КПД, служебный срок и результативность светоизлучающих диодов — как померять и увеличить.
Насколько в действительности продуктивны светоизлучающие диоды и как увеличить их служебный срок?
Как померять дома их КПД и увеличить результативность, и еще сделать больше долговечность LED светильников?
Сопоставлять светоизлучающие диоды с обыкновенной лампочкой разумеется не надо, здесь они убежали далеко вперед. Но как вы думаете, насколько высок у них настоящий КПД?
Давайте это проверим в живую, не по надписям на упаковках и данным таблиц в сети интернет, а колориметрическим методом дома.
Если опустить светоизлучающий диод в воду и измерить температурную разницу до его включения и после какого после, то можно узнать, сколько энергии от него перейдет собственно в тепло.
Зная общее кол-во затраченной энергии и энергии ушедшей в тепло, можно по настоящему выяснить сколько пользы от данного светового источника перешло собственно в свет.
Емкость в которой будут выполняться измерения, должна быть изолирована от температурных колебаний внутри и снаружи. Для этого подойдёт обыкновенная колба от термоса.
При конкретной доработке, у вас выйдет вполне годный рукодельный колориметр.
Чтобы изолировать и не допустить утечки тока, все провода и выводы на светодиоде нужно покрыть толстым слоем электроизоляционного лака.
Перед экспериментом заливаете во вовнутрь колбы 250мл дистиллированной воды.
Дальше фиксируете начальную температуру жидкости.
Опускаете светоизлучающий диод 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 снова замеряете водную температуру.
При этом не забывайте хорошенько ее перемешать.
Теперь необходимо повторить эксперимент, но на этот раз, плотно заклейте матрицу каким-нибудь непрозрачным материалом. Это нужно, дабы энергия не имела возможности покинуть систему в виде света.
Навык с заклеенным экземпляром повторяется снова в той же очередности:
-
250мл дистиллированной воды
-
замер начальной температуры
-
10 минут ”свечения”
-
замер конечной температуры
После всех измерений и экспериментов, переходите к расчетам.
Допустим, для этой модели усредненное употребление светового источника равняется 47,8Вт. Рабочее время – 10минут.
Если подставить эти сведения в формулу, то получаем, что за время в 600 секунд, на свечение светоизлучающего диода было потрачено 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 необходимо добавить энергию на нагрев самого светоизлучающего диода. Он весит 27 грамм и по большей части состоит из меди. В конце концов выходит цифра в 27377 Дж.
Отношение выделившейся энергии и затраченной будет равняться 96,7%. Другими словами, не хватает более 3%. Это как раз таки и есть потери тепла.
В случае с открытым светоизлучающим диодом, вода нагрелась с 28 до 45 градусов. Все другие переменные не изменились. Расчет тут будет смотреться так:
Какой все таки итог можно создать из этих всех опытов и вычислений?
Как видно из данного маленького эксперимента, конкретно в виде света, систему покинуло около 28% энергии. А если предусмотреть 3% потерь тепла, то и совсем остается всего 25%.
Как можно заметить, до замечательных осветительных источников, как их представляют многие продавцы, светоизлучающим диодам еще достаточно далеко.
Хуже того, на рынке очень часто можно встретить модели, очень плохого качества с еще меньшим КПД.
Давайте теперь сравним яркость разнообразных моделей и посмотрим от чего она подчиняется и можем ли мы как то на это влиять. Чтобы провести достоверное сопоставление, воспользуйтесь простым куском трубы и люксометром.
Допустим, испытанный раньше качественный образец, обеспечивает освещенность 1100 люкс. И это при используемой мощности в 50 Вт.
А если взять весьма недорогую модель? Данные могут выйдет вдвое ниже – менее 5500 Лк.
И это при одинаковой мощности! Выходит, что заплатите вы за свет так же как и в первом варианте, а получите его на 50% меньше.
А можно ли получить в 3 раза много света, тратя как можно меньше энергии?
Можно, однако для этого понадобится светоизлучающий диод работающий в несколько ином режиме. Чтобы понимать как сделать это, необходимо провести еще чуть-чуть измерений.
Сначала, вас должен интересовать момент зависимости яркости от используемой мощности. Понемногу повышайте мощность и нужно следить за показаниями люксометра.
В конце концов вы выйдите на подобную вот нелинейную зависимость.
Если бы она была линейной, вы бы получили что-то вроде этого.
Выйдет еще интересней, если сосчитать относительную результативность светоизлучающего диода, за 100% взяв значение мощности в 50Вт.
Видите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Такое ухудшение с повышением мощности, свойственно всем светоизлучающим диодам. И причин тому несколько.
Одна из них, разумеется нагрев. С увеличением температуры, уменьшается вероятность образования фотонов в p-n переходе.
Более того уменьшается и энергия данных фотонов. Даже при хорошем охлаждении корпуса, температура p-n перехода может быть на десятки градусов выше, так как он отделяется от металла подложкой из сапфира.
А она не очень замечательно пропускает тепло. Температурную разницу можно сосчитать, зная размеры кристалла и выделяемую на нем теплоту.
При выделяющейся теплоте в 1Вт, Если учитывать толщину и площадь подложки, температура перехода будет на 11,5 градусов выше.
В случае с не дорогим светоизлучающим диодом все гораздо хуже. Тут результат – более 25 градусов.
Высокая температура перехода приводит к быстрой деградации кристалла, уменьшая его служебный срок. Отсюда и появляются моргания, мигания и т.п.
Интересно, производственники не знают про данную разницу в температуре или намеренно делают обреченные устройства?
Нередко элементы, кажется в нормальных, дорогих светильниках, работают в предельных режимах, на самых больших температурах без какого-то запаса прочности.
Вторая причина ухудшения эффективности светоизлучающего диода при увеличении мощности – это паразитное внутреннее сопротивление.
Пока ток маленькой, оно не ощутимо. Однако из-за квадратичной зависимости, с увеличением тока все значительная часть энергии преобразуется в бесполезное тепло.
Посмотрев на эту схему, сразу хочется освободится от паразитного сопротивления. Ну или хотя бы сделать меньше его, так как это выполняют с конденсаторами.
Другими словами, присоединить параллельно очередной светоизлучающий диод, таким образом вдвое уменьшив потери на сопротивление. И такой способ, разумеется работает.
Подключив в осветительный прибор параллельно два светоизлучающего диода взамен одного, вы получите много света с небольшими расходами энергии и разумеется меньше нагрева.
Несомненно, это продлевает и служебный срок светоизлучающего диода.
Можно не останавливаться и присоединить 3,4 диода взамен одного, хуже не будет.
А если места для определенного числа светодиодов недостаточно, то можно поставить светоизлучающий диод с самого начала рассчитан на высокую мощность. К примеру 100 ваттный, в 50 ваттный осветительный прибор.
Собственно аналогичным образом можно поднять результативность осветительного прибора в пару раз, при тех же затратах энергии, что и на первоначальном источнике, но низкой мощности, и работающего на пределе собственных возможностей.
Кроме того, применяя не более трети мощности от самой большой, вы насовсем позабудете, что такое замена сгоревших светоизлучающих диодов.
При этом результативность их работы и КПД ощутимо увеличатся.
По этому во время покупки светоизлучающих диодов, всегда интересуйтесь размером кристаллов. Потому что от этого может зависеть их охлаждение и внутреннее сопротивление.
Тут работает правило – если больше, то лучше.