Как рассчитать эффективность светильника
Обновлено: 02.05.2024
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:
- Необходимо взять сосуд с теплоизолированными стенками, для этого хорошо подходит колба или сам термос.
- К выбранному для измерения светодиоду нужно припаять провода, ведущие от блока питания, и покрыть их открытые участки слоем изоляционного лака – во избежание утечки тока в водной среде.
- В термос заливается 0,25 литра чистой воды с низким содержанием солей.
- Измеряется начальная температура с помощью термометра (значение обязательно записывается) – до эксперимента.
- Далее лэд-элемент целиком погружается в воду и подключается при открытой крышке.
- С подачей питания необходимо одновременно включить секундомер.
- По истечение пятнадцати минут сеть отключается, и температура замеряется заново (предварительно водная среда перемешивается). Данные фиксируются.
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.
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:
- Вместо одного лед-источника подключить два, используя параллельное соединение. Этим будет достигнуто снижение сопротивления вдвое. Таким образом можно получить лучшее освещение, но с меньшими затратами энергии и без перегрева.
- Аналогичным способом при наличии свободного места в корпусе светильника можно установить сразу 3 или 4 светодиода.
- Монтировать один светодиод, но с большой мощностью, чем рассчитано – если места на установку нескольких нет. Например, вместо 40 Вт поставить на 80 Вт.
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:
- В колбу наливается стакан чистой воды и измеряется его температура.
- Затем в нее полностью погружается подготовленный светодиод и подключается к сети.
- Через определенное время снова измеряется температура воды.
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.
КПД светодиодного светильника (светодиод + питание + форм-фактор)
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.
Но это теоретические показатели, на которые мы повлиять не можем. На практике ключевую роль играют ток, подаваемый на диод и температурный режим. Прекрасную работу проделал пользователь ютуба под ником berimor76, показав на практике зависимость светового потока от подаваемого тока и температуры. Смотрим видео.
КПД источника питания
Кроме КПД самих светодиодов, на энергоэффективность светодиодных ламп и светильников оказывает влияние источник питания. Они есть двух типов:
- Блок питания. Подаёт на светодиоды постоянное, заранее заданное напряжение, независимо от потребляемого тока.
- Драйвер. Обеспечивает постоянное значение тока. Напряжение при этом значения не имеет.
Блок питания
Блок питания подаёт на светодиод напряжение, превышающее необходимое для открытия p-n перехода. Но сопротивление открытого диода очень мало. Поэтому для ограничения тока последовательно с источником света устанавливается резистор. Мощность, выделяющаяся на нём, полностью превращается в тепло, что понижает КПД светодиодного светильника. Например, в led-ленте потери составляют около 25%.
Более совершенным и экономичным устройством является электронный драйвер.
Драйвер
Драйвер для питания светодиодов обеспечивает их током постоянной величины. Диоды подключаются к устройству последовательно в количестве, которое зависит от рабочего напряжения светодиодов и максимального напряжения устройства.
Схема подключения светодиодов с током 300мА к драйверу
Схема светодиодной лампы с драйвером
Электронный драйвер устанавливается в светильниках большой мощности или в переносных устройствах, где экономия электроэнергии или ёмкости батарей важнее цены за устройство.
КПД светильника
При организации освещения, в том числе светодиодного, имеет значение КПД форм-фактора светильника. Это соотношение всего света, выходящего из светильника к световому потоку, излучаемому самой лампой.
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
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
Таким образом, максимальный световой поток на ватт мощности излучают светодиоды в прожекторах со встроенным электронным драйвером.
Расчет освещенности помещения светодиодными лампами
Наиболее актуальный вопрос при замене обыкновенных лампочек накаливания на светодиодные – как рассчитать необходимое количество светодиодных ламп. Для нас привычно, что в туалете светит лампочка на 60 Вт, а в зале три-четыре по 100 Вт. Но для светодиодов такие параметры неприменимы. При установке необходимо производить определение суммарного светового потока.
Расчёт освещенности помещений различного назначения
Для каждой комнаты уровень освещённости подбирается индивидуально и зависит от того, какие работы будут проводиться в помещении. В тех комнатах, где вы будите читать либо писать яркость должна быть максимальная, а для коридора достаточен уровень освещенности почти на порядок ниже.
