghirlande pentru pomul de Crăciun, dar și pentru a servi pentru iluminarea completă a fațadelor, interioarelor, zonelor locale, parcurilor și piscinelor, s-au început să vorbească despre acum cinci-șase ani. Și practica utilizării lor în acest domeniu a început cu doar câțiva ani în urmă. Și, deși o astfel de perioadă pentru o analiză globală a perspectivelor este încă relativ scurtă, această sursă de lumină poate încă foarte bine să le înlocuiască pe altele. Numai pentru că astăzi sursele tradiționale de iluminat și-au atins deja eficiența luminoasă maximă, iar LED-urile s-au apropiat doar de 10% din capacități. Ca exemplu, aș dori să citez faptul că LED-urile moderne sunt deja de o sută de ori mai luminoase decât cele mai strălucitoare LED-uri în urmă cu doar cinci ani.

LA DEFINIȚIE

LED-ul sau dioda emițătoare de lumină a fost inventată la începutul anilor 1960 de englezul Nick Holonyak. Prin urmare, această sursă de lumină mai este numită și LED (Light Emitting Diode).
Un LED este o sursă de lumină organică în stare solidă sau un cristal semiconductor care este format din straturi de semiconductor polimer. LED-urile nu conțin sticlă, filamente sau piese înlocuibile. Sunt miniaturale, compacte, puternice. În plus, emit lumină cu caracteristici unice.

DESPRE AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE

LED-urile au multe avantaje față de sursele de lumină clasice. Printre ei:

• Consum economic de energie. Consumul de energie LED este de maxim 5 W. Lămpile cu această sursă de lumină consumă de 5-10 ori mai puțină energie decât lămpile cu halogen și lămpi cu incandescență de luminozitate similară. Eficiența conversiei LED energie electricaîn lumină este cu un ordin de mărime mai mare decât eficiența unei lămpi cu incandescență convenționale. De exemplu, lampă obișnuită O lampă incandescentă de 100 W are o putere de emisie de lumină echivalentă cu doar 3-5 W. Și o sursă de lumină LED, care produce aceeași putere de radiație luminoasă, consumă nu 100, ci doar 1,5 W. Eficiența ridicată a consumului de energie electrică LED este deosebit de relevantă în scena modernă, deoarece nevoile în creștere ale omenirii de iluminat necesită o producție sporită de energie electrică. Acest lucru necesită investiții de capital suplimentare pentru construcția de centrale electrice, dezvoltarea zăcămintelor de energie și eliminarea ulterioară a deșeurilor de producție. În plus, la nivel de stat este implementat un program de economisire a energiei. Iar LED-urile sunt o sursă de lumină alternativă, foarte eficientă, care poate satisface cererea de iluminat fără a crește costurile de producție și energie.

• Posibilitate de functionare de la sursa de joasa tensiune. Lămpile cu LED pot fi instalate în locuri unde nu există alimentarea de la rețea(2,8 V până la 28 V DC).

• Eficiență ridicată. Pentru o lampă LED, eficiența este de 75-90% (lumină). Și doar 10-25% este cheltuit pentru generarea de căldură. Pentru comparație: o eficiență a unei lămpi cu incandescență de 5-10% este lumină. Restul de 90-95% merge la încălzirea inutilă a mediului.

• Practicitate în exploatare. Datorită longevității LED-urilor, nu este nevoie de înlocuirea și întreținerea frecventă a instalației.

• Putere de radiație suficientă. Luminozitatea unui LED, depășind neonul, duce la o creștere mare a distanței de percepție a informațiilor de către ochiul uman (acest lucru se datorează radiației aproape monocromatice a LED-ului). De exemplu, un LED cu o putere de doar 1 W poate ilumina o coloană de 6 metri înălțime.

• Lipsa de sensibilitate la modificările rețelelor electrice. Timpul de răspuns la modificările tensiunii de alimentare pentru un LED este măsurat în zeci de microsecunde, ceea ce este semnificativ mai mic decât indicatorii similari pentru lămpile incandescente. LED-urile au o inerție scăzută și pot funcționa în modul pulsat fără deteriorare.

• Gamă largă de culori. Datorită faptului că radiațiile apar într-o bandă cu spectru îngust, eficiența LED-urilor de culoare este mult mai mare decât eficiența unei lămpi incandescente cu un filtru de o nuanță similară. Culori LED primare: roșu, albastru, verde, chihlimbar, turcoaz, portocaliu, alb.

