Светодиод — источник света нового поколения. КПД, срок службы и эффективность светодиодов — как измерить и повысить

• Recovery Mode

После написания у меня самого остался не до конца решенным вопрос - а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна.

Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из , не проверяя, т.к. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.

Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т.к. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.

Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.

Это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К).
И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.

Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.

В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:

Слева направо: холодно-белый, нейтрально белый и тепло-белый.

Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности излучения ), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно - с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) - видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет - там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:

Теперь разберемся с красными.

С ними все немного проще, т.к. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные - 2/3 работы можно было не делать!

И тут мы сразу делаем удивительное открытие - что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых - выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».

Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.

Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте - с драйверами.

Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.

Цветовая маркировка как в предыдущей таблице - чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.

Но это только цена на старте - сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало - нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени - вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!

Оставлено для истории, обновленные данные ниже

Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл , являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками.
И по ходу дела исправил два момента - добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность.

Как разобраться в этой вязанке прутьев?

Слева - цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т.е. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0.7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т.е. более 10 лет практически без деградации.

Чем более горизонтально идет линия - тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red - она имеет наименьший наклон.

Самое удивительное что самыми дешевыми теперь оказались… Самые дорогие photo red светодиоды! Это потому что они имеют самый высокий КПД и самый «легкоусваиваемый» спектр - их нужно меньше всего в начале и они тратят меньше всего электричества и в будущем! Большой интерес представляют комбинации «Холодно-белый+красный photo red». На данном графике приведена кривая при соотношении белый: красный как 2:1 по мощности. И просто «холодно-белый». Эти три линии расходятся веером, где крайние - белый и красный светодиоды, а средняя - их комбинация. Для выращивание растений необходимы все составляющие спектра, но в разных комбинациях. Выходит что все варианты сочетаний спектров наиболее эффективно покрываются всего одной комбинацией - холодно-белых и красных светодиодов (но в разном численном соотношении).
Стоит отметить, что комбинация синий+красный хоть и имеет меньший наклон чем белый+красный, но дает существенно худший показатель цена/световой поток, поэтому не догоняет сочетание белый+красный даже за 3 года. В 10-летней перспективе может быть предпочтительнее, но это исключительный случай.
Фитолампа оказывается не такая уж и дешевая. Если учесть её КПД она дороже даже холодно-белых светодиодов, а уж в перспективе… Деньги за электричество на ветер…
ДНаТ и в начале не очень дешев (я удивился сколько стоят ЭПРА для них, а Эм ПРА брать не стоит - они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания - тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют - особенно с учетом замены ламп - которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.

Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):

Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое - по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.

Вывод остается прежним - покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день - тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!

На фото светодиодный светильник 20 Ватт. Он заменил две лампы накаливания в 75 Ватт и светит немного ярче, чем они.

Но прежде чем поговорим о светодиодных лампах, давайте развеем несколько мифов, которые уже довольно прочно завоевали своё место в сознании пользователей. Заодно рассмотрим вопросы, что такое лампы светодиодные, как выбрать (рекомендуем рассмотреть каталог Светодиодные люстры Mantra) , чем они лучше, чем хуже и почему именно они сегодня имеют такую мощную рекламную поддержку.

А у Вас свет в доме, какой температуры: теплый или холодный?

На самом деле, вопрос не праздный, поскольку именно спектр делает свет своим, приятным для глаз (тёплым), или напротив ярким (режущим), то есть холодным. Разные используют разные принципы преобразования электроэнергии в свет, поэтому и спектр у них разный. Отсюда и возник первый миф – свет светодиодных ламп наиболее естественный. На самом деле, это не совсем так, светодиодные лампы для дома могут иметь любое спектральное свечение, и в этом случае преимущество этих светильников становится недостатком. Не каждый потребитель полезет в технические характеристики, чтобы разобраться, что к чему.

Второй миф родился из маркировки, и состоит в том, что мощность светодиодных ламп ниже всех остальных.

Третий миф самый сложный, над его созданием работали долго, вбивая нам в головы идею, что светодиодное освещение в квартире самое энергосберегающее.

Есть ещё один слух, что светодиодные лампы для дома лучше не использовать, поскольку они не выдерживают плавной регулировки или скачков напряжения, а также быстро выходят из строя при частых включениях.