Наиболее простой способ подобрать замену нитям накаливания по таблице их световых потоков.
| Световой поток лампы накаливания | |
|---|---|
| Лампа накаливания, мощность в Вт | Приблизительный световой поток, Лм |
| 20 | 250 |
| 40 | 400 |
| 60 | 700 |
| 75 | 900 |
| 100 | 1200 |
| 150 | 1800 |
| Требуемое освещение помещения | |
|---|---|
| Тип помещения | Необходимый уровень освещения на 1м² (Люкс) |
| Прихожая | 80-100 |
| Кухня | 200-250 |
| Ванная комната | 200-250 |
| Гостинная | 300-400 |
| Спальня | 200-250 |
Возьмём в качестве примера гостиную комнату площадью 20 м.кв, в которой стоят четыре обыкновенных лампы накаливания по 100 Вт. Суммарный световой поток такой люстры составит 1200*4=4800 люмен. Делим световой поток на площадь помещения: 4800/20=220 люмен/м.кв (люкс).
Расчет освещения светодиодными светильниками
Здесь используются очень простые формулы:
Расчет количества светодиодных светильников по площади производим исходя из размеров комнаты и требуемого уровня освещения.
Световой поток одной лампы = уровень освещённости * площадь комнаты / количество ламп
Расчет светодиодного освещения на квадратный метр:
Уровень освещённости = количество ламп * световой поток лампы / площадь освещения
Сколько нужно светодиодных светильников на квадратный метр зависит от типа монтажа светильников. Если светодиоды устанавливаются в обычную люстру, их световой поток подбирается исходя из необходимого уровня интенсивности света. При монтаже точечных светильников по периметру – делим необходимый уровень на показатель светового потока ламп, которые мы планируем устанавливать.
Не следует забывать, что эффективный угол света светодиодов около 120 градусов, поэтому количество светильников на квадратный метр должно быть таким, что бы свет был равномерным, без перепадов. Это достигается увеличением количества источников света с пропорциональным уменьшением мощности каждого источника.
Следует учесть, что лампочки, расположенные в потолке, находятся на 20-30 см выше, чем в люстре, поэтому интенсивность света должна быть на 15-20% выше.
Онлайн калькулятор
Для определения количества источников света, можете использовать калькулятор расчета освещенности помещения светодиодными лампами:
Какие лампы выбрать для освещения
При выборе светодиодных лампочек следует обратить внимание на наиболее критические параметры, которые принципиальны для качества освещения.
- Цветовая температура;
- Тип рассеивателя;
- Световой поток.
Цветовая температура
Цветовая температура светодиодов традиционно имеет три категории
Визуально более высокая цветовая температура светят ярче. Так при одинаковой мощности визуальная яркость CW на четверть выше WW.
Тип рассеивателя
Рассеиватель может быть матовый либо прозрачный. Матовый рассеиватель обеспечивает более равномерное распределение светового потока, но потери интенсивности в нём могут достигать 25-30%. Для освещения относительно большой площади помещения более рационально использовать лампы с прозрачным рассеивателем, а вот в настольном светильнике однозначно матовый тип рассеивателя лучше.
Световой поток
При выборе лампочки обязательно обращайте внимание на её номинальный световой поток. Он зависит от типа и качества светодиодных матриц.
| Китай | Тайвань | Европа | |
|---|---|---|---|
| Яркость, Лм | 240 | 380-420 | До 500 |
| Мощность, Вт | 4,8 | 4,8 | 4,8 |
Требуемая мощность светодиодной лампы зависит от рассмотренных выше параметров. При использовании тёплого света, номинальная мощность должна быть на 25-30% выше чем ламп холодного света.
Неточности и погрешности при расчёте светодиодного освещения
Часто замену обыкновенных лампочек на светодиодные производят во время планового ремонта. После, в процессе эксплуатации, оказывается, что света недостаточно.
Основная причина таких казусов – отсутствие учета коэффициента отражения поверхностей.
Переклейка более тёмных обоев, использование линолеума либо ламината тёмных оттенков, матовый подвесной потолок способны ощутимо уменьшить освещённость в помещении. В данном случае мы говорим об общей освещённости. Интенсивность света на письменном столе, над которым смонтирован светодиодный светильник, может быть достаточной. А вот попытка чтения любимой книги, лёжа на диване, будет вызывать дискомфорт, если стены будут мало отражать свет от потолочных светильников.
Для определения коэффициента отражения принято учитывать такие коэффициенты:
Существует множество поправочных таблиц для определения освещённости поверхности при различных коэффициентах отражения. Ради лёгкости расчёта можно использовать упрощённую формулу.
