Сравнение белых светодиодов с обычными источниками света

Поскольку изделия с белыми светодиодами становятся все более широко доступны, возникает вопрос выбора и сравнения новых продуктов. Как современные светодиодные изделия сравнить с обычным освещением на основании энергоэффективности, времени жизни, динамики изменения яркости, создаваемого светового потока и его распределения и качества цвета?

Энергоэффективность

Оценка энергоэффективности систем освещения начинается с эффективности источника света, но на этом не заканчивается. Дополнительные факторы, такие, как эффективность балласта или драйвера, оптические потери светильника и тепловые факторы также будут определять окончательную энергоэффективность любой системы освещения.

Эффективность источника

Для традиционных типов ламп эффективность источника (в пересчете на люмен на ватт, лм/Вт) измеряется в стационарных условиях при температуре 25°C окружающей среды. Эффективность источника не может быть измерена как для светодиодов, как и для традиционных ламп. Светодиоды выделяют тепло, когда работают непрерывно, что может значительно уменьшить их светоотдачу и эффективность. По этой причине, светодиоды прикреплены к радиаторам для отведения тепла от устройства, однако не существует "стандартного" или "референсного" устройства теплоотвода для светодиодов, усложняя измерения производительности и сравнение с другими источниками света.

Данные по световому потоку и эффективности, предоставляемые в паспортах на светодиоды, как правило основаны на измерениях при подаче очень короткого импульса тока (25 миллисекунд или меньше), который практически не изменяет температуру перехода (TJ) от базового значения 25°C. Условия измерения с коротким импульсом тока предотвращают значительный нагрев светодиода и, следовательно, приводят к более высоким показателям светового потока и эффективности, чем для условий непрерывной работы.

Чтобы лучше оценить реальную производительность, некоторые производители светодиодов предоставляют дополнительные данные для оценки значений светового выхода при ожидаемых рабочих температурах, отличных от Tj=25°С. Эти данные показывают, что световой выход светодиодов при Tj=75°C составляет примерно 85% -90% от номинального светового потока при Tj=25°C.¹ Эта оценка должна использоваться только в качестве общих указаний и не заменяет детальную оценку отдельных образцов светодиодной продукции.

Эффективность светильника

Нет более точного способа сравнить световой выход светодиодов с традиционными источниками света, чем сравнение эффективности одинаковых светильников с установленными в них источниками разного типа. Показатель, используемый для сравнения, называется эффективность светильника, выраженная в люмен на ватт (лм / Вт). На рисунке 1 представлены показатели эффективности для встраиваемого светильника, измеренные по методике тестирования изделий DOE CALiPER².

Эффективность светильника, как правило, ниже, чем эффективность источника, в связи с оптическими потерями, а в некоторых случаях, тепловыми факторами, влияющими на производительность источника (например, для светодиодов и люминесцентных ламп). Как показано на рисунке 1, эффективность светильника может варьироваться, даже при использовании одного типа источника света, из-за различий в оптических компонентах, эффективности балласта или драйверов управления, эффективности теплоотвода.

Рисунок 1. Сравнение эффективности для встраиваемого светильника со светодиодами, компактными люминесцентными лампами (CFL), флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL), галогенными и лампами накаливания (включая балласт, драйверы и тепловые потери, где это применимо). Лампы были протестированы в одном корпусе встраиваемого светильника. Источник: CALiPER.

Процедура тестирования фотометрических параметров, разработанная для светодиодных светильников (IESNA LM-79-08) также может быть использована для тестирования сменных светодиодных ламп, которые в своем составе имеют драйверы и теплоотвод. Помните, однако, что эффективность сменных светодиодных ламп, как и других чувствительных к температуре источников, например компактных люминесцентных ламп, будет зависеть от температурных условий в светильнике, в котором они установлены.

Деградация яркости

Все источники света снижают свою светимость по мере срока службы. Следовательно, большинство осветительных установок проектируется с учетом среднего (точнее, среднего или среднего для конкретного исполнения) светового потока лампы, а в критически важных приложениях - светового потока лампы в конце её жизни. В более широком смысле, при сравнении энергетической эффективности различных типов источников света и светильников, важно учитывать среднюю эффективность, или эффективность в конце срока службы, а не начальный световой выход.

