Как влияет диод на энергоэффективность

После написания предыдущей статьи у меня самого остался не до конца решенным вопрос — а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна. Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из статьи iva2000, не проверяя, т. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.

Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.

Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.

— это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К). И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM. Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.

Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.

В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:

Слева направо: холодно-белый, нейтрально белый и тепло-белый.

Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности излучения), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно — с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) — видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет — там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:

Теперь разберемся с красными.

С ними все немного проще, т. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные — 2/3 работы можно было не делать!

И тут мы сразу делаем удивительное открытие — что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых — выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».

Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.

Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте — с драйверами.

Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.

Цветовая маркировка как в предыдущей таблице — чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.

Но это только цена на старте — сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало — нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени — вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!

Оставлено для истории, обновленные данные ниже

Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл, являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками. И по ходу дела исправил два момента — добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность.

Как разобраться в этой вязанке прутьев?

Слева — цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0. 7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т. более 10 лет практически без деградации.

Чем более горизонтально идет линия — тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red — она имеет наименьший наклон.

Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):

Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое — по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.

Вывод остается прежним — покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день — тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!

Часть 1. Обозначение проблемы

Для чего я это делаю? Я просто хочу комфортный свет в квартире (офисе), я не хочу напрягать глаза, рассматривая мелкие предметы, я хочу, чтобы не уставали глаза от долгой работы за экраном. Многие мои знакомые и родственники сказали мне «большое спасибо!» за то, что «открыл глаза» на альтернативные источники света.

Начало исследования

С того момента, когда полностью перешёл на МГЛ дома, а акцентированный свет заменил на люминесцентные линейные лампы 9xx серии и КЛЛ PL-E 8W — у меня резко уменьшилась толерантность к освещению под светодиодами. Я думал, что это только моё восприятие, но нет — жена, знакомые, которые также убрали почти все светодиоды из дома, говорили тоже самое.

Вместе с моим партнёром по данному проекту было проведено исследование в области искусственного освещения. Свою точку зрения он изложил в видео. Таким образом, предлагаем вам к рассмотрению два взгляда на современное освещение.

Было просмотрено довольно много материала, но почти все общедоступные научные исследования базируются на одно и том же:

• группа 50-100 человек и они говорили насколько комфортно в помещении под исследуемым источником света;
• считают колбочки и палочки в отрыве от «программной» обработки данных мозгом;
• не учитывают инсоляцию региона, время года и образ жизни;
• ссылаются на индекс цветопередачи CRI где эталоном являются одновременно лампа накаливания и дневное небо (лампа накаливания слаба в освещении синих тонов, а небо при 7500 К слабо в освещении красных тонов);
• не изучали Эффект Пуркине применимо к светодиодному освещению;
• основаны на спектральной световой эффективности монохроматического излучения — кто решил что остальной спектр не нужен, загадка:»функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.» *справочник светодиодное освещениеВ 1924 году Международная комиссия по освещению (МКО) утвердила этот набор в качестве стандарта, после чего он стал международно признанным и в качестве такового используется вплоть до настоящего времени. В Российской Федерации данный стандарт также является действующим.

Подготовка к исследованию

Собственно возвращаемся к заголовку данной статьи «светодиоды — ослепляющая темнота», это самое полное описание того эффекта, который был обнаружен. Хочу сказать сразу, что это относится только к регионам с низкой инсоляцией и осеннем-зимнем-весенним временем года.

При массовом переходе на светодиоды, в продуктовых магазинах стало сложно отличить немытую зелёную картошку от нормальной. Но понимание того, что не так, пришло именно в метро, где массово начали переходить на светодиодное освещение, а пол и стены облицованы мрамором или гранитом.

Приведу немного измерений, сделанных на «скорую руку» в метро. Я не использовал специализированный люксметр, а ограничился ПО для смартфона Physics Toolbox Sensor Suite, данное ПО на моем смартфоне Xperia 1ii даёт погрешность около 15% в измерении (при сравнении с люксметром Radex Lupin), максимальный уровень яркости 20000лк, но так как для эксперимента важна разница в яркости, а не точность, то данного приложения достаточно.

К большому сожалению, фотокамера видит мир по другому, так что заснять данный эффект не получится. Не забываем про инерционность зрения и адаптацию к освещению, идеальный вариант находиться под источником света не менее 15 минут.

Измерения проводились «с руки», так что не исследуется количество света попадающего на предметы и отражённого от них, но в данном случае это не влияет на результаты. Суть эксперимента доказать, что при одинаковой освещённости <500лк при светодиодном освещении детализация ниже.