Общий коэффициент отражения = (КО потолка + КО стен + КО пола) / 3
Так мы получаем усреднённые, которые позволят заложить поправочный коэффициент в наши расчёты.
Пример:
В комнате белый потолок (КО 70%), персиковые обои (КО 50%) и светлый ламинат (КО 50%).
Средний коэффициент отражения = (0,7+0,5+0,5)/3*1,2 = 0,7
Если в комнате установлены светодиодные лампы с номинальным световым потоком 1400 люмен, при расчете светильников на помещение берем 1400*0,7 = 1000 люмен.
Световой поток светодиодных ламп
Споры на тему сравнения светового потока диодных и других типов ламп, постоянно возникают на необъятных просторах интернета. Виной тому уникальность технических параметров светодиодов как источника света, а именно специфика точечных источников.
Все источники света, будь то лампочка накаливания либо люминесцентная, имеют круговую диаграмму рассеивания света, когда у светодиода это луч с углом рассеивания около 120 0 . Поэтому и характеристики освещения диода зависят от того под каким ракурсом их оценивать.
Сравнение света разных источников
Например, часто на упаковке светодиодов мощностью 4Вт со световым потоком 400 лм изображают в качестве эквивалента лампу накаливания на 50Вт. На самом деле общий световой поток второй почти на четверть выше.
А вот если сравнить эффективную освещенность поверхности стола от настольного светильника с обыкновенной лампой и на диодах, выигрыш на стороне LED, поскольку у них меньший диаметр светового пятна и значительно меньшее рассеивание света.
| Таблица светового потока ламп накаливания | |
|---|---|
| Мощность, Вт | Мощность, Лм |
| 40 | 380 |
| 60 | 610 |
| 100 | 1200 |
| Средний показатель лампочек накаливания 10-13 Лм/Вт | |
| Таблица светового потока люминесцентных ламп | |
|---|---|
| Мощность, Вт | Мощность, Лм |
| 5 | 260 |
| 8 | 420 |
| 12 | 630 |
| 15 | 900 |
| 20 | 1200 |
| 24 | 1500 |
| Средний показатель люминесцентных лампочек 50-60 Лм/Вт | |
| Таблица светового потока светодиодных ламп | |
|---|---|
| Мощность, Вт | Мощность, Лм |
| 5 | 380-500 |
| 9 | 700-1000 |
| 12 | 1100-1200 |
| 15 | 1300-1400 |
| Средний показатель светодиодов 80-120 Лм/Вт | |
Разброс параметров светового потока обусловлен его зависимостью от цветовой температуры. У диодов холодного белого света (цветовая температура 5000-7000 К) световой поток выше светодиодов тёплого света (2800-3500 К).
Давайте рассмотрим эту информацию с практической точки зрения.
При выборе обыкновенной лампочки накаливания мы интуитивно понимаем, что в ванную комнату надо 75 ватт, в коридоре можно обойтись 60 ваттами, а в гостиную придется вкручивать три по сто. И никто не задаётся вопросом, сколько там в них люмен.
Что такое люмены в светодиодных лампах
С переходом на LED понятие яркости и освещенности приходится рассматривать совершенно в другом ракурсе. Как видно из таблиц, мощность светодиодов при замене лампы накаливания должна быть примерно в десять раз меньше. Но тут необходимо учитывать целевое назначение освещения.
Если говорить об освещении помещений, сто ватт накаливания дают столько люмен, сколько и десяти ваттные светодиоды. С единственной оговоркой – в качестве диодной лампочки используются изделия радиальной конструкции. Как на рисунке.
Освещение рабочей поверхности
Для освещения рабочих поверхностей используют плоские LED модули, поскольку освещать внутреннюю поверхность плафона нет резона.
В такой системе эффективная яркость накаливания не превышает 60% от номинального показателя. Чистый световой поток от 60Вт будет около 350 люмен (630 * 0,6). А вот КПД светодиодов в такой системе практически 100%.
Соответственно расчётная мощность светодиодов не превысит 5Вт.
Освещённость и световой поток
Для рядового потребителя не столь важно, сколько люксов выдаёт источник света. Важнее что бы при этом уровне освещенности было комфортно зрению при чтении либо письме.
Все санитарные правила нормируют освещение рабочей поверхности в люксах. Будь то страничка книги либо лист бумаги, для комфортной работы на их поверхности должно быть 300 люкс, что соответствует 30Лм/м.кв.
Сколько люмен в лампе накаливания 100Вт важно, например, для организации рабочего места ребёнка, где он будет делать уроки либо заниматься другими делами.
