Новый взгляд на вопрос экономии, или еще раз об энергосбережении

13 августа 2014

CreeстатьяLED

Использование светодиодов в экономичном режиме позволяет упростить конструкцию корпуса и применить источник питания меньшей мощности. Но для получения светового потока той же величины придется увеличить количество светодиодов, что приведет к росту стоимости. Как найти компромисс?

Тема светодиодного освещения получила бурное развитие на волне идеи об энергосбережении. Сколько было сказано и написано о том, какое количество электроэнергии можно сэкономить, если перейти на освещение светодиодами! Сколько было восторгов по поводу появления новых, еще более энергоэффективных полупроводниковых источников света! Тема энергосбережения в освещении поднялась до уровня государственных программ ведущих мировых держав. Даже у нас в России, где стоимость электроэнергии в несколько раз меньше по сравнению со странами Европы и Америки, был принят закон об энергосбережении. И что в результате? Действительно ли производители светодиодных светильников стремятся получить максимум светоотдачи со своих осветительных приборов? Используют ли они все имеющиеся возможности современных светодиодов, чтобы добиться минимального уровня энергопотребления? Цель данной статьи – дать ответы на эти злободневные вопросы.

Для начала попробуем разобраться с вопросом, от каких факторов зависит эффективность светодиода как источника света и при каких условиях можно получить от него максимум светоотдачи. Все современные осветительные светодиоды устроены одинаково. Есть полупроводниковый кристалл, который под действием электричества излучает световую энергию на границе диапазона видимого света в области, близкой к ультрафиолету (максимум излучения обычно находится в диапазоне 450…460 нм). И есть люминофор, который преобразует эту энергию в излучение широкого спектра, воспринимаемое нами как белый свет. Величина формируемого светового потока находится в прямой зависимости от мощности излучения кристалла и свойств люминофора. Свойства люминофора слабо зависят от условий работы, поэтому можно считать, что световой поток светодиода прямо пропорционален мощности излучения кристалла.

Мощность излучения кристалла зависит главным образом от двух факторов – рабочего тока и температуры перехода. Очевидно, что излучение увеличивается при повышении тока и снижается при увеличении температуры. Обе зависимости близки к линейным. Но в данном случае, раз мы ведем речь об энергосбережении, нас интересуют прежде всего не абсолютные значения излучаемой мощности, а их отношение к мощности потребления (можно называть это соотношение по-разному – КПД, эффективность или светоотдача). Рассмотрим для примера, как соотносится световой поток светодиода серии XP-L к его рабочему току при различных температурах перехода. График этой зависимости приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Световая отдача светодиода XP-L в зависимости от рабочего тока и температуры перехода

Рис. 1. Световая отдача светодиода XP-L в зависимости от рабочего тока и температуры перехода

График наглядно показывает, насколько резко снижается световая отдача светодиода при повышении рабочего тока и температуры. Совершенно очевидно, что для получения высоких показателей по энергосбережению необходимо эксплуатировать светодиод на небольших токах и при низких температурах перехода. На токе 150 мА при температуре перехода 25°С эффективность светодиода достигает почти 200 лм/Вт, а на максимальном токе 3000 мА – падает в два раза, приблизительно до 100 лм/Вт. На токе ниже 150 мА эффективность будет еще выше, но данных на этот счет нет – компания Cree не производила измерения на меньших токах.

«Не слишком ли это расточительно – использовать трехамперный светодиод на токе 150 мА?» – спросит читатель. Это хороший вопрос. А ответ на него такой – все зависит от того, какая цель преследуется. Если главное – это получить сверхэкономичный светильник, неважно за какие деньги, то такое решение будет вполне оправдано. И такие приложения, где вопрос экономии электроэнергии встает во главу угла, где он жизненно важен, реально существуют. За примерами далеко ходить не надо, тут даже не требуется апеллировать к высоким государственным интересам, достаточно представить прозаическую жизненную ситуацию. Спросите, например, у шахтера, что для него важнее – чтобы светильник был в два раза дешевле, или чтобы он светил в два раза дольше? Ответ, по-моему, очевиден. При этом не факт, что решение для шахтерской лампочки на базе светодиода XP-L будет дороже существующих вариантов. Вот типичные характеристики широко распространенного головного шахтерского светильника – световой поток 30 лм от лампочки накаливания на 3.6 В с рабочим током 1 А, питание от аккумулятора на 10 А•ч, время непрерывной работы – около 10 часов, общий вес – примерно 2 кг. В то время как светодиод XP-L на токе 150 мА выдает 83.4 лм при потреблении всего 0.42 Вт. То есть, световой поток в 2.8 раз больше при потреблении в 8.6 раз меньше. При использовании с тем же аккумулятором время работы увеличится до 67 часов. А чтобы получить те же рабочие характеристики (световой поток 30 лм и время работы 10 часов), то надо будет снизить рабочий ток до величины примерно 0.05 А и применить аккумулятор емкостью около 0.5 А•ч (результаты получены путем линейной аппроксимации). Очевидно, что такое решение будет, как минимум, легче по весу и, скорее всего, дешевле. Тут следует обратить внимание еще на один момент. Как известно, общей проблемой при разработке осветительного прибора на базе светодиодов является проектирование системы охлаждения. Но в данном случае этой проблемы не существует. При столь малом значении потребляемой мощности (при токе 0.05 А потребление составит всего около 0.13 Вт) никакого радиатора не потребуется. Стандартно для рассеивания мощности в 1 Вт требуется поверхность охлаждения в один квадратный дюйм. Поэтому теоретически для рассеивания мощности в 0.13 Вт нужна поверхность охлаждения площадью менее одного квадратного сантиметра. Очевидно, что даже печатная плата для светодиода будет большей площади (особенно, если учесть, что светильник, скорее всего, будет снабжен вторичной оптикой, а для ее установки, в общем случае, необходима площадка диаметром не менее 30 мм). Нет сомнений, что в данном случае (а также везде, где речь идет о переносных светильниках с автономным питанием) использование мощного светодиода, такого как XP-L, в экономичном режиме вполне оправдано.