• Schimbarea dinamică a culorii. Surse LED Luminile sunt ușor de controlat de orice electronică. Li se pot da aproape orice culoare și programe temporare muncă. Iar radiația LED poate fi ajustată, creând efecte dinamice și de iluminare frumoase. Pe lângă modul de funcționare static, culorile pot fi amestecate, obținându-se până la 16 milioane de nuanțe, controlate și, de asemenea, au creat diverse efecte dinamice.

• Siguranța la incendiu și siguranța utilizatorului. LED-urile practic nu se încălzesc, deci nu creează pericol de incendiu. În plus, strălucirea lor este lipsită de radiații infraroșii și ultraviolete, ceea ce le face cea mai sigură sursă de lumină pentru ochi.

• Prietenia mediului. LED-urile nu contin mercur. Și nu necesită eliminare costisitoare după sfârșitul duratei de viață.

• Gamă largă de aplicații. LED-urile sunt relativ mici, ceea ce le permite să fie folosite aproape oriunde, de exemplu, plasate în aproape orice dispozitiv, sau pentru a realiza o lampă LED de orice formă, culoare și design.

LED-urile nu au practic niciun dezavantaj. Singura diferenta este ca pretul este mare in comparatie cu sursele traditionale de lumina. Dar costurile inițiale sunt recuperate din cauza consumului redus de energie și a cheltuielilor financiare reduse în perioada de funcționare. De exemplu, operarea lămpilor cu LED este de 2,5-3 ori mai ieftină decât lămpile cu incandescență.

DESPRE CAPACITĂȚI ȘI APLICAȚII

Posibilitățile LED-urilor sunt extrem de largi. Cu ajutorul lor poți:

• primiți lumină 100% imediat când este pornit;
• asigura o iluminare uniforma a suprafetei;
• creați culori strălucitoare și bogate;
• creați și reglați luminozitatea și culoarea luminii;
• creați modele de lămpi fără a fi nevoie să înlocuiți lămpile, precum și lămpi rezistente la vandal;
• „ascunde” sursa de lumină, arătând doar lumina etc.

Gama de aplicații pentru LED-uri este destul de largă. Utilizarea lor, de exemplu, este optimă atunci când puterea alocată pentru iluminare este prea mică pentru alte surse de lumină. De asemenea, pot deveni indispensabile în locurile în care înlocuirea frecventă și problematică (din cauza inaccesibilității) a lămpilor tradiționale este nedorită. Dar pot prezenta un interes deosebit pentru designeri și arhitecți, deoarece le permit să-și realizeze cele mai îndrăznețe decizii.

LED-urile sunt folosite pentru decorațiuni interioare și exterioare, panouri, vitrine și indicatoare, iluminat arhitectural și decorativ, precum și iluminat decorativ vesel pentru orice vacanță.
LED-urile pot fi montate in pereti, trepte, podiumuri; utilizați ca iluminat pentru parcări, alei, peisaje, fântâni și piscine.

Deoarece LED-urile sunt ușor de controlat electronic, direcția precisă a luminii, controlul și reglarea culorii și intensității radiației, este posibilă amestecarea culorilor (care, în special, poate fi interesantă pentru crearea de iluminat de scenă, picturi luminoase, grafică, panouri).
LED-urile, datorită naturii lor monocrome, sunt generatoare unice de lumină colorată. În plus, bogăția vibrantă a culorilor este realizată mult mai eficient decât dacă s-ar folosi un filtru de lumină pentru sursele de lumină standard. Astfel, cu ajutorul LED-urilor, obiectele, spațiul și împrejurimile pot fi „vopsite” liber cu culori profunde, vibrante și strălucitoare. Sau schimbați-l prin simpla apăsare a unui buton de pe panoul de control, creând o anumită atmosferă în cameră.

Pe baza LED-urilor, este posibil să se producă lămpi de orice culoare, design, formă și configurație pentru nevoile casnice și industriale, precum și pentru utilizare subacvatică. Această varietate oferă o largă libertate de alegere pentru orice aplicație: orizontală și verticală, suspendată, încastrabilă etc.