Срок службы традиционных источников света определяется по моменту выхода их из строя, который происходит чаще всего при снижении светового выхода до, как правило, 40% для люминесцентных и металл галогенных ламп. Светодиоды могут продолжать работать еще долго после того, как их светоотдача падает ниже полезного уровня, поэтому, для определения срока службы принимается процент снижения светового выхода по отношению к начальному значению. В светодиодной индустрии, эти спецификации срока службы известны как L50 и L70, которые представляют оценку срока службы при достижении уровней 50% и 70% от исходного светового потока, соответственно.

В настоящее время среднее значение светового выхода для линейных высокоэффективных люминесцентных ламп может достигать от 95% до 97% от своего первоначального значения. Процессы деградация яркости светодиодов еще не так хорошо изучены, и для значений срока полезного использования на уровне L70, принимая зависимость изменения яркости линейной, можно считать уровень средней яркости около 85% от первоначального значения. Для достижения сопоставимых значений средней эффективности светильника в этом случае, светодиодные светильники должны иметь более высокую начальную эффективность, чем их люминесцентные или другие конкуренты. Таблица 1 показывает, как гипотетический светодиодный светильник с начальной эффективностью, равной эффективности светильника с высокопроизводительной люминесцентной лампой T8, даст более низкую среднюю эффективность и снижение чистой экономии энергии примерно на 12% (случай 1). Для достижения той же средней эффективности, светодиодная система должна иметь первоначальную эффективность примерно на 14% выше, чем для флуоресцентной системы (случай 2).

Таблица 1. Пример анализа средней эффективности светильника для Т8 люминесцентных и гипотетических LED-светильников

	Флуоресцентная Т8	LED Вариант 1	LED Вариант 2
Начальная светимость лампы	2850
Количество ламп	2
Итого начальная светимость	5700
КПД балласта	0,88
Система Первоначальные люмен	5016
Входная мощность системы, (Вт)	52
Начальная эффективность системы, (лм/Вт)	96
КПД светильника, (%)	85,6
Начальная эффективность светильника, (лм / Вт)	83	83	94
Средняя светимость лампы, (% от исходной)	97	85	85
Средняя эффективность светильника, (лм / Вт)	80	71	80

Необходимо помнить, что средняя мощность светового потока для люминесцентной или металл галогенной лампы измеряется на уровне 40% от номинального срока службы. Для высокопроизводительных люминесцентных ламп T8, номинальный срок службы лампы может варьироваться от 30000 до 46000 часов, что означает, что средний световой поток (и средняя эффективность светильника) наступит примерно через 12000 - 18000 часов. Основные производители светодиодных источников вообще претендуют на расчетный срок службы (L70), превышающий 50000 часов; фактическое время работы к моменту достижения средней эффективности светильника будет зависеть от конкретных светодиодных устройств, дизайна светильника и реальных условий эксплуатации. Отметим также, что срок службы в некоторых приложениях может оказаться меньше значения L70, декларируемого производителем, что требует тщательной оценки имеющихся данных деградации яркости для правильной оценки средней эффективность светильника.

Световой выход и распространение светового потока

Световой выход светодиода, его эффективность зависят от обеспечения необходимого теплового режима. Однако, необходимая площадь поверхности теплоотвода может ограничивать плотность установки, мощность и яркость светодиодов, особенно в компактных светильниках и сменных лампах. Например, сменная светодиодная лампа MR16 не может сегодня ни по достаточному количеству светодиодов, ни по достаточной возможности отвода тепла, соответствовать светоотдаче и силе света типичной 50-ваттной галогенной лампочке MR16. В отличие от этого примера, группы светильников со встроенными теплоотводами, с светодиодами высокой яркости могут быть установлены на больших открытых площадках и автострадах, обеспечивая энергоэффективную альтернативу металл галогенным лампам и натриевым лампам высокого давления.

