Как измерить и улучшить КПД светодиода

Светодиодная лампа — один из самых эффективных источников света, доступных сегодня. Однако часть потребляемой электроэнергии по-прежнему тратится впустую в виде тепла в окружающем пространстве. Чтобы точно выяснить, какова реальная эффективность ледяного кристалла и насколько можно продлить его жизнь, необходимо провести серию лабораторных экспериментов.

Поэтому мы рассмотрим, как в домашних условиях без использования специального оборудования измерить и рассчитать КПД светодиода, а также яркость и мощность, по каким основным причинам КПД может снизиться и как его повысить.

Как измерить КПД светодиода

Чтобы не сомневаться в достоверности данных об эффективности того или иного светодиода, полученных из Интернет-источников, необходимо измерить и рассчитать его значение практическим методом. Для этого вам потребуется изготовить простейший колориметр. Вся суть эксперимента сводится к измерению разности температур водной среды, в которую был опущен ледяной элемент — до его воспламенения и по прошествии определенного времени.

Как измерить и повысить эффективность светодиодов

Более того, зная количество выделяемого при этом тепла и общее количество затраченной энергии, используя формулы школьной физики, можно легко вычислить точный КПД данной лампы.

Суть опыта сводится к следующим действиям:

  1. необходимо брать сосуд с утепленными стенками, для этого подойдет фляжка или сам термос.
  2. К выбранному для измерения светодиоду необходимо припаять провода, идущие от источника питания, и покрыть их открытые участки слоем изоляционной краски, чтобы избежать утечки тока в водную среду.
  3. в термос наливают 0,25 литра чистой малосоленой воды.
  4. Начальная температура измеряется градусником (значение необходимо записать) — перед экспериментом.
  5. Затем ледяной элемент полностью погружается в воду и соединяется с открытой крышкой.
  6. С блоком питания нужно одновременно включить секундомер.
  7. Через пятнадцать минут сеть отключают и снова измеряют температуру (водная среда предварительно перемешивается). Данные регистрируются.

Далее эксперимент повторяется аналогичным образом, но светодиодная матрица должна быть полностью герметизирована светозащитным материалом. Все результаты измерений записываются. На этом практическая часть заканчивается, начинается расчет КПД.

Примечание! Эффективность светильника и эффективность источника света — совершенно разные понятия. Показатель характеризует соотношение между светом, исходящим от устройства, и общим световым потоком. Например, отдельный светодиод будет иметь 100% КПД, а при помещении в люстру этот параметр будет уменьшаться. Кроме того, степень освещенности различных источников света будет разной: от ламп накаливания — наполовину, затем от светодиодного кристалла с аналогичной мощностью, что связано с исходной направленностью последних.

Расчет эффективности

Первоначально рассчитывается среднее потребление энергии. Для этого необходимо мощность умножить на время. Например, в эксперименте использовалась светодиодная лампа мощностью ровно 50 Вт, поэтому за 15 минут (что аналогично 900 секундам) 45000 Дж. Теперь рассчитаем КПД для светодиода, исходя из определения затрат в обоих экспериментах

Как измерить и повысить эффективность светодиодов

Первый эксперимент: при приклеивании светодиода вода нагрелась с 22 до 57 градусов. Разница температур составила 35 градусов. Зная удельную теплоемкость воды (4,2 тыс. Дж) и ее массу (250 мл — 0,25 кг), а также то, что потери на нагрев стекла колбы на каждый градус составляли примерно 131 Дж, плюс на нагрев меди (теплоемкость 381 Дж). J) при массе светодиода 28 грамм подставляем значения в формулу:

4200×0,25×35 (для воды 36750 Дж) + 131×35 (для баллона 4585 Дж) + 381×0,028×35 (для светодиода 373 Дж) = 41708 Дж.

Из соотношения получаем: 41708/45000 = 93%. Таким образом, около 7% составляют чистые тепловые потери от общего КПД этой светодиодной лампы.

Второй эксперимент: в аналогичном эксперименте с разомкнутым светодиодом разница нагрева воды составила 25 градусов, подставляя ее значение в приведенную выше формулу, получаем = 26250 + 3275 + 266 = 29791 Дж.