Astfel, folosind Tehnologii LED puteți crea o imagine arhitecturală unică sau o atmosferă unică și de neuitat în locuri de recreere și divertisment; subliniați individualitatea și aspectul unic al casei și faceți condițiile de lucru în birou confortabile.

Prin selectarea adecvată a materialului semiconductor și a aditivului, este posibil să se influențeze în mod specific caracteristicile emisiei de lumină a cristalului LED, în primul rând regiunea spectrală a emisiei și eficiența conversiei energiei de intrare în lumină:

• GaALA-uri- arseniura de aluminiu galiu; Se bazează pe LED-uri roșii și infraroșii.
• GaAsP- fosfură de arseniură de galiu; AlInGaP - fosfură de aluminiu-indiu-galiu; LED-uri roșii, portocalii și galbene.
• Decalaj- fosfură de galiu; LED-uri verzi.
• Sic- carbură de siliciu; Primul LED albastru disponibil comercial cu eficiență luminoasă scăzută.
• InGaN- nitrură de indiu galiu; GaN - nitrură de galiu; LED-uri UV albastre și verzi.

Pentru a obține radiații albe cu o anumită temperatură de culoare, există trei posibilități fundamentale:

1. Conversia radiației LED albastre prin fosfor galben (Figura 1a).

2. Conversia radiației UV LED cu trei fosfori (similar cu lampă fluorescentă cu așa-numitul spectru cu trei benzi) (Figura 1b).

3.Amestecare aditivă a emisiilor de la LED-urile roșii, verzi și albastre (principiul RGB, similar cu tehnologia TV color). Nuanța de culoare a LED-urilor albe poate fi caracterizată prin valoarea temperaturii de culoare corelate.

Cele mai multe tipuri de LED-uri albe moderne sunt produse pe baza celor albastre în combinație cu fosfori de conversie, care fac posibilă obținerea de radiații albe cu gamă largă temperatura de culoare - de la 3000 K (lumină albă caldă) la 6000 K (lumină rece).

Funcționarea LED-urilor în circuitele de putere

Un cristal LED începe să emită lumină atunci când curentul curge în el în direcția înainte. LED-urile au o caracteristică curent-tensiune care crește exponențial. Ele sunt de obicei alimentate de un curent stabilizat constant sau de o tensiune constantă cu o rezistență de limitare preconectată. Acest lucru previne modificări nedorite ale curentului nominal care afectează stabilitatea fluxului luminos și, în cel mai rău caz, poate duce chiar la deteriorarea LED-ului.
Pentru puteri mici, se folosesc regulatoare liniare analogice pentru alimentarea diodelor de mare putere, se folosesc unități de rețea cu curent stabilizat sau tensiune de ieșire. De obicei, LED-urile sunt conectate în serie, paralel sau în circuite serie-paralel (vezi Figura 2).

O scădere lină a luminozității (dimming) LED-urilor este realizată de regulatoare cu modulare a lățimii impulsului (PWM) sau reducerea curent continuu. Folosind PWM stocastic, este posibil să se minimizeze spectrul de interferență (problema compatibilitate electromagnetica). Dar în în acest caz, cu PWM, pot fi observate pulsații interferente ale radiației LED.
Cantitatea de curent direct variază în funcție de model: de exemplu, 2 mA pentru LED-uri miniaturizate montate pe panou (SMD-LED-uri), 20 mA pentru LED-uri cu un diametru de 5 mm cu două fire de curent externe, 1 A pentru putere mare LED-uri pentru iluminat. Tensiunea directă UF variază de obicei de la 1,3 V (diode IR) la 4 V (LED-uri cu nitrură de indiu galiu - alb, albastru, verde, UV).
Între timp, au fost deja create circuite de alimentare care fac posibilă conectarea directă a LED-urilor la o rețea de 230 V AC Pentru a face acest lucru, două ramuri ale LED-urilor sunt pornite anti-paralel și conectate la o rețea standard printr-o rezistență ohmică. În 2008, profesorul P. Marx a primit un brevet pentru un circuit pentru dimmizarea LED-urilor alimentate de un curent alternativ(vezi Figura 3).
Compania sud-coreeană Seoul Semiconductors a integrat un circuit (Figura 3) cu două circuite anti-paralel, (în fiecare dintre ele un numar mare de LED-uri) direct într-un singur cip (Acriche-LED). Curentul direct al LED-urilor (20 mA) este limitat de un rezistor ohmic conectat în serie la circuitul anti-paralel. Tensiunea directă pe fiecare LED este de 3,5 V.