Исследование

• Из множества станций была выбрана: Садовая, Сенная площадь и станция Технологический институт.Станция Садовая освещена люминесцентными лампами t5 (цветовая температура 3000k), освещённость в вестибюле составляет ~150лк — смотрим внимательно на мрамор/гранит, текстуры на нем хорошо различимы, видно тонкие прожилки.пример измерения яркости смартфономТеперь переходим на станцию Сенная площадь, от яркого света начинает «резать» глаза (цветовая температура ~4000k), освещённость >360лк — смотрим на пол и стены, контрастный рисунок хорошо различим, но мелкие детали и полутона сливаются, и приходится напрягать зрение, при этом поверхность сильно бликует.Станция Технологический институт (на дату 08.12.2021) — освещена лампами МГЛ (разной степени «усталости»), освещённость ~200лк — очень хорошо видно рисунок и мелкие прожилки на мраморе/граните, детализация выше, чем при освещении люминесцентными лампами.
• Для эксперимента дома вам потребуется лампа накаливания, очень советую использовать низковольтные галогенные лампы, толстая спираль и номинальное напряжение даст более приятный спектр, с большим количеством фиолетового и зелёного в спектре, светодиодные лампы лучше использовать тёплые, также для сравнения можно добавить качественную люминесцентную лампу.Суть эксперимента предельна простая: создать освещённость в 200лк и 800лк, посмотреть, как выглядят под этим светом мелкие предметы и сложные текстуры. Данный эффект будет усиливаться со временем. Данный эксперимент лучше проводить вечером, когда солнце уже сядет за горизонт.

Промежуточный вывод

Для того, чтобы разглядеть мелкие предметы или текстуры поверхности, приходится напрягать зрение или сильно увеличивать яркость освещения светодиодами, что приводит к нежелательным бликам поверхности и напрямую влияет на экономию электроэнергии и энергоэффективность, также сильно возрастает расход витамина A в организме (об этом в следующей статье). И влияет на это фиолетовый, UV-A, ближний инфракрасный. Не забываем про «программную» обработку данных мозгом, видимо края видимого спектра являются неким триггером о том, что солнце в небе.

*1 данная таблица 2010 года

Учитывая, что новые HiCRI светодиоды делают на синем кристалле 460нм, а не 440нм, как ранее — то имеем ещё более «ужатый» видимый спектр. Кто решил что этого «хватит» человеческому зрению — большая загадка. Именно с самого своего начала человек жил под солнечным светом и глаз адаптировался именно к нему.

Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что лампой с самым полным спектром, приближенным к солнечному — является лампа МГЛ.

Почему тёплый свет?

Почему лучше лампы тёплые? В интернете гуляет такой график «комфортности» освещения в зависимости от ЦТ — кривая Круитхофа

Кривая Круитхофа не содержит фактических данных, которые стали основой для её построения, а лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения. В связи с этим, научная ценность кривой неоднозначна.

С него хорошо видно, что если мы хотим «комфортный» холодный свет, то освещённость должна быть >1000лк в помещении, а это уже затратно. Верить в это или нет, вопрос исключительно личного мнения — например, я с ней согласен, только с одним условием — этот график совершенно не подходит для светодиодного освещения.

Что дальше

Фанатам светодиодного освещения, разочарованным данной статьёй, могу лишь только посоветовать SORAA VIVID стоимостью >2000 руб за 470 люмен, в которой исправлена часть проблем светодиодного освещения ценой уменьшения светоотдачи до <50 люмен на ватт, но проблема быстрой деградации люминофора осталась, а тем, кто хочет получить по-настоящему комфортное освещение, предлагаю немного подождать.

Уже скоро —

Дополнительная литература

• *1 Очень рекомендую к прочтению — справочник светодиодное освещение — 2010 Koninklijke Philips Electronics N.V его составляли на заре светодиодного освещения, с того времени мало чего изменилось.
• По желанию можно почитать, но мне понравилась меньше — Элементарная светотехника — 2013 Варфоломеев Л.П.
• Soraa LED — новый проект Сюдзи Накамура, изобретателя синего светодиода. Данный проект направлен на устранение текущих проблем светодиодного освещения, на базе синего кристалла и жёлтого люминофора.