Рассчитать освещенность поверхности, даже зная, сколько люмен в лампочке 100Вт, крайне сложно, поскольку большая часть этого потока доходит в виде отражённого света. Для диодов же достаточно элементарной формулы из школьного курса геометрии.
H – расстояние от светодиодов до поверхности;
D – диаметр светового пятна;
D = 2 * Tg60 0 * h = 1.16 * h;
Площадь круга = 3,14 * D 2 / 4 = 0,785 * D * D;
Освещённость = световой поток / площадь круга.
Итого: светодиодный источник света мощностью 15Вт и световым потоком 800Лм, размещённый на потолке над столом, обеспечит около 300 люкс.
Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:) (3 оценок, среднее: 5,00 из 5)Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)
Материалы по теме:
ДЛЯ ВАС ПО ТЕМЕЕЩЕ ОТ АВТОРА
Как правильно подключить RGB светодиодную ленту к контроллеру. Правильные схемы с описанием
SMD 3528, 5050, 5630, 5730 параметры и технические характеристики
Правильный расчет резистора для светодиода, подбор резистора по цветовой маркировке + онлайн калькулятор
3 способа замены галогеновых ламп на светодиодные в люстре
КПД светодиодного светильника (светодиод + питание + форм-фактор)
Регулировка яркости LED. Все о диммерах для светодиодных ламп
4 КОММЕНТАРИИ
Если-бы не на столь жёсткие (беспредельные) требования правил экологов к хранению и утилизации ДРЛ я-бы их эксплуатировал до сих пор. так как срок их службы дольше.
Расчет экономической эффективности замены люминесцентных ламп на светодиодные
15 ноября 2013 k-igorС каждым днем светодиодные лампы становятся более конкурентоспособны, поэтому тема замены ЛЛ на СДЛ очень актуальна в настоящее время, а через год-два станет еще актуальнее. Рассчитаем экономическую эффективность замены люминесцентных ламп Т8 на светодиодные.
Многие производители светодиодных ламп предлагают свои расчеты экономической эффективности замены люминесцентных ламп на светодиодные их производства.
Например, белорусский производитель ЛЕДБел предлагает такой расчет замены люминесцентных ламп серии Т8 на светодиодные трубки.
Расчет экономической эффективности замены ЛЛ на СДЛ (ЛЕДБел)
Как видим из расчета, уже через год прибыль составит более 2000000 бел.руб. (около 200$), а через 5 лет – 50000000 бел.руб. Цифры очень хорошие, не так ли? Но, хотелось бы разобрать данный расчет более детально.
В Excele сделал таблицу, которая позволит быстро посчитать экономический эффект от замены ЛЛ на СДЛ. Вводим количество ламп, мощность одной лампы, количество часов работы в день, срок эксплуатации ламп, стоимость одной лампы, стоимость 1кВт*ч, затраты на эксплуатацию и получаем результат. Таким образом можно быстро просчитать различные варианты.
Разумеется, производители хотят показать минимальный срок окупаемости, но на мой взгляд они порой завышают некоторые значения.
В своем расчете я взял 10 часов работы (для одной смены), а не 12. Не знаю, где нашли стоимость 1кВт*ч в 1567,2 бел.руб., я нашел данное значение для юридических лиц около 800 бел.руб. Третья цифра, которая очень сильно влияет на экономический эффект – затраты на эксплуатацию, ремонт, замену, утилизацию. Я взял 4000000 в год, а не 8000000. Как видите, в своем расчете я значительно занизил исходные данные. Тем не менее, через 2 года у нас прибыль составит около 1000000 бел.руб по итогам двух лет.
Программа для расчета экономической эффективности замены ЛЛ на СДЛ
Думаю, так будет более правдоподобно.
Зная точно все исходные данные, можно сделать расчет более правильно.
Качайте программу по ссылке и делайте расчет для своего случая.
С учетом того, какими темпами развивается производство, я считаю, что окупаемость замены ЛЛ на СДЛ должна быть не более 2-х лет.
ВСЕ ЗАКАЗЫ ПРОСЬБА ОТПРАВЛЯТЬ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ Электронная почта:
Заказы принимаются только от 10 000 руб
Ваша корзина пуста Ваша корзина пуста
- Офисное освещение
- Уличное освещение
- Дорожное освещение (Магистральное)
- Промышленное освещение
- ЖКХ освещение
- Лампы освещения
- Подводное освещение
- Торговое освещение
- Светильники для АЗС
- Садово-парковое освещение
- Тепличное освещение
- Ландшафтное освещение
- Архитектурное освещение
- Аварийное освещение
- Системы управления освещением
- Доп.оборудование и аксессуары
- Тонельное освещение
- Умный дом (SMART HOME)
- Автомобильное освещение
- Бактерицидные облучатели и лампы
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.