Eficienta energetica

Eficiența energetică a LED-urilor (eficiența) este raportul dintre puterea radiației (în wați) și consumul de energie electrică (în terminologia de iluminat, aceasta este puterea de ieșire a radiației - adică).
În emițătoarele termice, care includ lămpile clasice cu incandescență, pentru a genera radiații vizibile (lumină), bobina trebuie încălzită la o anumită temperatură. Mai mult, ponderea principală a energiei furnizate este transformată în termică (radiație infraroșie), iar doar ?e = 3% pentru cele convenționale este transformată în radiație vizibilă, iar 7% pentru cele convenționale. lămpi cu halogen incandescent

LED-urile pentru utilizarea în iluminatul aplicat transformă energia electrică furnizată în radiație vizibilă într-o regiune spectrală foarte îngustă, iar pierderile termice apar în cristal. Această căldură trebuie îndepărtată de pe LED prin metode speciale de proiectare pentru a oferi lumina necesară, opțiuni de culoareși durată de viață maximă.
LED-urile pentru iluminare și semnalizare nu au practic componente IR și UV în spectrul de emisie și astfel de LED-uri au o eficiență energetică semnificativ mai mare decât emițătorii termici. Cu condiții termice favorabile, LED-urile convertesc 25% din energia furnizată în lumină. Prin urmare, de exemplu, pentru un LED alb cu o putere de 1 W, aproximativ 0,75 W se datorează pierderilor termice, ceea ce necesită prezența elementelor de disipare a căldurii sau chiar răcirea forțată în proiectarea lămpii. O astfel de gestionare a regimului termic al LED-urilor este de o importanță deosebită. Este recomandabil ca producătorii de LED-uri și module LED au furnizat valori de eficiență energetică în lista de caracteristici ale produselor lor

Controlul modului termic
Să ne amintim că aproape 3/4 din energia electrică consumată de un LED este transformată în căldură și doar 1/4 în lumină. Prin urmare, la proiectarea lămpilor LED, un rol decisiv în asigurarea acestora eficienta maxima optimizarea regimului termic al LED-urilor joacă un rol, cu alte cuvinte, răcirea intensivă.

După cum se știe, transferul de căldură dintr-un corp încălzit se realizează datorită a trei procese fizice:

1. Radiația

Ф = W? =5,669?10-8?(W/m2?K4)??A?(Ts4 – Ta5)
unde: W? – flux de radiație termică, W
? – emisivitate
Тs – temperatura suprafeței unui corp încălzit, K
Ta – temperatura suprafețelor care înconjoară camera, K
A este aria suprafeței care emite căldură, m?

2. Convecție

F = ?? Huh (Ts-Ta)
unde: Ф – fluxul de căldură, W
A este aria suprafeței corpului încălzit, m?
? - coeficient de transfer termic,
Тs – temperatura mediului de îndepărtare a căldurii limită, K
Ta – temperatura suprafeței unui corp încălzit, K
[pentru suprafete nelustruite? = 6...8 W / (m? K)].

3. Conductivitate termică

Ф = ?T?(А/l) (Тs-Та) =(?T/Rth)
unde: Rth= (l / ?T?A) – rezistența termică, K/W,
Ф – puterea termică, W
A – secțiune transversală
lungime l - ?T – coeficient de conductivitate termică, W/(m?K)
pentru elemente de răcire ceramice?T=180 W/(m?K),
pentru aluminiu – 237 W/(m?K),
pentru cupru – 380 W/(m?K),
pentru diamant – 2300 W/(m?K),
pentru fibre de carbon – 6000 W/(m?K)]

4. Rezistenta termica

Rezistența termică totală se calculează astfel:

Rth par.com.=1/[(1/ Rth,1)+ (1/ Rth, 2)+ (1/ Rth,3)+ (1/ Rth,n)]