Коррелируем с расчетной мощностью: 29791/45000 = 66%.

Около 34% энергии было потрачено на чистую световую энергию, однако, учитывая потери чистого тепла в 7%, КПД = всего 27%!

КПД фирменных светодиодов составляет 24-28%. К тому же это еще далеко не худший результат. Так что для некачественных дешевых аналогов он может быть в 2-3 раза ниже.

Яркость и мощность

В работе светодиодов существует простое правило: чем выше мощность ледяного кристалла, тем ярче световой поток. Однако хорошего в этой связи мало: чем выше значение этих показателей, тем ниже эффективность. На приведенном ниже графике для диода мощностью 50 Вт (считается 100% -ным КПД) эта характеристика хорошо видна:

Как измерить и повысить эффективность светодиодов

Такое снижение КПД при увеличении мощности характерно для всех существующих светодиодов. Причины явления кроются в природе полупроводникового кристалла и в изменении его параметров в зависимости от условий эксплуатации.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

Существует несколько причин снижения эффективности светодиодов при увеличении их мощности:

  1. С увеличением интенсивности люминесценции нагрев полупроводниковой матрицы увеличивается. В ответ на это количество и энергия легких частиц — фотонов, образующихся при pn переходе, уменьшаются. Даже качественный металлический радиатор не спасает, так как ледяной кристалл сидит на сапфировой подложке, плохо проводящей тепло. Разница в нагреве может составлять до 12-27 градусов. Это в конечном итоге приведет к разрушению кристаллической основы, первые признаки которой проявляются в виде вспышки света.
  2. Паразитное внутреннее сопротивление тем больше, чем больше сила тока — и в квадрате прямая зависимость. Из-за этого значительная часть энергии просто преобразуется в тепло, теряя процентную эффективность — и чем мощнее светодиод, тем сильнее.

Как измерить и повысить эффективность светодиодов

Как увеличить эффективность

Есть несколько практических способов предотвратить снижение эффективности и продлить срок службы светодиода:

  1. Вместо одного источника льда подключите два из них, используя параллельное соединение. Это приведет к уменьшению сопротивления вдвое. Таким образом можно добиться лучшего освещения, но с меньшим энергопотреблением и без перегрева.
  2. Точно так же, если в корпусе светильника есть свободное место, можно установить 3 или 4 светодиода одновременно.
  3. Установите один светодиод, но с большей мощностью, чем рассчитано, если нет места для установки нескольких. Например, вместо 40 Вт установите 80 Вт.

Используя такие методы, можно в несколько раз увеличить КПД того или иного светодиода. Кроме того, если никогда не использовать более одной трети предельной мощности, срок службы ледяной камеры можно значительно продлить. Кроме того, не следует забывать о размерах кристалла — от них зависит степень его нагрева и величина внутреннего сопротивления.

Важно! Некоторые типы светодиодов покрыты слоем специального вещества для изменения цвета светового потока. Конечная эффективность во многом будет зависеть от его светопропускания и других технических характеристик.

Основные выводы

КПД — важнейший параметр в работе светодиодов. Чтобы измерить его в домашних условиях, нужно снять серию замеров. Для этого потребуется элементарный колориметр (например, можно взять термос), градусник и секундомер. Алгоритм действий в эксперименте следующий:

  1. В колбу наливают стакан чистой воды и измеряют ее температуру.
  2. Затем подготовленный светодиод полностью погружают в него и подключают к сети.
  3. Через некоторое время снова измеряется температура воды.

Измерения проводят дважды: с открытым кристаллом и закрытым непрозрачным веществом. На основании данных, полученных из термодинамических формул, рассчитываются тепловые потери и рассчитывается КПД.

Все современные светодиоды отличаются такой особенностью, что с увеличением мощности происходит снижение КПД. Это связано с особенностями полупроводниковой матрицы и увеличением нагрева, что приводит к постепенной деградации последней. Можно увеличить эффективность и срок службы, используя одновременно несколько диодов через параллельное соединение вместо диода или заменяя его более мощным.

Если вам известны другие эффективные способы увеличения КПД и срока службы того или иного типа светодиода, обязательно напишите о них в комментариях.

Оцените статью
Добавить комментарий