Как посчитать кпд светодиодного светильника

Эффективность светодиодных светильников.

Эффективность осветительного прибора определяется количеством Люмен на 1 Ватт мощности, потребляемой прибором (Лм/Вт).
Всех очень интересует один вопрос: сколько Люмен с Ватта выдают наши светильники. Да и не только наши. Ответить точно на этот вопрос практически невозможно. Дело в том, что отдача светодиодного светильника зависит от многих факторов, некоторые из которых переменны. Это касается в первую очередь температуры окружающей светильник среды во время работы. Лучшая эффективность светодиодного светильника будет в первую минуту его работы после включения в холодном (до +23 ºС) состоянии. По мере прогрева кристалла светодиода отдача светильника снижается. Если светильник плохо продуман, имеет некачественные детали, плохо собран, то тепло от светодиодов передаётся на радиатор плохо, а это приводит к ещё большим потерям эффективности. Есть производители светодиодов, которые указывают световую отдачу в двух вариантах – в холодном и в прогретом. В технической документации даны таблицы, позволяющие определить световой поток, исходящий от светодиода при определённой температуре кристалла. Проблема в том, что очень сложно достоверно определить температуру кристалла у собранного и работающего светодиодного светильника.

Многие думают, что если в светодиодном светильнике стоят диоды с отдачей 145 Лм/Вт, то и светильник в целом имеет ту же отдачу. Это не верно. Вспомним, что для работы светодиодных модулей установлен трансформатор. Точнее стабилизирующий источник постоянного тока. У него есть свой КПД. Все отлично понимают, что не бывает КПД 100%. Как правило, КПД современных блоков питания у светодиодных светильников очень высок и составляет около 90%. То есть, если Вы проверите потребления светильника, и показания прибора будут, допустим, 60 Вт, то на диод из них уходит около 54 Вт (60*0.9). Значит, на блоке питания мы теряем 6 Вт. Это первое снижение эффективности светового потока светильника против светового потока светодиода. Далее вспомним, что светодиод, как правило, прикрыт каким-либо стеклом, рассеивателем, линзой и т.п. Очевидно, свет будет несколько теряться и при прохождении этой преграды. Потери зависят от типа защитного стекла и колеблются в широких пределах – примерно от 5 до 20%. То есть от потока светодиода надо отнять порядка 10%, которые будут обязательно потеряны на стекле. Итого мы уже теряем порядка 20% эффективности светильника в сборе против эффективности светодиода отдельно.

Источник

Эффективность светодиодного светильника и светодиода

Энергоэффективность светодиодного светильника и светодиода в вопросах и ответах.

Главным показателем эффективности светодиодного светильника является его световая отдача, которая характеризуется отношением количества светового потока (Люмен, Лм) к потребляемой им мощности (Ватт, Вт). Показатель энергоэффективности можно отнести как к лампе накаливания, дуговой ртутной лампе ДРЛ (светильнику с лампой ДРЛ – прошу не путать, это разные величины), люминесцентным лампам и прочим источникам света.

Показателем энергоэффективности обладает так же и светодиод, входящий в состав светодиодного светильника. В чем же тут разница? Рассмотрим данный вопрос подробней.

Эффективность работы светодиода зависит от многих факторов, но к главным из них относится величина пропускаемого через него тока и, как следствие, температура кристалла, которая еще зависит от того насколько эффективно отводится от светодиода генерируемое им тепло.

На приведенном графике видно, что эффективность типичного светодиода может колебаться в пределах 30% при изменении температуры его кристалле в пределах 120 градусов.

На следующем графике представлена зависимость относительного светового потока светодиода от пропускаемого через него ток. Как видно, зависимость нелинейная.

Этот график косвенно доказывает на тот факт: больше тока = больше тепла = меньше эффективность = меньше ресурс светильника как следствие.

Если с эффективностью светодиода всё более или менее понятно, то рассмотрим подробнее, чем отличается эффективность светодиода от эффективности светодиодного светильника.

В состав светодиодного светильника, кроме светодиода на печатной плате (далее светодиодный модуль), входит еще его оптическая часть (линзы, рассеиватели и т.п.) а так же источник питания.

Оптическая часть светодиодного светильника предназначена для формирования направленности сил света в пространстве (концентрирования или рассеивания светового потока в определенных направлениях пространства). Прохождение света через прозрачные элементы оптической части светодиодного светильника, а так же его преломление, приводит к неизбежным его потерям. Назовем эти потери – потерями в оптической части светодиодного светильника. По самым скромным показателям, в оптической части светодиодного светильника теряется в среднем около 10% всего светового потока излучаемого светодиодом.

