Для представления характеристик светодиодов не существует единой утвержденной международной системы, по которой строились бы все спецификации, или Datasheets, с помощью которых производители описывают технические параметры своей продукции. Это касается не только светодиодов, но и кристаллов, на основе которых производятся эти светодиоды. Как правило, в основу подавляющего большинства спецификаций ложатся самые важные и показательные физические характеристики, приводимые в единицах системы СИ, однако большинство светотехнических и колориметрических единиц, полученных эмпирически или статистически, приняты МКО на основе субъективного анализа психофизических реакций респондентов и часто не несут в себе истинного физического смысла, хотя и указываются наряду с первыми (индекс цветопередачи, коррелированная цветовая температура, координаты цветности).
К слову сказать, формально силу света и световой поток также можно отнести к виртуальным единицам, сформированным на основе статистической кривой видности V(L) относительно энергетического потока, являющегося самой «физической» из приведенных единиц.
Этот факт является основной проблемой отсутствия единства в системах формирования спецификаций на светодиодную продукцию и порождает множество разногласий при их чтении и сравнении.
Так, например, на основе фотометрических характеристик источников света (светодиодов в данном случае) рассчитывается и формируется комплекс параметров осветительного прибора, определяется его оптическая система, а колориметрические характеристики ложатся в основу цветовых параметров будущего светильника. Поэтому очень важно иметь однозначное понимание параметров всех аналогов, которые могут быть использованы в этом светотехническом устройстве в качестве источника света. Электрические характеристики используются для расчетов вторичного источника питания и способа коммутации излучающих кристаллов или светодиодов в световом приборе. Существует около 70 параметров, использующихся в спецификациях светодиодов, и не специалисту сложно понять и учесть их при разработке светодиодного светильника.
Специалисты компании «Аксиома Электрика» заострили внимание на самых важных показателях.
Все выпускаемые светодиоды абсолютно разные по параметрам и имеют определенный диапазон (по эффективности, цветовой температуре), о этого не дает гарантии, что все параметры в серии будут одинаковы.
Для наглядности удобно рассматривать систему параметров, как это показано на рисунке 1, в виде блок-схемы, где можно проследить как их взаимосвязь, так и положение той или иной группы относительно друг друга. Следует заметить, что предложенная система содержит в основном самые важные и ключевые характеристики, которые можно измерить, рассчитать или косвенно определить реальными измерениями.
Согласно регламенту Международной комиссии по Освещению (МКО), технические параметры светодиодов измерялись в основном импульсным методом (при температуре активной области кристалла Tj = +25 °C), когда исключен нагрев кристалла. И только последние 2 — 3 года измерения стали проводится статическим методом (при температуре активной области кристалла Tj = +85 °C), как раз при рабочих условиях в светильнике (температура активной области кристалла в светильнике может достигать Tj = +85 до 120 °C). При повышения температуры технические параметры и ресурс значительно снижается.
Для примера возьмем график зависимости срока службы светодиодов температуры кристалла при токах 350 мА.
Главной причиной падения светового потока светодиодных источников освещения является перегрев. Такие устройства генерируют тепло, которое нужно правильно отводить. Регулярное превышение температуры всегда приводит к снижению светового потока. При этом кратковременный перегрев не отражается на состоянии и характеристиках светового источника. Снижение показателей вследствие систематического перегрева не означает полную утрату работоспособности светодиодов. Они будут функционировать даже в случае, если их световой поток упадет до минимального уровня. Однако температурный режим становится определяющим фактором в полезном сроке работы светодиодного источника освещения.
Рис. 3
На рисунке 3, приводится температурная зависимость продолжительности полезного периода действия светодиода. На нем мы видим, что всего 11-градусное превышение температуры уменьшает срок службы устройства на тысячи часов и почти на 15 % снижает световой поток уже после 10 тыс. часов функционирования. Поэтому светодиодный источник с некачественным теплоотводом уступает даже традиционным лампам.
В светильнике использую светодиоды при разных токах, от которых зависит срок службы. Большинство производителей пытается снизить стоимость светильников, за счет сокращения количества светодиодов и увеличения подаваемого на них тока, свыше 700 мА. Но это требует более улучшенного теплоотвода, чем от светодиодов, которые используются и пониженных токах.
Рис.4
На рисунке 4, приведена взаимозависимость подаваемого тока, температуры и жизни светодиодов. Мы видим, что после +120 °C перегрев на каждый градус приводит к потере тысяч часов работы устройства.
Еще важным критерием для осветительных приборов является световой поток. Световой поток светодиодов зависит от температуры перехода. В светильнике эта температура гораздо выше, чем отдельно у светодиода или светодиодного модуля. На рисунке 5, показана эта зависимость.
Рис.5
Светодиод, как и любой другой электронный прибор, не обладает значением КПД 100%, а это значит, что часть потребляемой мощности преобразуется в тепло. Современные светодиоды обладают КПД порядка 30…40%, то есть в среднем 60…70% потребляемой мощности преобразуется в тепло.
В готовом светильнике все эти факторы необходимо учесть. Основной вклад в охлаждение вносят теплопроводность и конвекция. Для охлаждения светодиода и драйвера разрабатывает специальный радиатор. Радиатор — это самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе. К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной.
Разобраться с реальными техническими параметрами светодиодных светильников еще сложнее, так в основном многие производители в характеристиках используют параметры светодиодов (световой поток, потребляемая мощность и т.п), а не указывают характеристики светильника с потерями.
Не все производители обладают собственными исследовательскими лабораториями, позволяющие снимать показатели со всей выпускаемой серии. Чаще это тестирование идет выборочно, поштучно и без необходимо измерительного оборудования.