R-a postfață = Rth,1 + Rth, 2 + Rth,3 +....+ Rth,n

rezumat
La proiectarea corpurilor de iluminat cu LED-uri, trebuie luate toate măsurile posibile pentru a atenua comportamentul termic al LED-urilor prin conducție, convecție și radiație. Prin urmare, sarcina principală la proiectarea lămpilor cu LED este de a asigura îndepărtarea căldurii datorită conductivității termice a elementelor speciale de răcire sau a designului carcasei. Apoi aceste elemente vor elimina căldura prin radiație și convecție.
Materialele elementelor radiatorului ar trebui, dacă este posibil, să aibă o rezistență termică minimă.
Rezultate bune au fost obținute cu unități de îndepărtare a căldurii de tip „Heatpipes”, care au proprietăți conducătoare de căldură extrem de ridicate.
Unul dintre cele mai bune opțiuni radiator - substraturi ceramice cu căi de transport de curent pre-aplicate, direct pe care sunt lipite LED-urile. Structurile de răcire pe bază de ceramică elimină de aproximativ 2 ori mai multă căldură în comparație cu opțiuni obișnuite elemente de răcire metalice.
Relația dintre parametrii electrici și termici ai LED-ului este ilustrată în Fig. 4.
În fig. 5 prezintă un design tipic LED puternic cu un element de răcire din aluminiu și un circuit de rezistențe termice, iar în Fig. 6-8 – diverse metode răcire.

Radiația

Suprafața corpului de iluminat pe care este montat LED-ul sau modulul cu mai multe LED-uri nu trebuie să fie metalică, deoarece metalele au o emisivitate foarte scăzută. Suprafețele corpurilor de iluminat în contact cu LED-urile ar trebui, dacă este posibil, să aibă o emisivitate spectrală ridicată?.

Convecție

Este de dorit să existe o suprafață suficient de mare a corpului lămpii pentru contactul nestingherit cu fluxurile de aer ambiental (aripioare speciale de răcire, structură aspră etc.). Îndepărtarea suplimentară a căldurii poate fi asigurată prin măsuri obligatorii: miniventilatoare sau membrane vibrante.

Conductivitate termică

Datorită suprafeței foarte mici și volumului LED-urilor, răcirea necesară prin radiație și convecție nu se realizează.

Exemplu de calcul al rezistenței termice pentru un LED alb

UF= 3,8 V
IF = 350 mA
PLED = 3,8 V? 0,35 A = 1,33 W
Deoarece eficiența optică a unui LED este de 25%, doar 0,33 W este transformat în lumină, iar restul de 75% (Pv=1 W) este transformat în căldură. (Adesea în literatură, atunci când calculezi rezistenta termica RthJA face greșeala de a presupune că Pv = UF? IF = 1,33 W - acest lucru este incorect!)

Maxim temperatura admisa strat activ (joncțiune p-n – Joncțiune) TJ = 125°C (398 K).

Temperatura ambientală maximă TA = 50°C (323 K).

Rezistenta termica maxima intre stratul de bariera si imprejurimi:

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

Potrivit producătorului, rezistența termică a LED-ului

RthJS = 15 K/W

Rezistența termică necesară a elementelor suplimentare de disipare a căldurii (aripioare de răcire, paste termoconductoare, compuși adezivi, placă):

RthSA= RthJA – RthJS = 75-15 = 60 K/W

În fig. 9 explică rezistențele termice pentru dioda de pe placă.
Relația dintre temperatura stratului activ și rezistența termică dintre stratul de blocare (activ) și punctul de lipire al cablurilor de cristal este determinată de formula:

TJ= UF ? DACĂ? ?e? RthJS + TS

unde TS este temperatura măsurată la punctul de lipit al cablurilor de cristal (în acest caz este egală cu 105°C)

Apoi, pentru exemplul luat în considerare cu un LED alb cu o putere de 1,33 W, temperatura stratului activ va fi determinată ca
TJ = 1,33 W? 0,75? 15 K/W + 105°C = 120°C.

Degradarea caracteristicilor emisive din cauza încărcării termice pe stratul activ (de blocare).
știind temperatura reala la punctul de lipit și cu datele furnizate de producător, se poate determina sarcina termică asupra stratului activ (TJ) și efectul acesteia asupra degradării radiațiilor. Degradarea se referă la scăderea fluxului luminos pe durata de viață a cipului LED.