Конечно, приведенный выше пример достаточно тривиален, но, тем не менее, позволяет сделать некоторые общие выводы. Во-первых, использование светодиодов на пониженных рабочих токах позволяет благодаря повышению светоотдачи применить источник питания меньшей мощности (и, соответственно, меньшей стоимости). А во-вторых, это позволит применить радиатор меньшей площади, а может – и вообще отказаться от него. В настоящее время функции радиатора, как правило, выполняет сам корпус осветительного прибора (в первую очередь, это относится к уличным светильникам), для чего в его конструкции предусматривают ребра охлаждения. Обычно корпус делают цельнолитым, что подразумевает подготовку формы, применение литейного оборудования и т.д. Все это делает корпус одним из самых сложных и дорогостоящих элементов конструкции.

Таким образом, использование светодиодов в экономичном режиме позволяет упростить конструкцию корпуса и применить источник питания меньшей мощности, что безусловно позволит в какой-то степени снизить себестоимость изделия. Но с другой стороны, для получения светового потока той же величины придется увеличить количество светодиодов, что приведет к росту стоимости. Кроме того, если речь идет о светильнике со вторичной оптикой – необходимо будет также увеличить количество оптических элементов пропорционально количеству светодиодов.

Проведем небольшое исследование. Для начала возьмем некий условный светильник, в котором светодиоды работают в предельном режиме. Затем будем постепенно увеличивать количество светодиодов, снижая их рабочий ток так, чтобы суммарный световой поток был равен первоначальному, и посмотрим, как будет меняться общая светоотдача светильника, его потребляемая мощность и параметры охлаждающей системы. Возьмем для определенности светодиод серии XP-L с бином по яркости V5 (460 лм на токе 1050 мА при температуре перехода 85°С). Также предположим, что в светильнике используются оптические модули формата 2х2 производства компании Ledil (применять модули намного выгоднее, чем отдельные линзы – относительная стоимость оптического элемента получается намного ниже). В связи с этим, будем увеличивать количество светодиодов сразу на четыре штуки (как бы применяя еще один кластер с модулем 2х2).

Итак, будем считать, что первоначально мы имеем светильник на четырех светодиодах серии XP-L, работающих на максимальном токе 3000 мА при температуре перехода 85°С. В этом режиме каждый светодиод выдаст 1033.6 лм при потребляемой мощности 10.088 Вт. В целом для светильника получаем световой поток 4134.4 лм, потребляемую мощность 40.35 Вт. Следовательно, общая светоотдача светильника будет равна 103.5 лм/Вт (для простоты потери в оптической системе учитывать не будем). Источники питания обычно выбирают с запасом по мощности, кроме того, надо учитывать, что они выпускаются на фиксированные значения мощностей. В данном случае зададим запас по мощности 10%, тогда ближайший номинал будет 45 Вт. Теперь рассчитаем параметры охлаждающей системы. Допустим, что температура окружающей среды – 25°С. Значит, общее тепловое сопротивление системы охлаждения будет равно 60/40.35 = 1.487°С/Вт. Тепловое сопротивление «переход-корпус» для светодиодов серии XP-L равно 2.5°С/Вт, следовательно, эквивалентное тепловое сопротивление четырех светодиодов будет равно 0.625°С/Вт. Таким образом, тепловое сопротивление радиатора будет 1.487 – 0.625 = 0.862°С/Вт.

Теперь рассмотрим систему из восьми светодиодов. Чтобы получить тот же световой поток светильника, каждый из светодиодов должен давать 516.8 лм. Такой световой поток получается на токе 1200 мА при температуре перехода 84°С. Температура перехода понижена на один градус для того, чтобы подогнать значение светового потока к нужной величине (при 85°С он получался чуть ниже заданного) на данном токе. На точность расчетов разница в один градус влияния почти не окажет – это только незначительно повлияет на тепловое сопротивление радиатора. К тому же, температура перехода и должна снижаться при уменьшении рабочего тока. При этих значениях общая мощность потребления составила 28.7 Вт (в 1.4 раза меньше по сравнению с предыдущим случаем), а светоотдача – 144,1 лм/Вт (в 1.4 раза выше). Общее тепловое сопротивление системы выросло до 2.056°С/Вт, а радиатора – до 1.744°С/Вт (т.е. увеличилось в два раза, следовательно, и размеры радиатора уменьшились в той же пропорции).

Аналогично проведем расчеты для двенадцати и шестнадцати светодиодов. Для двенадцати светодиодов получаются следующие характеристики: световой поток одного светодиода – 344.5 на токе 750 мА при температуре перехода 82°С (пришлось выбрать нестандартное значение тока драйвера, чтобы не слишком сильно снижать температуру перехода), общее потребление – 25.878 Вт, светоотдача – 159.7 лм/Вт, тепловое сопротивление радиатора – 1.994°С/Вт. Для шестнадцати светодиодов результаты получились такие: световой поток одного светодиода – 258.4 лм на токе 550 мА (пришлось опять выбрать нестандартное значение) при температуре перехода 82°С, общее потребление – 24.784 Вт, светоотдача – 167.35 лм/Вт, тепловое сопротивление радиатора – 2.144°С/Вт.

Результаты исследований сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Характеристики светильника при различном количестве используемых светодиодов

Количество
светодиодов
Рабочий ток, мА Температура
перехода, °С
Мощность
потребления, Вт
Световая отдача, лм/Вт Тепловое сопротивление радиатора, °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

 

Проведенное исследование показало вполне ожидаемые результаты, но в то же время дало информацию к размышлению. Хорошо заметно, что значительное улучшение характеристик получилось при переходе от четырех светодиодов к восьми (светоотдача выросла на 40%, на столько же снизилось потребление, а тепловое сопротивление радиатора выросло сразу в два раза). Дальнейшее увеличение количества светодиодов уже не приводит к столь существенному улучшению характеристик (например, при увеличении количества с восьми до шестнадцати, потребление снизилось всего на 16%, и примерно на такую же величину выросла светоотдача). К сожалению, данные результаты невозможно точно оценить с точки зрения стоимости решения. Цены на светодиоды, оптику и источники питания еще как-то можно сравнить между собой, но что касается радиатора (который, по сути, является корпусом), то здесь оценку может произвести только сам производитель светильника. Исходя из общих соображений можно предположить, что наиболее оптимальным будет вариант с восемью светодиодами. По идее, изменение стоимости по сравнению с вариантом на четыре светодиода будет относительно небольшим. Можно сделать очень грубую прикидку. В первом случае (на четыре светодиода) требуется источник питания на 45 Вт. Хороший источник на такую мощность с высокой степенью защиты может стоить порядка 35$. А во втором случае (на восемь светодиодов) достаточно источника на 30 Вт, стоимость которого может составлять примерно 20$. В то же время, во втором варианте добавляются четыре светодиода и один оптический модуль. Стоимость светодиода такого класса, как XP-L, может быть в районе 4…4.5$. Что касается модуля, то его стоимость относительно невелика и может находиться в пределах 1.5…2$. Итого, в результате получаем увеличение стоимости решения всего на 5$. Но здесь еще не учтено возможное снижение стоимости за счет уменьшения объема радиатора в два раза. В целом, может оказаться, что стоимость второго варианта будет даже ниже.

Полученные результаты могут вызвать у кого-то недоумение, но, на самом деле, ничего удивительного здесь нет. Просто надо помнить о том, что светодиод, как медаль, имеет две стороны. С одной стороны, это прибор с высокой светоотдачей (на малых токах), с другой – мощный источник света. Но, повышая мощность излучения (увеличивая рабочий ток), мы одновременно снижаем его эффективность (и наоборот). И вопрос состоит лишь в том, чтобы найти золотую середину – подобрать такой режим работы, при котором оба параметра (эффективность и световой поток) имеют приемлемое значение. На рисунке 2 показан график зависимости величин светового потока и светоотдачи от рабочего тока для светодиода XP-L.

Рис. 2. Световая отдача и световой поток светодиода XP-L в зависимости от рабочего тока

Рис. 2. Световая отдача и световой поток светодиода XP-L в зависимости от рабочего тока

Данный материал, конечно же, не претендует на полноценное исследование. Но такой цели и не ставилось. Целью было напомнить читателю (будь он производителем или потребителем осветительных приборов), ради чего был затеян этот переход на светодиодное освещение. Похоже, многие забыли о том, что главной, первостепенной задачей было (и остается) сокращение потребления электроэнергии в области освещения. И не важно, идет ли речь об уличном светильнике или о шахтерской лампочке – во всех случаях необходимо, в первую очередь, позаботиться о снижении расхода электроэнергии. В данной статье на простых примерах было показано, как добиться снижения энергопотребления осветительного прибора без ухудшения его стоимостных характеристик.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании CREE LED

CREE LED, входящая в состав Smart Global Holdings, поставщик лучших в своем классе технологий и решений в области светодиодного освещения и индикации. Компания фокусируется на рынках: мощных световых приборов общего назначения, автомобильной светотехники, видеоэкранов и специального освещения. CREE LED предлагает самое широкое портфолио оптимизированной под применение продукции в индустрии. Светодиоды CREE LED обладают лучшими характеристиками по таким параметрам как: плотность световог ...читать далее