Давайте начнём с самого начала, потому, что понимание, что такое светодиод, поможет нам принять своё решение, не основанное на слухах, мифах и происках продавцов ламп накаливания.

Откуда и какой свет светодиодных ламп мы видим?

Ответ сразу – такой, который Вы выбрали, как с точки зрения температуры света (спектральных характеристик), так и с точки зрения затрат мощности на удельную освещаемую площадь. Или, проще говоря, лампа накаливания в сто ватт будет светить всё время в свои сто ватт так, как умеет, тогда, как светодиод будет не только светить туда, куда надо, но и тем светом, который Вам приятен. А светится, будет или элемент (точечный), или поверхность, в зависимости от того, какую светодиодную лампу выбрали для этой зоны помещения.

Наиболее спорным моментом является вопрос энергосбережения. Этот миф родился как аргумент в споре конкурирующих производителей, и если считать честно, то энергосберегающие лампы действительно потребляют энергии на освещение немного меньше, чем лампы светодиодные. Спросите, как тут выбрать? Если верить производителям, то никак. Это паритет. Равновесие хлипкого мира, находящегося в состоянии войны. Правда, светодиоды здесь скорее пострадавшая сторона, поскольку появились на рынке после того, как крупные корпорации вложили много денег в энергосбережение, решив, что светодиоды слишком дорогая игрушка.

А потом, произошло одно событие, которое имеет прямое отношение к подзаголовку. Выяснилось, что спектральные характеристики светодиодов немного лучше, чем даже дневной свет. Оказалось, что свет светодиодных ламп не имеет мерцания, которое есть даже у ламп накаливания. В лампе накаливания это частота сети (обычно 50 Герц), а у лампы дневного света (энергосберегающая) кратная тройной фазе, то есть примерно 3 герца. Наверное, все видели «моргающие» лампы дневного света? Это то самое. Лампа светится только тогда, когда есть ток, пока нет тока, она не светит. Просто в лампах дневного света это заметнее.

Светодиодная лампа не имеет этого недостатка, она не чувствительна ни к силе тока, ни к перепаду напряжения, ни к частоте. Есть напряжение – она светит, нет – не светит.

Если много работаете за столом, с документами или мелкой работой – купите настольную лампу на светодиодах и забудьте про утомление глаз. Проблемы зрения при такой работе – то самое мерцание, которого мы не замечаем.

В чём различие физики света светодиодных ламп от всех остальных?

В принципе преобразования энергии. Именно это решает несколько проблем освещения:

1. Минимальный расход электричества на освещение.
2. Наиболее правильный спектр освещения помещения (зоны в помещении).
3. Точечное освещение выбранного участка (например, картины).
4. Долговечность и уменьшение нагрева светящегося элемента.
5. Возможность управления спектральными характеристиками освещения.
6. Минимальная стоимость приборов освещения.

Все эти проблемы решили именно лампы светодиодные. Осталось решить, как выбрать подходящие и дело в шляпе. Правда, последний пункт светодиодные лампы никак не решают, являясь и сейчас наиболее дорогими. Всё дело в том самом преобразовании. Светодиод напрямую, без посредников, преобразует электрическую энергию в свет. Это довольно новая технология, поэтому и пункт 6 пока для многих становится ограничением в выборе.

Простые цифры в полезном преобразовании электричества в свет

• Лампа накаливания. КПД 12% потери 75% (нагрев спирали);
• Модернизированные лампы накаливания. КПД 15% потери 68% (сопротивление нити накаливания);
• Лампы индуцированного свечения (люминесцентные, ртутные и пр.). КПД 22% потери 45% (реактивные, пусковые токи);
• Светодиодные лампы . КПД 58% потери 18% (коммутация);
• Лампы замкнутого цикла. КПД 84% потери 6% (замкнутый цикл до окончания заряда аккумулятора).

Если складывать эти цифры, то 100% Вы не получите. Это фактор экспериментальный. Но значение КПД это именно то, сколько электричества становится светом. Лампы замкнутого цикла – это светильники уличного типа с солнечными батареями и аккумуляторами. Они не требуют затрат на энергию, и при желании при их свете можно даже прочитать газету. Всё остальное видно по цифрам выше.

Ещё немного физики. Пъезоэлектрики (помните «вечные зажигалки для газовых плит»?) При выработке «искры» при нажатии не тратят «материю». Они действительно могут «вечно» выдавать искру разряда при нажатии на клавишу. И никаких батареек не надо. Примерно так же работает светодиод. На контакты подаётся напряжение, материал испускает фотон света. Лампа начинает светить. Как долго такие лампы могут светить, мы не знаем, поскольку они не так давно начали работать, а какова энергетическая насыщенность возбуждённых материалов «светом», пока не знает никто. Очевидно одно, светодиодное освещение в квартире проработает очень много лет. Проще говоря, в рамках отдельной квартиры это своего рода «Вечный световой осветитель». По крайней мере, в теории. Давайте теперь спустимся с небес на землю, и посмотрим, что происходит на практике.

Практические рекомендации по выбору освещения с комментариями и советами

Прежде чем приступить к вопросу, как выбрать лампы светодиодные, немного о технических характеристиках. Начнём с главного: с того, что светит.

Свечение светодиодной лампы – это непрерывное (без мерцания) преобразование электрической энергии в свет. Иначе говоря, 1 кВтч энергии будет преобразован в свет с КПД не менее 60%. Это, кстати, ответ на вопрос, я хочу светодиодные лампы, как рассчитать мощность, в сравнении с лампами накаливания? Всё просто. КПД светодиода не менее 60%, КПД лампы накаливания не более 12%. Отсюда соотношение – светодиодная лампа в 30 Ватт светит так же ярко, как лампа накаливания в 150 Ватт. И никакого подвоха, ведь при таком сравнении светодиодная лампа всё равно затратит почти в два раза меньше электроэнергии. Точнее, Вы заплатите за одно и тоже освещение в два раза меньше.

При выборе светодиодной лампы обращаем внимание на следующие факторы:

• Выбираем светодиодные лампы сначала по мощности, учитывая понижающий коэффициент – лампа накаливания в 100 Ватт, это светодиодная лампа 12 Ватт. Уверяем Вас, светимость у них будет одинакова. Правда свет светодиодной лампы будет теплее, приятнее глазам.
• Вторым моментом выбора является спектр. Мало кто задумается, прочитав на упаковке «цифру» Кельвинов, что это значит. Дело в том, что остальные лампы просто не могут иметь именно этой характеристики – той самой «температуры света». Тем не менее, стоит помнить, что чем выше цифра, тем более яркий и тёплый свет светодиодных ламп будет в Вашем доме.
• Возможность плавной регулировки (управление диммером) также указана на упаковке, как пометка «допускается плавное регулирование яркости». Если решили потратить деньги на экономию, стоит иметь в виду, что светодиоды можно «притушить», если не нужен полный свет.
• Соответствие стандартам. Согласитесь, дорогая лампа, которую некуда вставить это тот самый случай – деньги на ветер. Сейчас производятся лампы со всеми типами цоколя, и практически любой формой светящегося элемента:

Основные параметры выбора

Что же мы имеем в качестве основных параметров? Это не такой простой вопрос, как кажется.

1. Производитель? Гарантии и срок службы? Применимость в сетях с нестабильным напряжением?
2. Возможность включения в сложных условиях (в том числе для наружного использования) и при перегрузках?
3. Примерный объём экономии, если использовать в освещении только светодиодные лампы?
4. Сравнительная стоимость приборов освещения, если всё заменить светодиодными лампами.

1-й вопрос. Очень сложно понять, кто производитель, есть ли гарантия на изделие, и сколько оно прослужит. По характеристикам иногда сложно понять эта лампа для 220В, или для 127В? Часто у лампы спектр указан как точка на шкале, в которой никто кроме учёного оптика разобраться не сможет. Допустимые колебания напряжения вообще не пишут, разве что в паспорте лампы, как странного вида синусоиды.

2-й вопрос. Любые светодиодные лампы можно включать и выключать в условиях любых перегрузок. Это первый тип ламп, который продолжает светить после короткого замыкания в сети. Также, это первый тип ламп, светящийся элемент которых не может выйти из строя из-за сетевых перегрузок. Строго говоря, светодиодная лампа вообще может выйти из строя только при физическом разрушении. По крайней мере, пока нет данных о прекращении свечения по другим причинам. А эти лампы исследуют уже 12-ть лет. Интересны выводы о том, что мощность светодиодных ламп позволяет им являться своего рода предохранителями от нагрузок сети. Слышали слова «Диодный мостик»? Так вот светодиодная лампа, своего рода триггер, способный сбросить избыток нагрузки в виде вспышки. Вы её можете не увидеть, но Ваша электросеть будет благодарна за такую разрядку.

3-й вопрос. Лампа накаливания в 100 ватт при непрерывной работе в течение года использует 100% полученного электричества. Счётчик это электричество подсчитает и преобразует в квитанцию оплаты от энергетиков. Если заменить лампу накаливания светодиодной лампой, работавшей так же долго, то мы тоже получим счёт на оплату от энергетиков. Правда, этот счёт будет отличаться от первого. Если за лампу накаливания мы заплатили 100 рублей, то за светодиодную лампу заплатим 18,5 рублей. Конечно, Вы можете в это не поверить, поэтому возьмите калькулятор и посчитайте. А ещё лучше – устройте светодиодное освещение в квартире, а через месяц сравните счета от энергетиков.

4-й вопрос. Разница в цене составит для ламп накаливания примерно 8 раз. То есть за такое же освещение светодиодными лампами, Вы заплатите примерно в 7-8 раз больше, чем за лампы накаливания.

Реальная экономия

Сейчас стало очевидно, что в условиях резкого роста стоимости энергии окупаемость всех приборов, работающих на энергосбережение, значительно сократилась по срокам. Кроме того, стоит помнить, что все эти приборы, как правило, продукт высоких технологий, способный работать много лет подряд. Поэтому, выбирая лампы, не думайте, будет она светодиодная, или нет. Посмотрите на производителя, качество шрифта на упаковке, название компании, совместимость с электросетями. После чего вспомните, что лампочка накаливания в 100 ватт (при цене в 10 рублей) будет стоить Вам, 4 умножить на кВтч (в сутках 24 часа), то есть 4 (24 0,1) не менее 10 рублей в день, если забудете её выключить. А светодиодная лампа для дома сравнимой мощности, стоимостью в 200 рублей, при такой же забывчивости обойдётся всего в 1 рубль 15 копеек.

Не будем навязывать своего мнения, но в нашем коллективе мало кто не заменил обычные лампы на светодиодные. Не на энергосберегающие лампы, а на лампы, сберегающие деньги!

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?

Чтобы ответить на все эти вопросы, достаточно провести несколько наглядных экспериментов, причем без использования каких-то сложных лабораторных приборов.
Светодиод – это один из самых эффективных и простых в использовании источников света. Однако при этом, большую часть потребляемой энергии он все равно расходует впустую, преобразуя ее не в свет, а в тепло.

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 светодиода

Давайте 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.

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

1 of 4

После всех измерений и экспериментов, можно переходить к расчетам.

Расчет эффективности

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.

Яркость и мощность

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.

Получится еще интересней, если посчитать относительную эффективность светодиода, за 100% взяв значение мощности в 50Вт.

Видите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Такое ухудшение с повышением мощности, присуще всем светодиодам. И причин этому несколько.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

Одна из них, конечно же нагрев. С повышением температуры, снижается вероятность образования фотонов в p-n переходе.

К тому же уменьшается и энергия этих фотонов. Даже при хорошем охлаждении корпуса, температура p-n перехода может быть на десятки градусов выше, так как он отделен от металла подложкой из сапфира.

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.

Пока ток небольшой, оно не заметно. Но из-за квадратичной зависимости, с увеличением тока все большая часть энергии превращается в бесполезное тепло.

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.

Более того, используя не больше трети мощности от максимальной, вы навсегда забудете, что такое замена сгоревших светодиодов.

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.

С появлением на рынке энергосберегающих источников света люди стали задумываться, какие лучше и стоит ли осуществлять замену старых лампочек Ильича. Далее мы постараемся наиболее подробно осуществить сравнение ламп накаливания и светодиодных, предоставив таблицы, немного теории и видео обзоров! Для этого по порядку будут рассмотрены различные критерии, начиная от характеристик производительности и заканчивая показателями экономии.

Немного истории

Чтобы Вы поняли разницу появления обеих вариантов, а соответственно и разницу в том, какой был научно-технический прогресс, представим следующие факты сравнения ламп накаливания и светодиодных по дате изобретения:

• Первый источник света (с вольфрамовой нитью) был запатентован в 1890-х годах российским инженером Александром Николаевичем Лодыгиным. В то же время первой попыткой можно считать изобретение 11 июля 1874 года – нитевая лампа.
• Что касается светодиода, первый, свечение которого было видимым, изобрели в 1962 году. Человек, который придумал LED освещение – Ник Холоньяк, американский ученый.

Как Вы видите, даже если сравнить дату изобретения альтернативных вариантов, можно увидеть огромнейшую разницу практически в столетие. Тем не менее, старейшая лампочка до сих пор «бьется за место под Солнцем», что является ее огромным плюсом.

Мощность и светоотдача

При первым делом производятся расчетные работы. Одним из важнейших показателей расчета является светоотдача устройств. У более устаревшей лампочки светоотдача колеблется в пределах 8-10 Лм/Вт. Что касается светодиодов, их эффективность светоотдачи обычно находиться в пределах 90-110 Лм/ Вт, хотя бывают и модели с показателем 120-140 Лм/Вт. Из выше предоставленных значений видно, что по люменам светодиоды лучше, чем альтернативный вариант в 7-12 раз.

Чтобы Вы поняли, как это повлияет на сравнение ламп накаливания и светодиодных источников света по мощности, предоставим соответствующую таблицу:

Видно, что мощность диодов меньше в 5 раз и при этом эффективность свечения и яркость будут примерно одинаковыми.

	Необходимая мощность (Вт)
Размер помещения (м.кв.)	Накаливания	Светодиодная
<6	150	18
10	250	28
12	300	33
16	400	42
20	500	56
25	600	68
30	700	80

Чтобы самостоятельно рассчитать светоотдачу лампочки, нужно ее световой поток (указывается на упаковке в «Лм» разделить на мощность «Вт»), в результате Вы получите нужную величину. К примеру, если световой поток светодиода составляет 1000 люменов, а мощность 13 Вт, отдача будет 76,9 Лм/Вт.

Видео обзор значительно разницы в световом потоке

Отличие по показателям освещенности

Теплоотдача

Второй, не менее важный пункт сравнения светодиодных ламп и накаливания – отдача тепла от изделия. Стеклянная колба лампы накаливания может нагревать до 250 градусов (хотя обычно температура в пределах 170). Именно поэтому такие изделия являются пожароопасными, и не рекомендуется их использовать при монтаже электропроводки в деревянном доме. К тому же, лампочки Ильича трудно выкрутить из патрона, если они долго работали перед этим (можно обжечься). Светодиоды в этом плане зарекомендовали себя лучше всех существующих вариантов. Максимальная температура их нагрева не превышает 50 градусов, что позволяет применять их в любом помещении.

Срок службы

А вот этот показатель является одним из главных преимуществ диодов в сравнении с лампами накаливания. Данные источники освещения могут проработать свыше 50000 часов, как утверждают производители. У устаревших лампочек срок службы обычно не превышает 1000 часов, что в 50 раз меньше. Из соображений экономии лучше один раз купить дорогую, но долголетнюю лампочку, чем каждые несколько месяцев менять бюджетное изделие.

Тут тоже есть свой нюанс, о котором Вы должны знать. Высокие показатели долговечности светодиодов не являются точным значением. Дело в том, что диоды со временем тускнеют (деградируют), поэтому через 40000 часов Вы уже не сможете наслаждаться тем свечением, которое было сразу же после покупки. Подробнее о вы можете узнать из нашей статьи.

КПД

Коэффициент полезного действия также следует учитывать при выборе изделий. КПД показывает, сколько электроэнергии преобразовывается в свет, а сколько в тепловую энергию (собственно из-за чего и происходит нагрев колбы). У КПД составляет около 90%, что является очень высоким показателем, по сравнению с альтернативным вариантом, у которого в свет переходит только 7-9% электричества.

Экологичность

К сожалению, многие не уделяют должного внимания сохранению экологии окружающей среды. Люди выбрасывают люминесцентные лампы в мусорные баки, несмотря на то, что при разрушении колбы испаряется ртуть, которая вредит как природе, так и здоровью окружающих людей.

В этом плане сравнение ламп накаливания и светодиодных не выдвигает какой-либо вариант в лидеры. Как диоды, так и стеклянная колба могут быть выброшены просто в мусор, без специальной утилизации.

Бытует мнение, что лампочка Ильича создает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, негативно влияя на здоровье человека. В этом плане LED-лампочки полностью безопасны.

Стоимость

Ну и, конечно же, наиболее интересный вопрос, который часто спрашивают пользователи, насколько выгодно покупать светодиоды, ведь они на порядок дороже. На сегодняшний день на форумах в интернете можно прочитать множество отзывов, которые опровергают либо оправдывают экономию светодиодных ламп. Самая низкая цена качественной диодной лампочки составляет 300 рублей, в то же время у альтернативы стоимость 20-25 рублей. Тут Вы уже должны самостоятельно анализировать, что Вам важнее – долгий срок службы и высокие показатели эффективности, либо дешевизна и лишняя переплата. На основании этого можно сделать сравнение по экономии средств. Мощность у диодов в 7-8 раз меньше, цена в 10 раз больше. Учтите срок службы и даже без особых расчетов можно понять, что выгоднее покупать светодиодные лампы. Наглядно увидеть сравнение экономичности светодиодных ламп и накаливания Вы можете на таблице ниже:

Остальные показатели

Также хотелось бы на основании таблиц сравнить лампы накаливания и светодиодные по таким признакам, как:

• сила тока;
• хрупкость;

После написания предыдущей статьи у меня самого остался не до конца решенным вопрос - а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна.

Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из статьи iva2000 , не проверяя, т.к. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.

Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т.к. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.

Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.

Это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К).
И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.

Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.

В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:

Слева направо: холодно-белый, нейтрально белый и тепло-белый.

Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности излучения ), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно - с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) - видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет - там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:

Теперь разберемся с красными.

С ними все немного проще, т.к. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные - 2/3 работы можно было не делать!

И тут мы сразу делаем удивительное открытие - что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых - выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».

Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.

Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте - с драйверами.

Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.

Цветовая маркировка как в предыдущей таблице - чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.

Но это только цена на старте - сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало - нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени - вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!

Оставлено для истории, обновленные данные ниже

Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл , являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками.
И по ходу дела исправил два момента - добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность.

Как разобраться в этой вязанке прутьев?

Слева - цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т.е. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0.7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т.е. более 10 лет практически без деградации.

Чем более горизонтально идет линия - тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red - она имеет наименьший наклон.

Самое удивительное что самыми дешевыми теперь оказались… Самые дорогие photo red светодиоды! Это потому что они имеют самый высокий КПД и самый «легкоусваиваемый» спектр - их нужно меньше всего в начале и они тратят меньше всего электричества и в будущем! Большой интерес представляют комбинации «Холодно-белый+красный photo red». На данном графике приведена кривая при соотношении белый: красный как 2:1 по мощности. И просто «холодно-белый». Эти три линии расходятся веером, где крайние - белый и красный светодиоды, а средняя - их комбинация. Для выращивание растений необходимы все составляющие спектра, но в разных комбинациях. Выходит что все варианты сочетаний спектров наиболее эффективно покрываются всего одной комбинацией - холодно-белых и красных светодиодов (но в разном численном соотношении).
Стоит отметить, что комбинация синий+красный хоть и имеет меньший наклон чем белый+красный, но дает существенно худший показатель цена/световой поток, поэтому не догоняет сочетание белый+красный даже за 3 года. В 10-летней перспективе может быть предпочтительнее, но это исключительный случай.
Фитолампа оказывается не такая уж и дешевая. Если учесть её КПД она дороже даже холодно-белых светодиодов, а уж в перспективе… Деньги за электричество на ветер…
ДНаТ и в начале не очень дешев (я удивился сколько стоят ЭПРА для них, а Эм ПРА брать не стоит - они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания - тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют - особенно с учетом замены ламп - которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.

Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):

Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое - по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.

Вывод остается прежним - покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день - тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!