Часть 2. Светодиодное освещение, проблема левой стороны (уже скоро)

Часть 3. Светодиодное освещение, проблема правой стороны (уже скоро)

upd 12. 2021 Как показала длительная эксплуатация и отзывы людей, участвующих в тестировании данных светильников. Лишь некоторая часть плафонов из массмаркета пригодна для использования вместе с лампами МГЛ, хотя это в той или иной степени относится ко всем источникам света. При высоком световом потоке данных ламп, возникают неприятные артефакты. Свет становится неуютным. Особенно хорошо это заметно при использовании молочных плафонов сделанных по технологии химического метода матирования.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

В связи с большим количеством писем по теме #мглдома, будет представлен большой пост с популярными вопросами, ответами и рекомендациями, пока не решил где размещать

Проголосовали 211 пользователей. Воздержались 46 пользователей.

Предисловие

В последнее время был поднят ажиотаж вокруг светодиодных ламп, которые должны заменить собой обычные лампы Ильича. И как поведал главный нанотехнолог России, такие лампы скоро поступят в продажу в Москве и Санкт-Петербурге. Конечно, всё было обставлено с пафосом: первым оценил новинку В. Путин. Мне удалось достать лампочку от «Оптогана» одним из первых, к тому же в руках у меня оказались ещё одна лампочка российского производства («СветаLED» или «SvetaLED»), правда побитая жизнью, но рабочая, и китайский NoName, которую с лёгкостью можно купить на ebay или dealextreme. com. Когда мне в руки попадает хоть какой-либо мало-мальски ценный и интересный предмет (от теней для век до процессора или CD, мне сразу хочется его разобрать и заглянуть внутрь, увидеть, как это всё устроено и работает. Видимо, это и отличает учёных от обывателей. Согласитесь, какой нормальный человек будет разбирать лампочку за 1000 рублей, но что поделать – партия сказала: надо!

Часть теоретическая

Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания, которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные?

Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить – график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах. Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело – промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.

Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.

В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея – это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.

Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (Eg), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.

Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости n и p и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей.

На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду (источник)

Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.

Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).

Схематичное представление устройства светодиода

Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться. Один из путей решения – использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки. Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода (подробнее).

Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой, лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех. А ещё можно почитать эту статью.

Часть методическая

Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000. Здесь можно почитать об устройстве спектрометра. Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.

Спектрометр Ocean Optics – отличный инструмент в умелых руках

Часть практическая

Итак, приступим. В наличии у нас есть шесть лампочек: 3 для полного разбора и ещё 3 для сравнения (так сказать контрольные образцы):
1. Лампочка Ильича
2. Лампочка Ильича М (т. газоразрядная лампа, формой повторяющая привычную лампочку Ильича)
3. Спираль Ильича (обычная газоразрядная лампа)
4. LED-лампа от «Оптогана»
5. LED-лампа от «СветаLED»
6. LED-лампа из Китая NoName

Все лампочки в сборе. Можем начинать!

Спектры

Ничего сверхъестественного тут мы не увидели. Лампочка Ильича безбожно пускает всё электричество в нагрев и цвет её то ли жёлтый, то ли оранжевый. Все ртутные лампы имеют полосатый спектр, который в человеческом глазе, как одновременное включение 3 пикселов (RGB) на экране (синие линии – ~420 нм, зелёные — ~550 нм, оранжевые и красные – всё, что выше 600 нм), преобразуется в белый.

Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, – от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный. Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).

Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.

Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Если кому-то будет интересно, то тут представлено довольно обстоятельное моделирование характеристик светодиодов.

Цена, материалы и характеристики

Китайский NoName

Лампочка из Китая была заказана через dealextreme. com и доставлена в Россию в течение 2 месяцев (сами понимаете, Почта России). Её стоимость около 14$ или примерно 420 рублей, включая доставку. Цветовая температура 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету. Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» — матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена обычной лампе накаливания, если бы цветовая температура была на 1000-2000К ниже указанной.

«Оптоган»

Лампочка была представлена простым смертным на специальной презентации. Дизайн от Артемия Лебедева, благородные материалы корпуса – поликарбонат и алюминий с фирменной символикой «Оптогана». Цветовая температура 3050 К. Очень мягкая и приятная лампа, но цена кусается – 995 рублей за штуку. Кому она нужна за такие деньги?!

Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:

Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!