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.
Что такое светоотдача? Сравнение светильников и ламп.
Большинство из вас слышали о таком параметре как световая отдача. Что он означает и как его правильно понимать?
В первую очередь он показывает, насколько эффективно электроэнергия в светильнике, преобразуется в видимый поток света. Не на тепло или другие потери, а именно на реальное освещение.
Грубо говоря, это своеобразный КПД. Единица измерения светоотдачи – Люмен/Ватт.
Простые лампочки накаливания, люминесцентные, ДРЛ, НЛ и светодиодные одной и той же мощности, имеют различную световую отдачу.
Больше всего этот параметр у светодиодных элементов. А у простой 100 ваттной лампочки самый низкий КПД. У нее всего 2% из всей затрачиваемой энергии идет на освещение.
Однако здесь многое зависит и от самого светильника, его формы, конструкции, производителя и т.д.
Если большинство параметров у различных светильников одинаковые, то главный фактор выбора того или иного источника света – это его световая отдача.
Многие из вас наверняка задумывались, а что лучше и экономичнее – повесить в комнате просто лампочку или лампочку в светильнике? Как раз на помощь здесь и приходит такой параметр, как светоотдача.
Чтобы его узнать, необходимо световой поток источника света разделить на мощность светильника. В итоге и получим данные, измеряемые в Лм/Вт.
От чего зависит
Теоретически считается, что эти данные должны затрагивать только сам источник света и никоим образом не касаться всего светильника.
Однако практика показывает, что огромный вклад в конечный итог величины светоотдачи оказывают:
Насколько на самом деле эффективны светодиоды и как продлить их срок службы?
Каким образом измерить в домашних условиях их КПД и повысить эффективность, а также увеличить долговечность светодиодных светильников?
Сравнивать светодиоды с обычной лампочкой конечно же не нужно, тут они убежали далеко вперед. Но как вы думаете, насколько высок у них реальный КПД?
Как измерить КПД светодиодаДавайте это проверим в живую, не по надписям на упаковках и данным таблиц в интернете, а колориметрическим методом в домашних условиях.
Если опустить светодиод в воду и замерить разницу температур до его включения и спустя некоторое время после, то можно выяснить, сколько энергии от него перейдет именно в тепло.
Зная общее количество затраченной энергии и энергии ушедшей в тепло, можно реально узнать сколько пользы от данного источника света перешло именно в свет.
Емкость в которой будут производиться измерения, должна быть изолирована от колебаний температуры снаружи и внутри. Для этого подойдет обычная колба от термоса.
При определенной доработке, у вас получится вполне годный самодельный колориметр.
Чтобы изолировать и предотвратить утечки тока, все провода и выводы на светодиоде следует покрыть толстым слоем электроизоляционного лака.
Перед экспериментом заливаете во внутрь колбы 250мл дистиллированной воды.
Далее фиксируете начальную температуру жидкости.
Опускаете светодиод в воду, так чтобы она полностью его покрывала. При этом свет должен беспрепятственно выходить наружу.
Включаете питание и начинаете отсчет времени.
Через 10 минут выключаете напряжение и опять замеряете температуру воды.
При этом не забудьте хорошенько ее перемешать.
Теперь нужно повторить эксперимент, но на этот раз, плотно заклейте матрицу каким-нибудь непрозрачным материалом. Это необходимо, дабы энергия не могла покинуть систему в виде света.
Опыт с заклеенным экземпляром повторяется опять в той же последовательности:
- 250мл дистиллированной воды
- замер начальной температуры
- 10 минут ”свечения”
- замер конечной температуры
После всех измерений и экспериментов, можно переходить к расчетам.
Допустим, для данной модели среднее потребление источника света равняется 47,8Вт. Время работы – 10минут.
Если подставить эти данные в формулу, то получим, что за время в 600 секунд, на свечение светодиода было затрачено 28 320 Дж.
В случае с заклеенной моделью, вода нагрелась с 27 до 50 градусов. Теплоемкость воды 4200Дж, а масса – 0,25кг.
