Projektowanie opraw LED - wydajność

Regulacje prawne w UE odnośnie wydajności źródeł światła

Po 1 września 2009 wszystkie żarówki nieprzezroczyste muszą spełniać wymogi klasy A

Według dyrektywy 98/11/WE klasa A:   W ≤ 0,24 · √Φ + 0,0103 · √Φ          

  Odpowiednik żarówki      Strumień świetlny lm      Sprawność dla klasy A lm/W   
              25              220                      38
              40              420                     45
              60              710                      52 


Wymagania Energy Star dla opraw bazujących na diodach LED

 Minimalna wydajność opraw 20 - 45 lm/W
Większość opraw 35lm/W
W przyszłości wszystkie oprawy powyżej 70lm/W

Energy StarWymagania Energy Star dotyczą też:
• minimalnego strumienia świetlnego (zależne od typu oprawy)
• temperatury barwowej oraz współrzędnych chromatycznych światła 
• CRI (powyżej 75, zależne od oprawy)
• utrzymania strumienia świetlnego (35 000h lub 25 000h)
• utrzymania niezmienności barwy
• współczynnika mocy (powyżej 0.9 przemysłowe, powyżej 0.7 pozostałe)
• poboru mocy podczas wyłączenia (max 0.5W)
• częstotliwości pracy (min 120Hz)

 

Badania opraw

sus departament

Program CALiPER Departamentu Energii USA

•  Większość opraw nie spełnia wymagań Energy Star
•  Część opraw uszkodziła się w czasie testów

 

Seria    Rok  

 Sprawność 
      min
     lm/W

 Sprawność 
       max
      lm/W

   Ilość opraw poniżej 20lm/W/ilość     wszystkich badanych opraw
    Ilość zamienników żarówek nie    spełniających  wymogów UE/ilość         badanych zamienników
    1
  2007         4       32,8                      9/14                        nie badano
    2  2007         9,2       34,1                      6/12                     0/1 ok 14lm/W
    3  2007         6       61                      2/20                              1/1 
    4  2008         8       46                    10/20                         nie badano
    5  2008         9       46                      4/10                              1/2
    6  2008          4       62                      1/16                              1/5

 

Sprawność opraw LED

 

Równanie sprawności opraw LEDm - ilość diod LED
 Φ - strumień świetlny 
 P - moc

Przykład nieprawidłowego podejścia
 Oprawa LED składająca się z 56 diod
• deklarowany przez producenta pobór mocy 56W
• deklarowany strumień świetlny emitowany przez lampę 4200lm
• sprawność 75lm/W

Sprawność opraw LED

Sprawność opraw LED

Wzór sprawności diód LED

m - ilość diod LED
Ф - strumień świetlny emitowany przez diodę dla określonego prądu  przewodzenia
k - stosunek strumienia świetlnego emitowanego w rzeczywistej temperaturze pracy LED do strumienia świetlnego emitowanego w temperaturze 25oC
η - sprawność

 Źródło światła
  Sprawność maksymalna lm/W   Sprawność w oprawie lm/W 
 Żarówka                       17                   10-17 
 Halogen                        20                    12-20 
 Metalohalogen                       70                    35-40 
 Świetlówka                       90                    65-70 
 Dioda LED                      100                    65-75 
 Lampa sodowa wysokoprężna                       140                    55-65
 Lampa sodowa niskoprężna                      180                    65-75 

 

Sprawność diody LED - jakość 

 

Dioda Rebel 100lm ma sprawność 90lm/W
Porównując 2 różne diody o tym samym strumieniu trzeba zwrócić uwagę na:
• prąd dla którego jest specyfikowany strumień świetlny (zazwyczaj 350mA)
• napięcie przewodzenia diody dla prądu specyfikowanego

 

Jakość diody LED

Dla prądu 350mA  minimalne napięcie  2.8V ( λ=450nm)

Temperatura diody LED

 

Źródło światła   Sprawność % (lm/W)
                     Dystrybucja ciepła %
 Promieniowanie   Konwekcja + Przewodzenie 
 Żarówka*
        8 (14lm/W)    81 (73%IR)                   19
 Świetlówka*      21 (100lm/W)     58 (37%IR)                   42
 LED czerwona       14 (100lm/W)            14                   86
 LED biała      25 (40lm/W)            25                   75

 

Z każdej diody białej zasilanej prądem 350mA trzeba odprowadzić do  radiatorów 0,95W energii cieplnej.

Rezystancja termiczna złącze – pad termiczny:
• InGaN Rebel - 10 K/W
• AlInGaP Rebel – 12 K/W
Obliczając przyrost temperatury należy uwzględnić, że część mocy jest przekształcana w światło.

 

 

Temperatura diody LED

Sprawność świetlówki - temperatura

Świetlówki są optymalizowany do pracy w temperaturze pokojowej.
Dla temperatury -20oC strumień świetlny wynosi:
•  Dioda LED – 110%
•  Świetlówka – 30%
W zastosowaniach zewnętrznych w niskich temperaturach dioda  LED bije na głowę świetlówkę.

Sprawność świetlówki - temperatura

Sprawność diody LED – prąd zasilania

Maksymalna wydajność diody mocy ok. 35mA
Praca przy tak niskich prądach jest nieuzasadnialna ekonomicznie
Diody małej mocy 20mA mają sprawność ok. 20lm/W
Diody mocy dla prądu 35mA mogą osiągnąć sprawność powyżej 150lm/W

 

Sprawność diód LED - prąd zasilania

Obecnie jednym z największych wyzwań producentów LED jest stworzenie diody, która miałaby taką samą wydajność w szerokim zakresie prądów zasilania Usprawnienia wydajności LED przy dużych prądach  przewodzenia.

 

Sprawność diód LED - prąd zasilania

UWAGA Diody Rebel nie mogą być sterowane prądem 2A

 

Sprawność diody LED - temperatura barwowa

 

Temperatura barwowa – barwa światła jaką wysyłałoby ciało doskonale czarne rozgrzane do tej temperatury.

Odcienie Bieli - Temperatura barwowa diody LED

 

Pobierz dokument w .pdf

Artykuły techniczne