Несмотря на сравнительно низкую светоотдачу, светодиоды это конструктивно направленные источники света и имеют лучшие оптические свойства, чем традиционные энергоэффективные источники, такие как люминесцентные и металл галогенные лампы. Это позволяет правильно спроектированным светодиодным светильникам направить свет туда, где это необходимо, эффективно достигая желаемых уровней освещенности и равномерности. При меньшем значении общей светимости, светодиодные светильники могут обеспечить высокий уровень освещенности на близлежащих поверхностях (например, внутренние приложения, используя встраиваемые светильники, направленные вниз или в задачах освещения), или низкий уровень освещенности на более отдаленных поверхностях (например, для ночного освещения дорог и открытых пространств ). В качестве примера, на рисунке 1 показано, как светодиодные светильники могут достичь более высокой эффективности в условиях направленного применения (например, светильники, направленные вниз), чем традиционные источники. Для обеспечения максимальной эффективности использования энергии и качества освещения, важно оценить каждый светильник на предмет конкретного уровня освещенности и равномерности с учетом требований каждого приложения.

Качество цветопередачи

Для получения белого света, большинство имеющихся в настоящее время светодиодных светильников используют синие светодиоды с люминофором, или реже - различные сочетания красного, зеленого и синего (RGB) светодиодов. Белые светодиоды доступны в широком диапазоне коррелированных цветовых температур (CCT), что обеспечивает возможность создания светодиодных светильников для интеграции или замены многих традиционных источников света. Например, стандарт ANSI C78.377-2008 определяет восемь значений CCT, приемлемых для светодиодных изделий, начиная с 2700 (по аналогии с лампами накаливания) до 6500 (по аналогии с лампами дневного света). Стандарт ANSI также устанавливает D_uv хроматические диаграммы цветности и допуски для установки относительной "белизны" для каждого номинального CCT.³ Как показано на рисунке 2, часть протестированных CALiPER сменных светодиодных ламп с допустимыми значениями ССТ, имели значения D_uv, которые превысили допуски ANSI и были не совсем белыми (например, зеленоватые, голубоватые, и т.д.) по внешнему виду.

Люминофорные светодиоды обычно дают индекс цветопередачи (CRI) выше, чем системы RGB светодиодов и сравнимый или даже выше, чем традиционные источники света. Тем не менее, было установлено, что существующие CRI метрики плохо предсказывают приемлемость для пользователя системы RGB, которая может обеспечить хорошую субъективную цветопередачу, несмотря на низкие значения CRI.

Люминофорные светодиоды с более высоким ССТ, как правило, имеют более высокую эффективность, чем светодиоды с низким ССТ, и некоторые производители в рекламе подчеркивают значение высокой ССТ для своих светодиодов. При оценке светодиодных светильников и сменных ламп, убедитесь, что данные о производительности соответствуют правильным ССТ для вашего приложения. Помните также, что продукты с аналогичными ССТ и CRI могут заметно отличаться по качеству цвета, и что внешний вид светильника цвет и распределение цвета по диаграмме направленности следует оценивать в воочию, если это возможно.

Рисунок 2. Цветовые характеристики сменных всенаправленных светодиодных ламп (показано ромбами ) изображено в сравнении с характеристиками цветности ANSI (диаграммы цветности ANSI C78.377-2008). Источник данных: CALIPER

¹ На основе обзора графической относительного потока-против-температурные данные для люминофорных светодиодов, в том числе Cree XLamp ©, Philips Lumileds LUXEON Rebel © и К2, и Nichia POWER LED продукции.

² U.S. Department of Energy's (DOE), Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting (CALiPER) - Министерство энергетики США, Оценка и отчеты о светодиодных коммерчески доступных продуктах.

³ LED продуктов, отвечающих спецификации CCT белый свет, но выходящие за рамки допусков Duv могут появиться цветные (например, зеленый, желтый, фиолетовый).

Термины

Эффективность источника света - световой поток, излучаемый источником света, деленный на номинальную мощность источника света (не включая драйвер), выраженный в люменах на ватт (лм / Вт).

Температура перехода (Tj) - температура в пределах светодиода. Прямое измерение Tj непрактично, но может быть рассчитана на основе известной температуры корпуса или платы состава и теплового сопротивления материалов.

Эффективность светильника - световой поток, излучаемый светильником, деленный на общую потребляемую мощность, с учетом потребления драйвера, выраженный в люмен на ватт (лм/Вт).

Реперы Duv - для измеренных координат цветности источника (нанесенных на диаграмму CIE 1976 (u', ν')) - максимально допустимое расстояние от линии излучения планковского черного тела. Это расстояние указывается для каждой номинальной CCT, определенной в ANSI C78.377-2008, и связано с относительной "видимой белизной" источника света.

---

По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод - Ланской А.О., декабрь 2011

Назад к каталогу статей >>>