Серийные образцы светильников могут различаться по параметрам светового потока от 10 — 20%, по диапазону цветовой температуры от 700 — 1500 К (по ГОСТ Р 54350 — 2011, разброс не должен превышать ± 276 К), индексу цветопередачи от 10 -15%. Разброс параметров у светильников, может вызвать в последствии серьезные неточности при проектировании систем освещения.
Вывод
На рынке существует большое количество производителей светодиодов. Представлен список компаний — производителей, лидирующих по технологиям в производстве светодиодов. Многие из них являются также мировыми лидерами в производстве кристаллов и люминофора.
Российские компании, производящие светодиоды, в основном их просто корпусируют а не занимаются выращиванием кристаллов. Они покупают кристаллы и люминофор по лицензии у компаний посредниках, не самого высокого качества. Ведущие производители светодиодов не заинтересованы в поставках отдельных комплектующих им гораздо выгоднее продавать готовое изделие. Российские светодиоды получаются по цене стоят одинаково с импортными, но при этом ресурс и эффективность их гораздо ниже.
Простому обывателю сложно разобраться в параметрах светодиодов, так как их существует большое количество.
Есть маломощные, применяемые при низких токах, но обладающие меньшей световой эффективностью.
Есть мощные, применяемые при высоких токах и большей световой эффективностью.
Мощные светодиоды, которые работают при высоких токах требуют при создании светильника радиатор более большей площади, нежели если используются маломощные светодиоды. Также мощные светодиоды требуют драйвера большой мощности, управляющего и защищающие светодиоды.
Маломощные светодиоды требуется большего количество в готовом светильники, так как они менее эффективны по световому потоку.
Производители светильников, в своих изделиях применяют светодиоды разных производителей. Но главное для производителей светильников, создать и обеспечить необходимые (рекомендуемые) условия работы светодиодов в изделии. Необходимо обеспечить необходимый теплоотвод (как ранее было указано, что кпд серийных светодиодов не более 25 -27%, т.е 75 -73% уходит в тепло. Светодиоды управляются током и напряжением и их необходимо защищать от перегрева, для этого используют драйвер. Качество драйвера играет особую роль в светильнике, это то что чаще всего ломается.
Здесь появляется очень много факторов, которых производителю светильников необходимо учесть. Так как можно применять качественные светодиоды, но при этом не обеспечивать необходимые условия работы в готовом изделии, а это приведет к быстрому выходу его из строя. Кроме того, с учетом того, что большинство производителей светильников пытается снизить себестоимость изделия, применяют светодиоды от ведущих производителей, но самого низкого Бина.
Определимся с тем, что мы понимаем под терминами бин, рассмотрим их физический смысл.
Бин (англ. bin — элемент дискретизации) — слово, обозначающее некоторую элементарную единицу, неделимый элемент, частица минимально возможного размера. Для светодиодов бин обозначает диапазон параметра, минимальный для данной системы сортировки по параметрам. Иногда встречается термин rank (англ. rank — располагать в определённом порядке, ранжировать)- имеет тот же смысл, что и бин.
Кит (англ. kit — набор, комплект) — набор из каких-либо составляющих, применительно к светодиодам обозначает набор из бинов.
Наглядно представить что такое бины можно на примерах бина по цвету и бина по световому потоку. Оттенок свечения белого светодиода определяется по диаграмме цветности МКО-31, представленной на рисунке. На диаграмме цветности выделена зона белого цвета, в которую попадают все белые светодиоды. Зона белого цвета делится производителем на участки по оттенкам белого света. Этим участкам присваивается код. Таким образом, бин по цвету — это код некоторой замкнутой непрерывной области на диаграмме цветности.
Возникает резонный вопрос — почему для белых светодиодов нельзя обойтись единственным числовым значением или диапазоном коррелированной цветовой температуры (англ. CCT — correlated color temperature), которая характеризует источники белого света? Ответ прост — значение коррелированной цветовой температуры не несёт в себе информации о том, насколько неидеален этот белый свет, то есть насколько далеко и в каком направлении расположены координаты цветности конкретного источника света от линии абсолютно чёрного тела (англ.BBL — black body line).
Примечание
Для светодиодных светильников берется диапазон цветовых температур, который указан в ГОСТ Р 54350 — 2011.
Световой поток измеряется в люменах — величина одномерная, что упрощает систему бинировки по потоку. Весь диапазон возможных значений светового потока разбит на отрезки небольшой величины, которые обозначены кодом. Например, код Q4 соответствует диапазону значений 100-107лм. У более дешевых светодиодов этот разброс может колебаться в диапазоне, 85 — 107 лм.
Обычно светодиоды сортируются (бинуются) по цвету и световому потоку, некоторые сортируются ещё и по прямому падению напряжения, иногда встречаются производные от этих базовых системы бинировки например, по энергоэффективности, то есть отношению светового потока к потребляемой мощности.
К примеру 2 разных производителя светильников могут применять светодиоды одинакового Бина, но при этом в готовом изделии показатели могут различаться как по эффективности, так и по цветовой температуре.
При массовом производстве очень сложно изготовить светодиод с заранее заданным конкретным бином, поэтому заказ у ведущего производителя светодиодов конкретного бина невозможен, что является не только технологическим и ценовым ограничением, но и связан с малым шагом бинировки. Заказать можно только набор бинов светодиодов — кит. Чем серьезнее производитель светодиодов, тем меньше разброс по параметрам светодиодов.
Заказчику необходимо обращать внимание уже на параметры светодиодного светильника, с учетом всех потерь.