Efectul temperaturii stratului de barieră
Cerință fundamentală: temperatura maximă admisă a stratului de blocare nu trebuie depășită, deoarece aceasta poate duce la defecte ireversibile ale LED-urilor sau defecțiuni spontane.
Datorită specificului proceselor fizice care au loc în timpul funcționării LED-urilor, modificarea temperaturii stratului de blocare TJ este în intervalul valori acceptabile afectează mulți parametri LED, inclusiv tensiunea directă, fluxul luminos, coordonatele cromatice și durata de viață.

Indicatori tehnico-economici ai lămpilor

TEP-ul unei lămpi este influențat semnificativ de tipul și calitatea sistemelor optice ale lămpii. Nivelul de eficiență depinde de factorul de putere al balastului și de eficiența optică a dispozitivului, precum și de starea opticii. Un număr de echipamente autohtone și majoritatea probelor străine au coeficienți înalți. Cu toate acestea, oricât de buni sunt acești indicatori, optica (capac transparent, lentilă și reflectoare divergente sau convergente) se murdăresc în timpul funcționării și suferă modificări semnificative ale structurilor de suprafață, ceea ce duce la deteriorarea parametrilor. Această declarație se aplică tuturor tipurilor de corpuri de iluminat, indiferent dacă sunt utilizate sau nu balasturi.

La lămpile noi, eficiența optică variază de la 60 la 95%. Ca urmare a observațiilor practice și a examinărilor speciale de laborator, s-a dovedit că în timpul perioadei de 1 an de funcționare, eficiența optică scade la 35% din valoarea sa inițială (și nivelul principal al pierderilor are loc chiar în primele zile de funcționare. ). În 2 ani, optica pierde de la 50 la 65% din nivelul lor de eficiență inițial.

Dispozitivele observate au fost operate în aer liber (iluminat stradal) pe teritoriul Republicii Tatarstan, în condiții normale, neextreme. Este clar că, dacă condițiile de funcționare necesită funcționarea echipamentelor de iluminat în condiții de poluare crescută cu praf sau gaz, atunci eficiența optică scade într-un ritm mai rapid.

*Măsurătorile proprietăților optice și electrice au fost efectuate de specialiști din Grupul de companii TATLED la propria bază.

(Flux luminos, Ф; Distribuția fluxului luminos total pe oricare 2 niveluri de intensitate luminoasă sau unghiuri de radiație în cadrul diagramei de radiație, Ф(Ω),

Date privind echipamentele de măsurare din Anexa 1.

De regulă, sarcina de a proteja lămpile (în special volumul lor intern) de factori nefavorabili impact Mediul extern se rezolvă de către producătorii de echipamente de iluminat prin etanșare între carcasele dispozitivelor de iluminat închise și sticlă de protecție, precum și etanșarea punctelor de intrare a firului.

Cu toate acestea, cu mai mult studiu detaliat probleme, s-a dovedit că acest lucru nu a fost suficient pentru a asigura izolarea corespunzătoare a volumului intern al lămpii. Conform legilor termodinamicii, în dispozitivele de iluminat închise există un efect de „respirație” asociat cu o schimbare a presiunii aerului închis în volumul izolat intern al dispozitivului de iluminat. Când sursa de lumină a dispozitivului este pornită și aerul prins în interiorul dispozitivului este încălzit, presiunea crește, iar când este oprită, presiunea scade. Ca rezultat chiar și al unui defect imperceptibil al etanșării, aerul contaminat este aspirat în cavitatea internă a lămpii. Acest fenomen prezintă posibilitatea ca praful, fibrele și particulele corozive să se depună pe becul lămpii, reflector, suprafața interioară, sticla de protecție, lentile și ansamblurile de contact ale prizei. Ca urmare, capacitatea de iluminare a dispozitivelor scade și ele însele eșuează într-o perioadă scurtă de funcționare (de exemplu, în unele zone ale producției metalurgice, dispozitivele de iluminat sunt înlocuite anual, crescând semnificativ costul de funcționare a sistemului de iluminat).

Lămpile cu LED nu au dezavantajul de mai sus. Cert este că LED-urile utilizate în astfel de lămpi nu necesită reflectoare reflectorizante.

În dispozitivele de iluminat care utilizează surse de lumină convenționale, este încorporat un reflector reflectorizant, a cărui formă nu poate fi întotdeauna ajustată în conformitate cu cerințele de distribuție a luminii. Spre deosebire de lămpile convenționale, dispozitivele cu LED-uri folosesc surse de lumină care emit energie luminoasă nu în toate direcțiile, ci într-una singură. Direcția și intensitatea fluxului luminos este reglată de amplasarea axelor emițătorului de lumină într-o direcție dată și de numărul acestora. Unghiul de deschidere al radiației emise este reglat cu ajutorul opticii secundare (microlens).

Astfel, lampa LED este lipsită de dezavantajele cauzate de pierderile în sisteme optice surse de lumină omnidirecționale utilizate. Adică raportul Lumen/Watt pentru lămpile cu LED este mai atractiv.

Lumenii măsoară fluxul în toate direcțiile, adică într-un unghi solid de 4pi. Un lumen este egal cu fluxul luminos emis de o sursă izotropă punctiformă, cu o intensitate luminoasă egală cu o candela, într-un unghi solid de un steradian (1 lm = 1 cd × sr)

Un steradian este egal cu un unghi solid cu vârful său în centrul unei sfere cu raza R, decupând pe suprafața sferei o zonă egală cu aria unui pătrat cu latura R (adică R²). Dacă un astfel de unghi solid are forma unui con circular, atunci unghiul său de deschidere va fi de aproximativ 65,541° sau 65°32′28″).

Dacă presupunem că conul calculat este îndreptat direct către obiectul iluminat, atunci restul energiei luminoase lovește suprafața iluminată printr-un reflector sau lentile optice.
Candela (din latină candela - lumânare), unitate de intensitate luminoasă a Sistemului Internațional de Unități. Denumire: CD rusesc, CD internațional. Candela (unitate de intensitate luminoasă) - intensitatea luminii emise dintr-o zonă de 1/600.000 m2 a secțiunii transversale a unui emițător complet într-o direcție perpendiculară pe această secțiune transversală la o temperatură a emițătorului egală cu temperatura de solidificare de platină (2042 K) la o presiune de 101.325 n/m2.

Pe baza celor de mai sus, pentru a compara lămpile TEC cu o sursă de lumină convențională și o lampă LED, este necesar să se introducă o corecție pentru diferența de eficiență a sistemelor optice.

Considerat ca exemplu concret dispozitiv de iluminat utilizat pe scară largă RKU15-250 folosind Lămpi DRL si lampa LED.

Pentru a determina indicatori reali de performanță a iluminatului, facem următoarele calcule:

Potrivit producătorului, eficiența lămpii RKU15 este de 65%. Sursa de lumină (lampa DRL-250 (V)) are un nivel de flux luminos de 13.200 lumeni. Obținem nivelul fluxului luminos emis efectiv de dispozitiv: 65% din 13.200 lm = 8.580 Lumeni.

De asemenea, este necesar să se țină cont de pierderea accelerată a nivelului fluxului luminos DRL în primele 1000 de ore de funcționare. Din graficul de mai jos (conform datelor VNISI) este clar că în primele 1000 de ore de funcționare, nivelul fluxului luminos emis scade cu 15-20% din valoarea inițială. De aici obținem Фv = 6.864 Lumeni. În timpul perioadei ulterioare de funcționare, degradarea are loc mai puțin intens.

Curba nivelului fluxului luminos a LED-urilor utilizate în corpurile de iluminat cu LED are, de asemenea, o caracteristică neuniformă. Cu toate acestea, după cum puteți vedea din graficul de mai jos (fața de OSRAM Opto Semiconductors), după o scurtă scufundare, nivelul crește treptat (Golden Dragon plus diode).

Graficul costurilor de deținere a dispozitivului pe o perioadă de 5 ani

Datele sunt date ținând cont de costul constant al energiei electrice. Ținând cont de creșterea tarifelor prevăzută de Ministerul Dezvoltării Economice, punctul de intersecție al curbelor nivelului costurilor va avea loc mai devreme decât perioada obținută prin calcule (se presupune că 4 ani).

Un exemplu de utilizare a lămpilor DRL și a lămpilor LED pentru iluminatul rutier. Datorită unei energii luminoase mai rațional distribuite, suprafața drumului iluminată de lămpi LED (poza din stânga) este inundată mai uniform.

Concluzie: proprietățile optice ale corpurilor de iluminat care utilizează LED-uri sunt vizibil superioare în parametrii de iluminare față de corpurile de iluminat cu surse de lumină convenționale.

ECHIPAMENT DE CONTROL (ECHIPAMENT DE CONTROL).

