На что обычно смотрят при выборе светодиодного светильника в первую очередь? Вроде очевидно: на световой поток (сколько светильник выдает света) и мощность (сколько будет потреблять из сети). Соотношение этих двух величин определяет общую эффективность светильника — его светоотдачу, лм/Вт. Чем она больше, тем лучше.
Вот только многие производители делают так: смотрят в документацию на SMD светодиоды, видят — 200 лм/Вт. Логично, что и светоотдача светильника тоже будет такой, и указывают ее в документации и на сайте. Человек покупает, ориентируясь на эти цифры, получает светильник и видит совсем другую картину освещения после монтажа…
Давайте разберемся, почему так происходит и что с этим делать. Больше подобных материалов — в нашем ТГ-канале для проектировщиков.
От чего зависит светоотдача в светодиоде
Сначала вспомним немного о теории. Любой светодиод — это полупроводник в виде кристалла. Он состоит из трех основных слоев:
- P-зона, где за счет примесей достигается избыток так называемых «дырок».
- N-зона, в которой напротив, избыток электронов, также за счет легирующих примесей.
- P-N переход — зона контакта между этими областями, с определенной шириной запрещенной зоны. По сути это — барьер, который не позволяет «дыркам» и электронам взаимодействовать без внешнего электрического поля.
Но стоит подать на выводы кристалла напряжение, величина которого больше ширины запрещенной зоны, как «дырки» и электроны сталкиваются друг с другом в этом P-N переходе и рекомбинируют. При этом выделяется энергия в виде тепла и света — излучается фотон.
В зависимости от используемых материалов, типов примесей, методов производства и многого другого, получаются разные по своим свойствам структуры. Одни излучают красный свет, другие — зеленый, третьи — синий свет. Причем последние как раз самые распространенные сейчас из-за некоторых причин, о которых мы поговорим в другом материале.
Белое же свечение получается за счет использования люминофора: по сути светофильтра, который преобразует излучаемый синий свет в естественный дневной.
Под действием определенного рабочего напряжения выше минимального (значения, при котором процесс рекомбинации не начнется), через светодиод начинает протекать ток, и он излучает некоторый световой поток. Чем больше ток, тем больше излучается света, но и выше нагрев кристалла.
В какой-то момент увеличивать ток ещё больше становится неэффективно. Вместо светового потока растет только температура p-n перехода. В итоге эффективность падает, кристалл деградирует и быстрее выходит из строя. Но подробно об этом мы рассказывали в другой нашей статье.
Другими словами, у светодиода есть предельная величина светового потока при определенном токе потребления. И превышать ее не рекомендуется.
Производители светодиодов проводят лабораторные замеры: измеряют световой поток при разных токах потребления и температурах, и указывают все эти характеристики в документации. В том числе и общую эффективность — светоотдачу.
У более дешевых моделей эта величина меньше, у более дорогих — выше, за счет более совершенной гетероструктуры, люминофора, лучшего теплоотвода, большей площади излучения и еще множества других факторов. Но самое важное: все эти данные получены в лабораторных условиях, без учета массы дополнительных факторов, присутствующих в реальном светодиодном светильнике.
Чем светильник отличается от светодиода в лабораторных условиях
Светодиодный светильник обычно представляет собой сборку из одного или нескольких световых модулей: подложек с множеством размещенных на них SMD кристаллов. Каждый излучает световой поток. Нужно больше света? Устанавливаете больше модулей или с большим количеством кристаллов.
Для светодиодов нужен блок питания — драйвер, который преобразует сетевое напряжение 220 В в постоянное напряжение 12, 24 или другое, в зависимости от характеристик модуля. Чем больше модулей или кристаллов на модуле, тем выше ток потребления.
И проектировщик светильника должен очень точно подобрать драйвер, чтобы его характеристики идеально подходили под используемые светодиодные модули.
Например:
- Ставить избыточно мощный драйвер — неоправданно увеличивать себестоимость, не говоря о некорректной работе системы защиты.
- Использовать недостаточно мощный драйвер — получить избыточный нагрев и снижение срока службы всех компонентов светильника.
Другой момент — корпус. Светодиоды в процессе работы нагреваются до высоких температур в 70-80 градусов и даже выше. А эту энергию нужно рассеивать.
