КПД, срок службы и эффективность светодиодов — как измерить и повысить.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Насколько эффективны светодиоды на самом деле и как продлить срок их службы?

Как можно измерить их эффективность дома и повысить эффективность, а также продлить срок службы светодиодных осветительных приборов?
Чтобы ответить на все эти вопросы, достаточно провести несколько демонстрационных экспериментов и без использования сложной лабораторной техники.
Светодиод — один из самых эффективных и простых в использовании источников света. Однако в то же время он по-прежнему тратит впустую большую часть потребляемой энергии, превращая ее не в свет, а в тепло.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Сравнивать светодиоды с обычной лампочкой, конечно, не приходится, здесь они работали намного дальше. Но как вы думаете, насколько высока их реальная эффективность?

Как измерить КПД светодиода

Давайте проверим это вживую, не по этикеткам на упаковках и данным в таблицах в Интернете, а дома колориметрическим методом.

Если опустить светодиод в воду и измерить разницу температур перед его включением и через некоторое время можно узнать, сколько энергии от него уйдет в тепло.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Зная общее количество израсходованной энергии и энергии, которая ушла в тепло, вы действительно можете узнать, сколько пользы от данного источника света пошло на свет.

Емкость, в которой будут производиться измерения, должна быть изолирована от перепадов температур снаружи и внутри. Для этого подойдет обычный термос.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

После небольшой доработки вы получите полностью пригодный для использования самодельный колориметр.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Для изоляции и предотвращения утечки тока все провода и кабели светодиодов должны быть покрыты толстым слоем электроизоляционной краски.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Перед экспериментом налейте в колбу 250 мл дистиллированной воды.

Затем установите начальную температуру жидкости.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Погрузите светодиод в воду так, чтобы он полностью его закрыл. При этом свет должен гаснуть беспрепятственно.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Включите питание и начните отсчет времени.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Через 10 минут отключите напряжение и снова измерьте температуру воды.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Не забудьте хорошо перемешать.

Теперь вам нужно повторить эксперимент, но на этот раз хорошо закройте матрицу непрозрачным материалом. Это необходимо для того, чтобы энергия не могла покинуть систему в виде света.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Эксперимент с запаянным образцом повторяется снова в той же последовательности:

  • 250 мл дистиллированной воды
  • начальное измерение температуры
  • 10 минут «свечения”
  • конец измерения температуры

1 из 4

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

После всех замеров и экспериментов можно переходить к расчетам.

Расчет эффективности

Допустим, для этой модели среднее потребление источника света составляет 47,8 Вт. Время открытия — 10 минут.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Если подставить эти данные в формулу, мы получим, что за время 600 секунд на свечение светодиода было потрачено 28 320 Дж.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

В случае герметичной модели вода нагревается от 27 до 50 градусов. Теплоемкость воды 4200 Дж, вес 0,25 кг.

Еще 130 Дж на каждый градус было потрачено на нагрев воздушного шара, плюс потребовалось добавить энергию для нагрева самого светодиода. Он весит 27 граммов и в основном состоит из меди. В результате получилась цифра 27377 Дж.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Соотношение между высвобожденной энергией и расходом составит 96,7%. То есть не хватает более 3%. Это точно такие же тепловые потери.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

В случае открытого светодиода вода нагрелась с 28 до 45 градусов. Все остальные переменные остаются прежними. Расчет здесь будет выглядеть так:

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Какой вывод можно сделать из всех этих экспериментов и расчетов?

Как вы можете видеть из этого небольшого эксперимента, непосредственно в виде света около 28% энергии покинуло систему. А если учесть 3% тепловых потерь, останется только 25%.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Как видите, светодиоды еще далеки от идеальных источников света, как их представляют себе многие продавцы.

Хуже того, на рынке часто встречаются модели крайне низкого качества с еще меньшей эффективностью.

Яркость и мощность

Теперь сравним яркость разных моделей и посмотрим, от чего она зависит и можем ли мы как-то на нее повлиять. Для достоверного сравнения используйте обычную трубку и люксметр.