Дополнительно, работающий источник питания светодиодного светильника имеет свой действительный КПД, зависящий не только от типа источника питания, но и от степени его загрузки. Хорошим показателем КПД источника питания светодиодного светильника является величина не менее 0,9 (иными словами 90%). При таком КПД, с каждых 100 Вт подводимой мощности, 10 Вт будет расходоваться на потери (тепло и т.п.). Так же важным параметром источника питания светодиодного светильника является такой параметр, как коэффициент мощности. В идеале он должен быть равен единице. В действительности, считается хорошим показателем, когда коэффициент мощности светодиодного светильника больше 0,9. Такие показатели удаётся достигать в источниках питания светодиодных светильников с применением ШИМ. В таких источниках питания присутствует гальваническая развязка, дополнительно защищающая светодиодный модуль светодиодного светильника, а так же активный корректор мощности, позволяющий успешно эксплуатировать светодиодные светильники в соседстве с лампами ДРЛ с подключением их через ПРА. Источник питания с ШИМ схемотехнически является сложным устройством и вносит существенный вклад в себестоимость светодиодного светильника. При стремлении некоторых производителей сэкономить, некоторые из них используют в составе своих светодиодных светильников источники питания с более простыми схематическими решениями, коэффициент мощности некоторых таких экземпляров может быть равен 0,5..0,6. Не стоит забывать, что по счетчику электрической энергии мы платим за полную электрическую потребляемую мощность, а при эксплуатации дешевых низкосортных светодиодных светильников с коэффициентом мощности 0,5, действительная электрическая потребляемая мощность может возрасти вдвое относительно заявленной. Так же, использование простых и дешевых источников питания не обеспечивает защиту светодиодного модуля светодиодного светильника, возникновение в сети нештатных ситуаций (простых кратковременных перенапряжений), приводит к выходу из строя не только сам источник питания с простой и дешевой схемотехникой, но и сам светодиодный модуль, что ведет к замене дешевого светодиодного светильника на новый.

Проще говоря, на эффективность светодиодного светильника дополнительно влияют потери в оптической и электрической части светодиодного светильника, как минимум 10% + 10%.

Многие производители светодиодных светильников зачастую указывают наибольшие значения эффективности светодиода, помножив на их количество. Такой подход «горе производителей» приводит к тому, что указанные параметры эффективности светодиодного светильника являются мягко сказать завышенными. В действительности, реальный световой поток таких «горе светильников» может оказаться вдвое меньше заявленного при одинаковой потребляемой мощности в сравнении со светильниками от проверенных производителей. Завышение заявленных характеристик, использование простейших схемотехнических решений, всё это приводит к появлению на светотехническом рынке некачественной продукции меньшей стоимости. Реально, стремление сэкономить на освещении может привести к тому, что для выполнения нормируемой освещенности объекта, недоброкачественных светильников может понадобиться вдвое больше, что приведет к повышенным затратам на электроэнергию, и при этом суммарная экономия окажется призрачной.

При выборе светодиодного светильника, важно различать понятия эффективности используемых в нем светодиодов и эффективность самого светодиодного светильника и понимать последствия, к которым может привести пренебрежение данными параметрами.

Самым верным показателем уровня светодиодного светильника является наличие протокола независимого испытания. В протоколе должна быть указана уполномоченная на данные испытания и проводившая испытания светодиодного светильника организация / лаборатория, подписи и печати ответственных исполнителей и руководителя, перечень задействованного для испытаний светодиодного светильника оборудования с отметками об их поверке и наличие IES файла, сформированного при данных испытаниях.

Пример как должен выглядеть протокол испытаний светодиодного светильника представлен на рисунке:

Источник

КПД светильника

Поговорим о КПД светильника. Что это такое, как вычисляется и применимо ли это определение к светодиодным светильникам? Какой вклад вносят те или иные компоненты в конечную эффективность светильника. Ответы на эти вопросы в нашем ролике.

Согласно определению которое дано в ГОСТ (55392-2012). Коэффициент полезного действия — это величина, определяемая отношением светового потока ОП к суммарному световому потоку установленных в нем ИС.

Не секрет, что отражатели в светильнике возвращают не 100% падающего на них света, а рассеиватели пропускают не весь световой поток. При чем, все это усугубляется с течением времени. В результате лампы без светильника имеют значительно более высокий световой поток, чем у собранного прибора.
Итак, разделив световой поток собранного светильника на суммарный световой поток ламп мы получим КПД светильника.