Поэтому для больших мощностей вопрос теплового расчета выходит на первый план. Например, драйвер выносится снаружи корпуса, а корпус оснащается ребрами охлаждения достаточной площади.
А ещё сверху светильника обязательно устанавливают рассеиватель. И он неизбежно «режет» световой поток за счёт паразитных отражения и рассеивания.
Как снижается светоотдача в реальном светильнике
Представим ситуацию: производитель светильников указал в документации светоотдачу 160 лм/Вт, ориентируясь на данные от производителя светодиодов. Что же получается дальше?
1. Нагрев светодиодов
При включении светильника через светодиоды протекает ток. Как мы уже разобрались, чем он больше, тем выше как световой поток, так и температура кристалла. Величина 160 лм/Вт нормируется при температуре 25 ˚С, а при достижении температуры 85 ˚С эффективность снижается на 10%, согласно научной статье в Nature.
Чем эффективнее отвод тепла и в целом лучше спроектирован светильник, тем меньше снижается светоотдача. Но те же 160 лм/Вт получить наверняка не получится.
2. Преобразование энергии драйвером
Как и любое устройство, драйвер не может преобразовать в полезную работу всю потребленную энергию. Чем он совершеннее, тем выше его КПД, но оно никогда не будет равным 100%.
Например, в драйверах Inventronics эффективность может достигать 94%. Но в зависимости от входного напряжения, гармонических искажений, коэффициента мощности и нагрузки (в виде светодиодных модулей), эта величина может снижаться.
Допустим, у нас идеальные условия, и КПД максимальные 94%. Но потери при преобразовании переменного тока в постоянный все равно составят 6%.
3. Световой рассеиватель
Прозрачный рассеиватель пропустит больше светового потока, а опаловый — меньше. На сколько именно, зависит от толщины материалов и других факторов.
Но основываясь на научной статье «Расчетная модель эффективности светопропускания рассеивателей, прикрепленных к осветительному прибору», можем принять величину в 8% для прозрачных рассеивателей, используемых по умолчанию в большинстве промышленных светильников.
Итоговая величина
Посмотрим, какие получились потери светоотдачи в нашем примере:
- На нагрев светодиодов — 10%, при температуре кристаллов 85 ˚С.
- На преобразование электрической энергии в драйвере — 6%.
- На прохождение света через прозрачный рассеиватель — 8%.
В итоге получаем потери в светоотдаче 24%, ещё в достаточно оптимистичном сценарии: с опаловым рассеивателем или при меньшем КПД значение было бы больше.
Вместо честно указанных производителем светодиодов 160 лм/Вт получится 121,6 лм/Вт. И если предположить, что мощность светильника — 100 Вт, то световой поток составит не 16 000 люмен, а 12 160 люмен.
Разумеется, есть и другие факторы, из-за которых будет снижаться световой поток — мы рассмотрели только основные. Но главное, что заявленных производителем светодиодов нужен цифр в реальном светильнике получить невозможно.
Как правильно подходить к вопросу светоотдачи
Чем грамотнее производитель подходит к проектированию светильников и чем более качественные компоненты использует, тем меньше получится потеря по светоотдачи. Например:
- Использует светодиодные модули с малым коэффициентом зависимости светового потока от температуры, и в целом с более высокой светоотдачей.
- Закладывает корпус из анодированного алюминия с большей площадью ребер охлаждения.
- Выбирает драйвер с более высоким КПД и с гальванической развязкой, снижающей влияние перепадов напряжения и гармоник.
Разумеется, это приводит и к увеличению себестоимости. Поэтому эффективный по светоотдаче и одновременно дешёвый светильник вы вряд ли сможете найти.
Но даже в этом случае стоит удостовериться в заявленных производителем характеристиках.
Один из вариантов — запросить протокол испытаний. Ответственные заводы-изготовители сдают свою продукцию в независимые аккредитованные лаборатории. Там проводятся реальные замеры при помощи поверенных средств измерений, и выдают истинные данные по светоотдаче.
Другой подход — купить один светильник на пробу и провести испытания самостоятельно, перед тем, как закладывать в проект. Это позволит убедиться, что завод-изготовитель не слукавил и привел корректные данные в документации.