Предположим, что предварительно протестированный образец высокого качества обеспечивает освещенность 1100 люкс. И это при потреблении 50 Вт.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Что делать, если брать более дешевую модель? Данные могут быть вдвое меньше — менее 5500 лк.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

И это с такой же силой! Получается, что вы заплатите за свет как в первом случае и получите на 50% меньше.

можно ли получить в 3 раза больше света, затрачивая как можно меньше энергии?

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

можно, но для этого нужен светодиод, который работает в несколько другом режиме. Чтобы понять, как это сделать, нужно сделать еще несколько шагов.

В первую очередь, вас должен интересовать момент зависимости яркости от потребляемой мощности. Постепенно увеличивайте мощность и следите за люксметром.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

В результате вы придете к такой нелинейной зависимости.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Если бы он был линейным, вы бы получили что-то вроде этого.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Еще интереснее получится, если подсчитать относительный КПД светодиода, приняв значение мощности 50 Вт за 100.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Посмотрите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Это ухудшение с увеличением мощности характерно для всех светодиодов. И тому есть несколько причин.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

Одно из них, конечно же, разминка. С повышением температуры вероятность образования фотонов в pn переходе уменьшается.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Кроме того, энергия этих фотонов также уменьшается. Даже при хорошем охлаждении корпуса температура pn перехода может быть на десятки градусов выше, так как он отделен от металла сапфировой подложкой.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

И он не очень хорошо проводит тепло. Разницу температур можно рассчитать, зная размер кристалла и выделяемое на нем тепло.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

При тепловыделении 1 Вт с учетом толщины и площади подложки температура перехода будет на 11,5 градуса выше.

В случае с дешевым светодиодом дела обстоят намного хуже. Здесь результат выше 25 градусов.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Высокая температура перехода приводит к быстрой деградации кристалла, сокращая срок его службы. Итак, есть мигалки, мигалки и т.д.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Интересно, не знают ли производители об этой разнице температур или они сознательно создают обреченные устройства?

Часто компоненты, по-видимому, в обычных и дорогих светильниках, работают в экстремальных режимах, при максимальных температурах, без какого-либо запаса прочности.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Вторая причина снижения эффективности светодиода с увеличением мощности — паразитное внутреннее сопротивление.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Хотя ток небольшой, это не заметно. Но из-за квадратичной зависимости по мере увеличения тока все больше и больше энергии превращается в бесполезное тепло.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Глядя на эту схему, хочется сразу избавиться от паразитного сопротивления. Ну или хотя бы уменьшить, как с конденсаторами.

Как увеличить эффективность

То есть подключите еще один светодиод параллельно, тем самым уменьшив потерю сопротивления вдвое. И этот метод определенно работает.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Подключив два светодиода параллельно вместо одного в светильнике, вы получите больше света с меньшим энергопотреблением и, как следствие, меньшим нагревом.

Конечно, это также продлевает срок службы светодиода.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Не надо останавливаться и подключать 3,4 диода вместо одного, хуже не будет.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

А если места для нескольких светодиодов не хватает, можно установить светодиод, изначально рассчитанный на большую мощность. Например, лампа мощностью 100 Вт, 50 Вт.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

Таким образом, эффективность светильника может быть увеличена в несколько раз при том же энергопотреблении исходного источника, но с меньшей мощностью и работой на пределе своих мощностей.

К тому же, используя не более трети максимальной мощности, вы навсегда забудете, что такое замена перегоревших светодиодов.

Эффективность, долговечность и эффективность светодиодов: как измерить и улучшить.

При этом эффективность их работы и продуктивность значительно возрастет.

Поэтому, покупая светодиоды, всегда интересуйтесь размером кристаллов. Ведь от этого зависит их охлаждение и внутреннее сопротивление.

Здесь действует правило: чем больше, тем лучше.

Оцените статью
Добавить комментарий