Balasturile (balasturile) sunt un produs special care este folosit pentru a porni și menține funcționarea unei surse de lumină.

Din punct de vedere structural, balastul poate fi realizat sub forma unui singur bloc sau a mai multor blocuri separate.

În funcție de tipul de sursă de lumină, balasturile sunt împărțite în:

• Balasturi pentru lămpi cu descărcare în gaz
• Balasturi pentru lămpi cu halogen (transformatoare)
• Balasturi pentru LED-uri (driver LED)

În funcție de tipul de dispozitiv și de funcționarea balastului, există:

• electromagnetic (EMPRA)
• electronice (balasturi electronice)

Pe lângă parametrii optici, eficiența unui dispozitiv de iluminat este afectată semnificativ de parametrul factorului de putere al balastului.

Pentru balasturile lămpilor cu descărcare, acest parametru (conform producătorilor) variază de la 0,6 la 0,9. Cele mai eficiente astăzi sunt balasturile electronice, deoarece cu ajutorul electronicii capacitatea de a aprinde și controla strălucirea poate fi realizată mult mai eficient în comparație cu șocurile inductive. Balasturile pentru lămpi cu descărcare au fost produse de mult timp și, în ciuda îmbunătățirii continue, sunt bine cunoscute consumatorilor, așa că nu sunt discutate în detaliu în această lucrare.

În lămpile cu LED, balastul (driverul LED) îndeplinește funcția de stabilizator curent continuu, stabilizatoare de tensiune și reglare (specializate).

Șoferii pot fi împărțiți în două grupuri principale:

1. Surse LED cu curent de ieșire stabilizat constant (driver LED) - concepute pentru a alimenta LED-uri (sau lămpi LED) conectate în serie.

2. Surse de alimentare cu tensiune constantă stabilizată (transformatoare LED) - concepute pentru a alimenta grupuri de LED-uri care sunt deja echipate cu o rezistență de limitare a curentului, de obicei benzi LED, rigle sau panouri.

În plus, deoarece industria produce LED-uri concepute pentru sensuri diferite curent nominal, driverele LED sunt de asemenea împărțite în funcție de acest parametru.

Cele mai comune valori ale curentului sunt 350 și 700 miliamperi.

Factorul de putere al driverelor LED de la majoritatea producătorilor este de 0,95. Un LED separat necesită o tensiune constantă de 2-4V și câteva zeci de mA de curent. O serie de LED-uri în lanț în margaretă necesită mai mult tensiune înaltă. Driverul LED este sursa acestei tensiuni. Transformă alimentarea unei rețele electrice de uz casnic 110-240V Tensiune AC la DC de joasă tensiune pentru alimentarea sistemelor LED.

Există cerințe crescute pentru calitatea echipamentelor de control cu ​​LED-uri, deoarece LED-urile, fiind un dispozitiv semiconductor, sunt extrem de pretențioase cu privire la calitatea sursei de alimentare. Abaterile de la parametrii specificați cu 2-5% afectează puternic iluminarea și proprietățile electrice ale LED-urilor și pot duce la o reducere semnificativă a duratei de viață a cristalului sau a fosforului.

Pe baza celor de mai sus, este clar că calitatea echipamentului de control LED este inițial ridicată și, în consecință, este un produs cu eficiență ridicată.

Marea majoritate a valorilor declarate de producători variază de la 0,90 la 0,95. Măsurătorile simple confirmă aceste valori.

Pentru atenuare (modificarea luminozității LED-urilor), se utilizează de obicei principiul modularea lățimii impulsului(PWM).

În ceea ce privește eficiența și gradul de fiabilitate, balasturile pentru lămpile cu descărcare și balasturile pentru lămpile cu LED diferă doar prin calitatea circuitelor și a utilizării. baza elementului, ceea ce implică în cele din urmă o diferență în costul produsului. Balasturile de înaltă calitate și scumpe de diferite tipuri de lămpi se apropie de un singur indicator (aproape de 1).

Anexele 2 și apendicele 3 conțin recenzii de la organizații care au implementat lămpi LED ca prototipuri.

Concluzie: influența randamentului balastului asupra randamentului general corp de iluminat pentru lămpile cu descărcare și pentru lămpile cu LED nu există nicio diferență vizibilă și este determinată doar de prețul produsului.

←