Еще 130 Дж на каждый градус, ушло на нагрев колбы, плюс нужно прибавить энергию на нагрев самого светодиода. Он весит 27 грамм и в основном состоит из меди. В итоге получается цифра в 27377 Дж.
Отношение выделившейся энергии и затраченной будет равняться 96,7%. То есть, не хватает более 3%. Это как раз таки и есть тепловые потери.
В случае с открытым светодиодом, вода нагрелась с 28 до 45 градусов. Все остальные переменные остались прежними. Расчет здесь будет выглядеть следующим образом:
Какой же итог можно сделать из всех этих опытов и вычислений?
Как видно из этого небольшого эксперимента, непосредственно в виде света, систему покинуло около 28% энергии. А если учесть 3% тепловых потерь, то и вовсе остается всего 25%.
Как видите, до идеальных источников света, как их представляют многие продавцы, светодиодам еще очень далеко.
Хуже того, на рынке зачастую встречаются модели, крайне низкого качества с еще меньшим КПД.
Давайте теперь сравним яркость разных моделей и посмотрим от чего она зависит и можем ли мы как то на это влиять. Чтобы провести достоверное сравнение, воспользуйтесь обычным куском трубы и люксометром.
Допустим, испытанный ранее качественный образец, обеспечивает освещенность 1100 люкс. И это при потребляемой мощности в 50 Вт.
А если взять более дешевую модель? Данные могут получиться в два раза ниже – менее 5500 Лк.
И это при одинаковой мощности! Получается, что заплатите вы за свет столько же как и в первом случае, а получите его на 50% меньше.
А можно ли получить в 3 раза больше света, затрачивая как можно меньше энергии?
Можно, но для этого понадобится светодиод работающий в немного другом режиме. Чтобы понять как это сделать, нужно провести еще немного измерений.
В первую очередь, вас должен интересовать момент зависимости яркости от потребляемой мощности. Постепенно повышайте мощность и следите за показаниями люксометра.
В итоге вы выйдите на такую вот нелинейную зависимость.
Если бы она была линейной, вы бы получили что-то вроде этого.
Видите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Такое ухудшение с повышением мощности, присуще всем светодиодам. И причин этому несколько.
Одна из них, конечно же нагрев. С повышением температуры, снижается вероятность образования фотонов в p-n переходе.
А она не очень хорошо проводит тепло. Разницу температур можно посчитать, зная размеры кристалла и выделяемую на нем теплоту.
При выделяющейся теплоте в 1Вт, учитывая толщину и площадь подложки, температура перехода будет на 11,5 градусов выше.
В случае с дешевым светодиодом все намного хуже. Здесь результат – более 25 градусов.
Высокая температура перехода приводит к быстрой деградации кристалла, сокращая его срок службы. Отсюда и возникают моргания, мигания и т.п.
Интересно, производители не знают про эту разницу в температуре или намеренно создают обреченные устройства?
Нередко компоненты, казалось бы в нормальных, дорогих светильниках, работают в предельных режимах, на максимальных температурах без какого-либо запаса прочности.
Вторая причина ухудшения эффективности светодиода при увеличении мощности – это паразитное внутреннее сопротивление.
Пока ток небольшой, оно не заметно. Но из-за квадратичной зависимости, с увеличением тока все большая часть энергии превращается в бесполезное тепло.
Посмотрев на эту схему, сразу хочется избавиться от паразитного сопротивления. Ну или хотя бы уменьшить его, так как это делают с конденсаторами.
Как увеличить эффективность
То есть, подключить параллельно еще один светодиод, тем самым в два раза уменьшив потери на сопротивление. И этот метод, конечно работает.
Подключив в светильник параллельно два светодиода вместо одного, вы получите больше света с меньшими затратами энергии и соответственно меньше нагрева.
Безусловно, это продлевает и срок службы светодиода.
Можно не останавливаться и подключить 3,4 диода вместо одного, хуже не будет.
А если места для нескольких светодиодов недостаточно, то можно поставить светодиод изначально рассчитанный на большую мощность. Например 100 ваттный, в 50 ваттный светильник.
Именно таким образом можно поднять эффективность светильника в несколько раз, при тех же затратах энергии, что и на первоначальном источнике, но меньшей мощности, и работающего на пределе своих возможностей.
При этом эффективность их работы и КПД заметно возрастут.
Поэтому при покупке светодиодов, всегда интересуйтесь размером кристаллов. Ведь от этого зависит их охлаждение и внутреннее сопротивление.
Здесь действует правило – чем больше, тем лучше.
Читайте также: