Для початку спробуємо розібратися з питанням, від яких чинників залежить ефективність світлодіода як джерела світла і за яких умов можна отримати від нього максимум світловіддачі. Всі сучасні освітлювальні світлодіоди влаштовані однаково. Є напівпровідниковий кристал, який під дією електрики випромінює світлову енергію на межі діапазону видимого світла в області, близької до ультрафіолету (максимум випромінювання зазвичай знаходиться в діапазоні 450 ... 460 нм). І є люмінофор, який перетворює цю енергію у випромінювання широкого спектра, сприймається нами як білий світ. Величина формованого світлового потоку знаходиться в прямій залежності від потужності випромінювання кристала і властивостей люмінофора. Властивості люмінофора слабо залежать від умов роботи, тому можна вважати, що світловий потік світлодіода прямо пропорційний потужності випромінювання кристала.

Потужність випромінювання кристала залежить головним чином від двох факторів - робочого струму і температури переходу. Очевидно, що випромінювання збільшується при підвищенні струму і знижується при збільшенні температури. Обидві залежності близькі до лінійних. Але в даному випадку, раз ми ведемо мову про енергозбереження, нас цікавлять перш за все не абсолютні значення випромінюваної потужності, а їхнє ставлення до потужності споживання (можна називати це співвідношення по-різному - ККД, ефективність або світловіддача). Розглянемо для прикладу, як співвідноситься світловий потік світлодіода серії XP-L до його робочому струму при різних температурах переходу. Графік цієї залежності наведений на малюнку 1.

Мал. 1. Світлова віддача світлодіода XP-L в залежності від робочого струму і температури переходу

Графік наочно показує, наскільки різко знижується світлова віддача світлодіода при підвищенні робочого струму і температури. Цілком очевидно, що для отримання високих показників з енергозбереження необхідно експлуатувати світлодіод на невеликих токах і при низьких температурах переходу. На струмі 150 мА при температурі переходу 25 ° С ефективність світлодіода досягає майже 200 лм / Вт, а на максимальному струмі 3000 мА - падає в два рази, приблизно до 100 лм / Вт. На струмі нижче 150 мА ефективність буде ще вище, але даних на цей рахунок немає - компанія Cree не справляла вимірювання на менших токах.

«Чи не занадто це марнотратно - використовувати трехамперний світлодіод на струмі 150 мА?» - запитає читач. Це хороше запитання. А відповідь на нього такий - все залежить від того, яка мета переслідується. Якщо головне - це отримати надекономічний світильник, неважливо за які гроші, то таке рішення буде цілком виправдано. І такі додатки, де питання економії електроенергії встає на перше місце, де він життєво важливий, реально існують. За прикладами далеко ходити не треба, тут навіть не потрібно апелювати до високих державних інтересів, досить уявити прозаїчну життєву ситуацію. Запитайте, наприклад, у шахтаря, що для нього важливіше - щоб світильник був в два рази дешевше, або щоб він світив в два рази довше? Відповідь, як на мене, очевидний. При цьому не факт, що рішення для шахтарської лампочки на базі світлодіода XP-L буде дорожче існуючих варіантів. Ось типові характеристики широко поширеного головного шахтарського ліхтаря - світловий потік 30 лм від лампочки розжарювання на 3.6 В з робочим струмом 1 А, живлення від акумулятора на 10 А • год, час безперервної роботи - близько 10 годин, загальна вага - приблизно 2 кг. У той час як світлодіод XP-L на струмі 150 мА видає 83.4 лм при споживанні всього 0.42 Вт. Тобто, світловий потік в 2.8 разів більше при споживанні в 8.6 разів менше. При використанні з тим же акумулятором час роботи збільшиться до 67 годин. А щоб отримати ті ж робочі характеристики (світловий потік 30 лм і час роботи 10 годин), то треба буде знизити робочий струм до величини приблизно 0.05 А і застосувати акумулятор ємністю близько 0.5 А • год (результати отримані шляхом лінійної апроксимації). Очевидно, що таке рішення буде, як мінімум, легше за вагою і, швидше за все, дешевше. Тут слід звернути увагу ще на один момент. Як відомо, спільною проблемою при розробці освітлювального приладу на базі світлодіодів є проектування системи охолодження. Але в даному випадку цієї проблеми не існує. При такому малому значенні споживаної потужності (при струмі 0.05 А споживання складе всього близько 0.13 Вт) ніякого радіатора не буде потрібно. Стандартно для розсіювання потужності в 1 Вт потрібно поверхню охолодження в один квадратний дюйм. Тому теоретично для розсіювання потужності в 0.13 Вт потрібна поверхня охолодження площею менше одного квадратного сантиметра. Очевидно, що навіть друкована плата для світлодіода буде більшої площі (особливо, якщо врахувати, що світильник, швидше за все, буде забезпечений вторинної оптикою, а для її установки, в загальному випадку, необхідний майданчик діаметром не менше 30 мм). Немає сумнівів, що в даному випадку (а також всюди, де мова йде про переносні світильниках з автономним живленням) використання потужного світлодіода, такого як XP-L, в економічному режимі цілком виправдане.