Все вышесказанное имеет отношение только к светильникам с заменяемыми лампами, но теперь перейдем к светодиодным.
О них можно прочесть в примечании о КПД в том же ГОСТе
«Характеристику, имеется ввиду кпд, НЕ применяют для ОП, у которых оптическая система и ИС, представляют собой единое целое, например лампы-светильника, неразборного ОП со светодиодами.»
Нельзя отделять световой поток светодиодов от светового потока светильника с рассеивателем. В таком случае как же определить эффективность этого самого неразборного ОП со светодиодами.
Ответ прост — использовать величину светоотдачи.
Мы о ней уже говорили, но тем не менее, световая отдача ОП — это величина, определяемая отношением светового потока ОП к потребляемой им электрической мощности. А вот тут как раз нужное нам примечание:
«Характеристику применяют, как правило, для ОП у которых оптическая система и источник света представляет собой единое целое, например лампы светильника, неразборного ОП со светодиодами.»
Госты гостами, но все же интересно, какой вклад вносят те или иные компоненты в конечную эффективность.

Светодиодная плата питается через блок питания, он же драйвер. На его работу тратится порядка 10, 20% поступающей энергии.
Это означает, что светильник мощностью 100 Вт, отдает на светодиоды около 85 Вт, 15 Ватт теряются в самом драйвере.
Кстати, чем мощнее блок питания, тем эффективнее он работает.
Далее энергия идет к светодиодам. Именно выбор правильного режима работы светодиодов определяет их эффективность. Какой он должен быть, смотрите в предыдущих роликах.
(Если питать светодиод на 30% его максимальной мощности, то у него будет очень высокая светоотдача, но для высокого светового потока светодиодов потребуется больше.)
Наверно стоит рассказать про световой поток указанный на упаковке со светодиодами. Зачастую этот поток указывается производителем для температуры кристалла 25 градусов.
Измерение производится следующим образом: подается короткий импульс тока, и в этот момент фиксируется значение светового потока. Температура кристалла при этом не успевает вырасти.
Этот процесс вы видели в ролике о производстве светодиодов Оптоган.
При реальной эксплуатации, в процессе работы, температура кристалла может достигать 80 и более градусов. Хочу подчеркнуть, температура именно кристалла, а не корпуса светодиода. А с каждым десятком градусов, свыше 25, светоотдача падает на 2,5 — 3 %. Перейдем к рассеивателям и линзам.
В зависимости от типа они могут задерживать от 5 до 50% светового потока. Меньше всего задерживает стекло. Это значит что задерживаемая энергия выделится в виде тепла на самой оптике, тем самым нагревая ее.

Подведя итог попробуем собрать общую картину эффективности начиная от светодиода и заканчивая собранным светильником.
Для примера возьмем светодиоды с заявленной светоотдачей 160 лм/Вт.
При температуре кристалла в 70 градусов она упадает на 11,3% и составит 142 лм/Вт.
Подключив плату со светодиодами к источнику питания с КПД 87%, она снизится до 123,5 лм/Вт.
А поместив всю электронику в корпус и закрыв рассеивателем мы потеряем еще 10% светового потока. В итоге из 160 лм/Вт мы получим светоотдачу светильника около 111,2 лм/Вт.
Проследив всю цепочку снижения светоотдачи от значения на упаковке до реального устройства, попробуйте ответить на вопрос: насколько важна информация которая указанная на упаковке со светодиодами, если известна светоотдача готового устройства?
Она вообще не нужна, ни по ГОСТу ни по здравому смыслу.
Главное, чтобы это была именно светоотдача готового устройства на свой температурный режим работы, без всяких звездочек и оговорок.

Введите Ваш адрес электронной почты и нажмите кнопку «Подписаться», чтобы всегда быть в курсе новостей АО «ВИЛЕД»

Источник

КПД светодиода: эффективность светодиодной лампы и светильника

Led- лампочка – один из наиболее эффективных источников света на сегодня. Однако часть потрeбляемой им электроэнергии все равно уходит понапрасну – в виде тепла в окружающее прострaнcтво. 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 пpaктическим методом. Для этого придется изготовить элементарный колориметр. Вся суть эксперимента сводится к измерению разницы температуры водной среды, в которую был опущен лед-элемент – до его включения и после работы заданное время.

Далее зная какое количества тепла при этом выделилось и общее количество затраченной энергии, с помощью формул из школьной физики можно легко подсчитать точную эффективность данного светильника.

Суть опыта сводится к следующим действиям:

1. Необходимо взять сосуд с теплоизолированными стенками, для этого хорошо подходит колба или сам термос.
2. 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.
3. В термос заливается 0,25 литра чистой воды с низким содержанием солей.
4. Измеряется начальная температура с помощью термометра (значение обязательно записывается) – до эксперимента.
5. Далее лэд-элемент целиком погружается в воду и подключается при открытой крышке.
6. С подачей питания необходимо одновременно включить секундомер.
7. 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. Пpaктическая часть на этом завершается, начинается расчет КПД.

Обратите внимание! КПД светильника и КПД источника света – совершенно разные понятия. Показатель хаpaктеризует отношение исходящего из прибора света к общего световому потоку. Например, отдельный светодиод будет иметь эффективность в 100%, а при заключении ее в люстру – этот параметр снизиться. Кроме того, степень освещенности от различных светоисточников будет различной: от ламп накала – вдвое меньшим, тем от аналогичного по мощности лэд-кристалла, из-за изначальной направленности последнего.

Расчет эффективности

Изначально подсчитывается среднее энергопотрeбление. Для этого нужно умножить мощность на время. Например, в эксперименте использовалась светодиодная лампа мощностью ровно 50 Вт, то за 15 минут (что аналогично 900 сек.) затрачено 45000 Дж. Теперь произведем расчет КПД для светодиода, исходя из определения затрат в обоих экспериментах

Первый эксперимент: когда светодиод был заклеен, вода нагрелась с 22 до 57 градусов. Температурная разница составила 35 градусов. Зная удельную теплоемкость воды (4,2 тыс. Дж) и ее массу (250 мл – 0,25 кг), а также что потери на нагрев стекла колбы на каждый градус составили порядка 131 Дж, плюс на разогрев медного (теплоемкость 381 Дж) при массе 28 грамм светодиода, подставляем значения в формулу:

4200х0,25х35 (для воды 36750 Дж) + 131х35 (для колбы 4585 Дж) + 381х0,028х35 (для светодиода 373 Дж) = 41708 Дж.

Из соотношения получаем: 41708/45000 = 93%. Следовательно, порядка 7% – чистые тепловые потери от общего КПД данной светодиодной лампы.

Второй эксперимент: в аналогичном эксперименте с открытым светодиодом разница в нагреве воды составила 25 градусов подставляя ее значение в выше стоящую формулу, получаем = 26250 + 3275 + 266 = 29791 Дж.

Соотносим его с расчетной мощностью: 29791/45000 = 66%.

На чистую световую энергию ушло порядка 34% энергии, однако с учетом чисто тепловых потерь, равных 7%, КПД = всего 27%!

КПД фирменных светодиодов равен 24-28%. При этом это еще далеко не худший результат. Так у некачественных дешевых аналогов он может оказаться в 2-3 раза меньше.

Яркость и мощность

В работе светодиодов существует простое правило – чем выше мощность лед-кристалла, тем ярче световой поток. Однако хорошего в этой зависимости мало – чем больше значение этих показателей, тем меньше становится КПД. На графике для диода мощностью 50 Вт (взятом за 100%-ую эффективность), приведенном ниже, эта особенность хорошо прослеживается:

Подобное снижение показателя КПД с повышением мощности хаpaктерно 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:

1. С увеличением силы свечения повышается нагрев полупроводниковой матрицы. В ответ на это снижается количество и энергия образуемых при p-n-переходе частиц света – фотонов. Дело не спасает даже качественный металлический радиатор, так как лед-кристалл расположен на подложке из сапфира – плохого проводника тепла. Разница нагрева может достигать от 12 до 27 градусов. Это в конечном итоге приведет к деградации основы кристалла, первые признаки которого проявляются как моргания света.
2. Паразитное внутреннее сопротивление тем больше, чем выше сила тока – причем в квадратной прямой зависимости. Из-за этого существенная доля энергии просто превращается в тепло, теряя проценты КПД – и тем сильнее, чем мощнее светодиода.

Читайте также Как правильно соединить светодиодную ленту между собой

Как увеличить эффективность

Существует несколько пpaктических способов предотвратить снижение КПД и продлить срок службы светодиоду:

1. 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.
2. Аналогичным способом при наличии свободного места в корпусе светильника можно установить сразу 3 или 4 светодиода.
3. 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 хаpaктеристик 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:

1. В колбу наливается стакан чистой воды и измеряется его температура.
2. Затем в нее полностью погружается подготовленный светодиод и подключается к сети.
3. 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 хаpaктерна такая особенность, что с увеличением мощности, происходит падение КПД. Связанно это с особенностями полупроводниковой матрицы и увеличивающимся нагревом, приводящем к постепенной деградации последней. Повысить эффективность и долговечность можно, используя вместо одного диода сразу несколько через параллельное соединение или поставив на его место более мощный.

Если вы знаете другие эффективные способы, как повысить КПД и срок службы конкретного вида светодиода, обязательно напишите об этом в комментариях.

Источник