«СветаLED»

LED-ламы этой фирмы пока ещё не появились на российском рынке, но говорят, что цена будет около 450-500 рублей. Однако ко мне в руки она попала, упакованной в стильную коробочку (видимо, какая-то пилотная партия), на которой значится температура 3500-4500К (это всё равно, что указать, что длина экватора от 35 000 км до 45 000 км). Радиатор запрятан под алюминиевым колпаком (мелочь, а приятно, как будто держишь в руках обычную лампочку Ильича, только немножко «переделанную»), а вокруг алюминиевого диска со смонтированными светодиодными модулями всё обильно замазано термопастой типа КТ-8. Говорят, что «Светлана» каким-то образом относится к военным, которые, видимо, живут по принципу Джейми Хайнемана: «Сомневаешься – смажь!». К примеру, у китайской лампы термопаста нанесена только под самими светодиодными модулями.

Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.

На чипе лампы «Оптогана»
Тег #RusNT поставить надо!
И нам засветит #RusNT
И в сентябре, и в феврале
(с) АП

Небольшой фотоотчёт (видеокамера почему-то отказалась работать) о том, как мы разбирали лампочки:

К гламурному эксперименту надо подходить гламурно! (Хотя все совпадения цветов вымышлены)

Самое главное оружие – молоток, как же без него?!

Честно, я старался, но поликарбонат так и не поддался. Разрушалось всё, стол, линолеум, алюминиевый радиатор, но не поликарбонат, который в последствие был удалён отвёрткой. Но лампочка даже в полуразобранном состоянии продолжала гореть.

Далее пришлось очень долго ковырять драйвер, который залит каким-то полимером. В результате и драйвер, и гордость Оптогана – монолитный светодиодный чип – были извлечены на поверхность.

Драйвер

Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай

Драйвер из китайской NoName LED-лампочки

Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.

Гордость «Оптогана» – драйвер и светоизлучающий модуль – рядом с главным фейлом – цоколем

Светодиоды

Вот мы и дошли до самого лакомого кусочка нашего исследования. В Интернете есть множество публикаций (раз, два, три), где приводится сравнение спектров ламп разных производителей, их потребительских характеристик (дизайн, срок службы и т. ), но сейчас мы опустимся чуть ниже, чтобы стать ближе к самим светоизлучающим элементам ламп. Сразу оговорюсь, что все 3 лампы примерно одной и той же мощности 5-6 Вт (если внимательно посмотреть технические характеристики лампы «Оптогана», то мы обнаружим изображение данного чипа, рассчитанный на 5 Вт, тогда как заявленная мощность лампы 11 Вт) и имеют примерно одинаковую светоизлучающую площадь. Итого мы имеем световой поток на Вт (люмен на Вт): Китай – 70-90, Оптоган – 65, Светлана – 75. Мне кажется, это важно, если уважаемые читатели захотят сравнить лампы между собой!

Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:

Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе – токоподводящие контакты.

Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.

Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый – полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй – небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.

Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току (что-то подобное есть и у «Оптогана»). Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.

SEM-изображения структурированной сапфировой подложки

Чип и контакты, которые его питают

Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, – расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана». Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.

Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом (схему соединения диодов и прочие технические детали можно найти тут).

SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя

Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:

Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя

Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:

Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий

Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:

SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)

А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению – оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)

После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми

Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки

На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.

SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).

Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.

К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах RU и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке, есть сайт собственно самой компании, но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе.

Если кто-то дочитал до этого момента, то сейчас начнётся всё самое интересное. А именно, давайте я просто представлю на Ваш суд данные, которые мне показались интересными:
1. На этом рисунке я попытался привести фотографии с какими-то характерными особенностями диодов от «Светланы» и «Оптогана»:

Внимательно почитайте спецификацию на сайте «Оптогана» и на сайте «Светланы». Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т. – многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!

И, конечно же, выводы

Готов ли быть патриотом и назвать лампу «отечественного» (например, у «Оптогана» чипы производятся в Германии) производства лучшей по совокупности всех факторов?! Пожалуй, что нет. Честно, светодиодная лампа китайского производства меня приятно порадовала: относительная простота схемы питания диодов, простые материалы, удачное размещение светодиодов на подложке. Проблема с цветовой температурой решаема, а вот единственный минус, который меня как покупателя смущает, это долговечность лампочки из Поднебесной.

Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое – сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т. Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v. 0 и v. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде – внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».

Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли – полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т. Спасибо технической документации.

Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста – всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.

Видео раздел

Спасибо большое OSRAM, что подготовил столь подробное видео о том, как производит светодиоды (правда, эта компании делает светодиоды по несколько иной технологии, нежели все нами изученные лампочки):

Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:

А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:

Спектральные характеристики

Если кратко, то:
Свет высшего качества у лампы накаливания (Ra=96). На втором месте традиционная и хорошо отработанная технология — люминисцентные лампы (Ra=82 и 85). На третьем светодиодные лампочки. Среди светодиодных лампочек места распределились ожидаемым образом — на первом месте немецко-российские лампочки Оптоган (Ra=80), на втором и третьем месте китайские лампочки (Ra=70) и российские лампочки Светлана (Ra=68).

Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer. ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex. Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)

Как определяется, примеры светильников

Энергоэффективность светильника – один из самых важных параметров при подборе источников освещения. Он отражает, насколько рационально прибор расходует электроэнергию для получения света. Показатель представляет собой соотношение светового потока в люменах к потребляемой мощности в ваттах. Чем больше значение, тем светильник эффективнее. Поэтому основным критерием выбора часто выступает именно энергоэффективность. Предлагаем изучить вопрос подробнее и сравнить по этому критерию разные виды ламп.

Энергоэффективность разных видов ламп

По-другому энергоэффективность называют светоотдачей и световым КПД. Это хорошо отражает суть параметра, который показывает, какое количество света дает светильник при потреблении единицы мощности. Отсюда единица измерения – лм/Вт. Знание этого параметра важно, поскольку позволяет выбирать более экономичные и эффективные светильники, снижать расходы на электроэнергию и уменьшать нагрузку на электрические сети.

Наименее экономичными считаются лампы накаливания со светоотдачей всего 10-12 лм/Вт и галогенные, обеспечивающие около 20 лм/Вт. Энергоэффективность люминесцентной лампы составляет в среднем 50-150 лм/Вт, газоразрядных натриевых – до 120-160 лм/Вт, светодиодных – до 200 лм/Вт. Лабораторные образцы светодиодов имеют энергоэффективность, достигающую уже 250-300 лм/Вт.

Класс энергоэффективности

По энергоэффективности все лампы делятся на 7 классов, обозначаемых английскими буквами от A до G в порядке уменьшения светоотдачи. Современные энергосберегающие, люминесцентные и светодиодные светильники имеют класс A или B, галогенные – C и D. Самый низкий класс энергоэффективности у ламп накаливания – E, F и G. Почти 80% потребляемой ими энергии идет на выделение тепла, а не света, тогда как в энергоэффективных лампах нагрев практически отсутствует. Именно этим объясняется повсеместная замена ламп накаливания светодиодами.

Для присвоения класса энергоэффективности рассчитывают специальный индекс EEI. Он равен отношению номинальной мощности к расчетной мощности светового потока. Величину индекса сверяют с таблицей и определяют, к какому классу относится светильник.

Класс энергоэффективности светодиодных ламп – A++, самый высокий. Главное – при покупке обращать внимание на то, чтобы была указана светоотдача именно светильника. Многие производители идут на хитрость и отражают энергоэффективность светодиодов, причем наибольшие из возможных значений.

Еще при выборе стоит учесть тип светодиодов: диоды форм-фактора SMD менее эффективны, нежели COB. Не менее важно, чтобы у лампы был качественный матовый или микропризматический рассеиватель. Он помогает избежать эффекта ослепления, который возникает из-за того, что светодиод излучает довольно мощный свет с очень маленькой площадки.

Примеры энергоэффективных светодиодных светильников:

• промышленный светильник LGT-Prom-Mercury-70 – 170 лм/Вт;
• производственный светильник LGT-Prom-Solar-340 – 135 лм/Вт;
• уличный светильник ATR-STREET-ALPs30 – 130 лм/Вт;
• линейный светильник LGT-Prom-AirTube-35 – 125 лм/Вт;
• линейный светильник LGT-Prom-TubeSteel-1000-40-LV – 105 лм/Вт.

Не менее важно, чтобы класс энергоэффективности светильника совпадал с тем же показателем лампы, поскольку это гарантирует стабильную и экономичную работу прибора. Светильник может и не иметь отдельного класса энергоэффективности. Тогда при выборе учитывают только класс лампы.

В заключение

Таким образом, по энергоэффективности выигрывают светодиодные светильники, которые при той же потреблении мощности дают больший световой поток, нежели другие лампы. Еще светодиоды выходят на первое место по качеству света. Он имеет низкий уровень пульсаций и не дает эффекта ослепления, а также обладает высокой цветопередачей, из-за которой свет не искажает реальные цвета предметов. Как долговечные и эффективные светильники светодиодные лампы используют во всех сферах. Они обеспечивают транспортную, пешеходную и производственную безопасность, одновременно помогая рационально расходовать ресурсы и экономить на оплате электроэнергии.