Звичайно, наведений вище приклад досить тривіальний, але, тим не менше, дозволяє зробити деякі загальні висновки. По-перше, використання світлодіодів на знижених робочих токах дозволяє завдяки підвищенню світловіддачі застосувати джерело живлення меншої потужності (і, відповідно, меншою вартості). А по-друге, це дозволить застосувати радіатор меншої площі, а може - і взагалі відмовитися від нього. В даний час функції радіатора, як правило, виконує сам корпус світильника (в першу чергу, це відноситься до вуличних світильників), для чого в його конструкції передбачають ребра охолодження. Зазвичай корпус роблять суцільнолитим, що має на увазі підготовку форми, застосування ливарного устаткування і т.д. Все це робить корпус одним з найбільш складних і дорогих елементів конструкції.

Таким чином, використання світлодіодів в економічному режимі дозволяє спростити конструкцію корпусу і застосувати джерело живлення меншої потужності, що, безумовно, дозволить в якійсь мірі знизити собівартість вироби. Але з іншого боку, для отримання світлового потоку тієї ж величини доведеться збільшити кількість світлодіодів, що призведе до зростання вартості. Крім того, якщо мова йде про світильнику із вторинною оптикою - необхідно буде також збільшити кількість оптичних елементів пропорційно кількості світлодіодів.

Проведемо невелике дослідження. Для початку візьмемо якийсь умовний світильник, в якому світлодіоди працюють в граничному режимі. Потім будемо поступово збільшувати кількість світлодіодів, знижуючи їх робочий струм так, щоб сумарний світловий потік дорівнював початкового, і подивимося, як буде змінюватися загальна світловіддача світильника, його споживана потужність і параметри охолоджуючої системи. Візьмемо для визначеності світлодіод серії XP-L з біном по яскравості V5 (460 лм на струмі 1050 мА при температурі переходу 85 ° С). Також припустимо, що в світильнику використовуються оптичні модулі формату 2х2 виробництва компанії Ledil (застосовувати модулі набагато вигідніше, ніж окремі лінзи - відносна вартість оптичного елемента виходить набагато нижче). У зв'язку з цим, будемо збільшувати кількість світлодіодів відразу на чотири штуки (як би застосовуючи ще один кластер з модулем 2х2).

Отже, будемо вважати, що спочатку ми маємо світильник на чотирьох світлодіодах серії XP-L, що працюють на максимальному струмі 3000 мА при температурі переходу 85 ° С. У цьому режимі кожен світлодіод видасть 1033.6 лм при споживаної потужності 10.088 Вт. В цілому для світильника отримуємо світловий потік 4134.4 лм, споживану потужність 40.35 Вт. Отже, загальна світловіддача світильника буде дорівнює 103.5 лм / Вт (для простоти втрати в оптичній системі враховувати не будемо). Джерела харчування зазвичай вибирають із запасом по потужності, крім того, треба враховувати, що вони випускаються на фіксовані значення потужностей. В даному випадку поставимо запас по потужності 10%, тоді найближчий номінал буде 45 Вт. Тепер розрахуємо параметри охолоджуючої системи. Припустимо, що температура навколишнього середовища - 25 ° С. Значить, загальне теплове опір системи охолодження дорівнюватиме 60 / 40.35 = 1.487 ° С / Вт. Тепловий опір «перехід-корпус» для світлодіодів серії XP-L одно 2.5 ° С / Вт, отже, еквівалентну тепловий опір чотирьох світлодіодів дорівнюватиме 0.625 ° С / Вт. Таким чином, тепловий опір радіатора буде 1.487 - 0.625 = 0.862 ° С / Вт.

Тепер розглянемо систему з восьми світлодіодів. Щоб отримати той же світловий потік світильника, кожен з світлодіодів повинен давати 516.8 лм. Такий світловий потік виходить на струмі 1200 мА при температурі переходу 84 ° С. Температура переходу знижена на один градус для того, щоб підігнати значення світлового потоку до потрібної величиною (при 85 ° С він виходив трохи нижче заданого) на даному струмі. На точність розрахунків різниця в один градус впливу майже не зробить - це тільки незначно вплине на тепловий опір радіатора. До того ж, температура переходу і повинна знижуватися при зменшенні робочого струму. При цих значеннях загальна потужність споживання склала 28.7 Вт (в 1.4 рази менше в порівнянні з попереднім випадком), а світловіддача - 144,1 лм / Вт (в 1.4 рази вище). Загальна тепловий опір системи зросла до 2.056 ° С / Вт, а радіатора - до 1.744 ° С / Вт (тобто збільшилася в два рази, отже, і розміри радіатора зменшилися в тій же пропорції).

Аналогічно проведемо розрахунки для дванадцяти і шістнадцяти світлодіодів. Для дванадцяти світлодіодів виходять такі характеристики: світловий потік одного світлодіода - 344.5 на струмі 750 мА при температурі переходу 82 ° С (довелося вибрати нестандартне значення струму драйвера, щоб не занадто сильно знижувати температуру переходу), загальне споживання - 25.878 Вт, світловіддача - 159.7 лм / Вт, тепловий опір радіатора - 1.994 ° С / Вт. Для шістнадцяти світлодіодів результати вийшли такі: світловий потік одного світлодіода - 258.4 лм на струмі 550 мА (довелося знову вибрати нестандартне значення) при температурі переходу 82 ° С, загальне споживання - 24.784 Вт, світловіддача - 167.35 лм / Вт, тепловий опір радіатора - 2.144 ° С / Вт.

Результати досліджень зведені в таблицю 1.

Таблиця 1. Характеристики світильника при різній кількості використовуваних світлодіодів

кількість
світлодіодів Робочий струм, мА Температура
переходу, ° С Потужність
споживання, Вт Світлова віддача, лм / Вт Тепловий опір радіатора, ° С / Вт 4 3000 85 40.35 103.5 0.862 8 1200 84 28.7 144.1 1.744 12 750 82 25.88 159.7 1.994 16 550 82 24.78 167.4 2.144

Проведене дослідження показало цілком очікувані результати, але в той же час дало інформацію до роздумів. Добре помітно, що значне поліпшення характеристик вийшло при переході від чотирьох світлодіодів до восьми (світловіддача зросла на 40%, на стільки ж знизилося споживання, а тепловий опір радіатора зросла відразу в два рази). Подальше збільшення кількості світлодіодів вже не призводить до настільки істотного поліпшення характеристик (наприклад, при збільшенні кількості з восьми до шістнадцяти, споживання знизилося всього на 16%, і приблизно на таку ж величину зросла світловіддача). На жаль, дані результати неможливо точно оцінити з точки зору вартості рішення. Ціни на світлодіоди, оптику і джерела живлення ще якось можна порівняти між собою, але що стосується радіатора (який, по суті, є корпусом), то тут оцінку може призвести тільки сам виробник світильника. Виходячи із загальних міркувань можна припустити, що найбільш оптимальним буде варіант з вісьмома світлодіодами. За ідеєю, зміна вартості в порівнянні з варіантом на чотири світлодіода буде відносно невеликим. Можна зробити дуже грубу примірку. У першому випадку (на чотири світлодіода) потрібно джерело живлення на 45 Вт. Хороший джерело на таку потужність з високим ступенем захисту може коштувати близько 35 $. А в другому випадку (на вісім світлодіодів) досить джерела на 30 Вт, вартість якого може складати приблизно 20 $. У той же час, у другому варіанті додаються чотири світлодіода і один оптичний модуль. Вартість світлодіода такого класу, як XP-L, може бути в районі 4 ... 4.5 $. Що стосується модуля, то його вартість відносно невелика і може перебувати в межах 1.5 ... 2 $. Разом, в результаті отримуємо збільшення вартості рішення всього на 5 $. Але тут ще не враховано можливе зниження вартості за рахунок зменшення обсягу радіатора в два рази. В цілому, може виявитися, що вартість другого варіанта буде навіть нижче.

Отримані результати можуть викликати у когось здивування, але, насправді, нічого дивного тут немає. Просто треба пам'ятати про те, що світлодіод, як медаль, має дві сторони. З одного боку, це прилад з високою світловіддачею (на малих токах), з іншого - потужне джерело світла. Але, підвищуючи потужність випромінювання (збільшуючи робочий струм), ми одночасно знижуємо його ефективність (і навпаки). І питання полягає лише в тому, щоб знайти золоту середину - підібрати такий режим роботи, при якому обидва параметри (ефективність і світловий потік) мають прийнятне значення. На малюнку 2 показаний графік залежності величин світлового потоку і світловіддачі від робочого струму для світлодіода XP-L.

Мал. 2. Світлова віддача і світловий потік світлодіода XP-L в залежності від робочого струму

Даний матеріал, звичайно ж, не претендує на повноцінне дослідження. Але такої мети і не ставилося. Метою було нагадати читачеві (будь він виробником або споживачем освітлювальних приладів), заради чого була затіяна цей перехід на світлодіодне освітлення. Схоже, багато хто забув про те, що головною, першочерговим завданням було (і залишається) скорочення споживання електроенергії в області освітлення. І не важливо, чи йде мова про вуличний світильнику або про шахтарської лампочки - у всіх випадках необхідно, в першу чергу, подбати про зниження витрати електроенергії. У даній статті на простих прикладах було показано, як домогтися зниження енергоспоживання освітлювального приладу без погіршення його вартісних характеристик.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .