Что такое коэффициент полезного действия светильника

02.06.2017

Автор: ViLED

Согласно определению которое дано в ГОСТ (55392-2012). Коэффициент полезного действия – это величина, определяемая отношением светового потока ОП к суммарному световому потоку установленных в нем ИС.

Не секрет, что отражатели в светильнике возвращают не 100% падающего на них света, а рассеиватели пропускают не весь световой поток. При чем, все это усугубляется с течением времени. В результате лампы без светильника имеют значительно более высокий световой поток, чем у собранного прибора.

Итак, разделив световой поток собранного светильника на суммарный световой поток ламп мы получим КПД светильника.

Все вышесказанное имеет отношение только к светильникам с заменяемыми лампами, но теперь перейдем к светодиодным.

О них можно прочесть в примечании о КПД в том же ГОСТе

“Характеристику, имеется ввиду кпд, НЕ применяют для ОП, у которых оптическая система и ИС, представляют собой единое целое, например лампы-светильника, неразборного ОП со светодиодами.”

Нельзя отделять световой поток светодиодов от светового потока светильника с рассеивателем. В таком случае как же определить эффективность этого самого неразборного ОП со светодиодами.

Ответ прост – использовать величину светоотдачи.

Мы о ней уже говорили, но тем не менее, световая отдача ОП – это величина, определяемая отношением светового потока ОП к потребляемой им электрической мощности. А вот тут как раз нужное нам примечание:

“Характеристику применяют, как правило, для ОП у которых оптическая система и источник света представляет собой единое целое, например лампы светильника, неразборного ОП со светодиодами.”

Госты гостами, но все же интересно, какой вклад вносят те или иные компоненты в конечную эффективность.

Светодиодная плата питается через блок питания, он же драйвер. На его работу тратится порядка 10, 20% поступающей энергии.

Это означает, что светильник мощностью 100 Вт, отдает на светодиоды около 85 Вт, 15 Ватт теряются в самом драйвере.

Кстати, чем мощнее блок питания, тем эффективнее он работает.

Далее энергия идет к светодиодам. Именно выбор правильного режима работы светодиодов определяет их эффективность. Какой он должен быть, смотрите в предыдущих роликах.

(Если питать светодиод на 30% его максимальной мощности, то у него будет очень высокая светоотдача, но для высокого светового потока светодиодов потребуется больше.)

Наверно стоит рассказать про световой поток указанный на упаковке со светодиодами. Зачастую этот поток указывается производителем для температуры кристалла 25 градусов.

Измерение производится следующим образом: подается короткий импульс тока, и в этот момент фиксируется значение светового потока. Температура кристалла при этом не успевает вырасти.

Этот процесс вы видели в ролике о производстве светодиодов Оптоган.

При реальной эксплуатации, в процессе работы, температура кристалла может достигать 80 и более градусов. Хочу подчеркнуть, температура именно кристалла, а не корпуса светодиода. А с каждым десятком градусов, свыше 25, светоотдача падает на 2,5 – 3 %. Перейдем к рассеивателям и линзам.

В зависимости от типа они могут задерживать от 5 до 50% светового потока. Меньше всего задерживает стекло. Это значит что задерживаемая энергия выделится в виде тепла на самой оптике, тем самым нагревая ее.

Подведя итог попробуем собрать общую картину эффективности начиная от светодиода и заканчивая собранным светильником.

Для примера возьмем светодиоды с заявленной светоотдачей 160 лм/Вт.

При температуре кристалла в 70 градусов она упадает на 11,3% и составит 142 лм/Вт.

Подключив плату со светодиодами к источнику питания с КПД 87%, она снизится до 123,5 лм/Вт.

А поместив всю электронику в корпус и закрыв рассеивателем мы потеряем еще 10% светового потока. В итоге из 160 лм/Вт мы получим светоотдачу светильника около 111,2 лм/Вт.

Проследив всю цепочку снижения светоотдачи от значения на упаковке до реального устройства, попробуйте ответить на вопрос: насколько важна информация которая указанная на упаковке со светодиодами, если известна светоотдача готового устройства?

Она вообще не нужна, ни по ГОСТу ни по здравому смыслу.

Главное, чтобы это была именно светоотдача готового устройства на свой температурный режим работы, без всяких звездочек и оговорок.

При использовании светодиодов в качестве основного источника света возникает вопрос — какая мощность светильников для этого необходима. Чтобы на него ответить, нужно знать от чего зависит КПД светодиодов.

КПД светодиодного элемента

В идеальном светодиоде с КПД 100% каждый поступивший электрон излучает фотон света. Такая эффективность недостижима. В реальных устройствах она оценивается по соотношению светового потока к подведённой (потребляемой) мощности.

На этот показатель влияет несколько факторов:

• Эффективность излучения. Это количество фотонов, излучаемых на p-n переходе. Падение напряжения на нём составляет 1,5-3В. При дальнейшем повышении напряжения питания, оно не растёт, а увеличивается ток через прибор и яркость света. В отличие от лампы накаливания, она имеет линейную зависимость от протекающего тока только до определённой величины. При дальнейшем повышении тока дополнительная электрическая мощность расходуется только на нагрев, что ведёт к падению КПД.
• Оптический выход. Все выделенные фотоны должны излучаться в окружающее пространство. Именно это является главным сдерживающим фактором для увеличения КПД светодиодов.
• Некоторые светодиоды для лучшей передачи цвета покрываются слоем люминофора. В этом случае на КПД устройства дополнительно влияет эффективность преобразования света.

График зависимости светового потока от тока, проходящего через светодиод

В начале XXI века нормой считался КПД 4%, а сейчас поставлен рекорд в 60%, что в 10 раз больше, чем у лампы накаливания.

«Средний по больнице» КПД для топовых производителей типа Philips или Cree колеблется 35-45%. Точные параметры можно увидеть в даташите конкретной модели. КПД для бюджетных китайских светодиодов — это всегда рулетка с разбросом 10-45%.

Но это теоретические показатели, на которые мы повлиять не можем. На практике ключевую роль играют ток, подаваемый на диод и температурный режим. Прекрасную работу проделал пользователь ютуба под ником berimor76, показав на практике зависимость светового потока от подаваемого тока и температуры. Смотрим видео.

КПД источника питания

Кроме КПД самих светодиодов, на энергоэффективность светодиодных ламп и светильников оказывает влияние источник питания. Они есть двух типов:

• Блок питания. Подаёт на светодиоды постоянное, заранее заданное напряжение, независимо от потребляемого тока.
• Драйвер. Обеспечивает постоянное значение тока. Напряжение при этом значения не имеет.

Блок питания

Блок питания подаёт на светодиод напряжение, превышающее необходимое для открытия p-n перехода. Но сопротивление открытого диода очень мало. Поэтому для ограничения тока последовательно с источником света устанавливается резистор. Мощность, выделяющаяся на нём, полностью превращается в тепло, что понижает КПД светодиодного светильника. Например, в led-ленте потери составляют около 25%.

Более совершенным и экономичным устройством является электронный драйвер.

Драйвер

Драйвер для питания светодиодов обеспечивает их током постоянной величины. Диоды подключаются к устройству последовательно в количестве, которое зависит от рабочего напряжения светодиодов и максимального напряжения устройства.

Схема подключения светодиодов с током 300мА к драйверу

В светодиодных лампах вместо драйвера используется токоограничивающий конденсатор. При прохождении через него электрического тока выделяется так называемая реактивная мощность. Она не превращается в тепло, но электросчётчик её всё равно учитывает. КПД такого «драйвера» зависит от количества диодов, включённых последовательно с ним.

Схема светодиодной лампы с драйвером

Электронный драйвер устанавливается в светильниках большой мощности или в переносных устройствах, где экономия электроэнергии или ёмкости батарей важнее цены за устройство.

КПД светильника

При организации освещения, в том числе светодиодного, имеет значение КПД форм-фактора светильника. Это соотношение всего света, выходящего из светильника к световому потоку, излучаемому самой лампой.

Любая конструкция светильника, даже сделанная из зеркал или прозрачного стекла, поглощает свет. Идеальный вариант без потерь — это патрон с лампочкой, подвешенный на проводах.

Но это редкий случай, когда идеальный не значит лучший. Световой поток от лампочки на проводе направлен во все стороны, а не только в нужную. Конечно, свет, попавший на потолок или стены отражается от них, но далеко не весь, особенно под открытым небом или в комнате с тёмными обоями.

Эффективность светильников разной формы

Этим же недостатком обладает светодиодная лампа с разносторонним расположением элементов («кукуруза») или с матовым рассеиванием. В последнем случае рассеиватель дополнительно поглощает свет.

В отличие от таких светильников, led-лампа с односторонним расположением диодов направляет свет в одну сторону. КПД светильника с такой лампой близка к 100%. Освещённость, создаваемая ею выше, чем у другой, с таким же световым потоком, но направленным в разные стороны.

Направление светового потока светодиодов

Это связано с конструктивными особенностями светодиодов — в отличие от ламп накаливания и люминесцентных (энергосберегающих), имеющих круговую направленность излучения, они излучают свет в диапазоне 90-120 градусов. Теми же свойствами обладают светодиодные ленты и прожектора, излучающие свет только в одном направлении.

Таким образом, максимальный световой поток на ватт мощности излучают светодиоды в прожекторах со встроенным электронным драйвером.

В природе существует множество электромагнитных волн с различными параметрами: рентгеновские лучи, γ-лучи, микроволновое излучение и др. (см. рис. 1). Природа всех электромагнитных волн одинакова, отличаются они лишь длиной волны (или частотой). Из всего этого многообразия человеческий глаз воспринимает только узкий интервал волн в диапазонеот 380нм до 780 нм, вызывающий зрительные ощущения. Электромагнитное излучение, сосредоточенное в этом диапазоне, называется светом. Благодаря свету мы способны получать информацию об окружающем нас мире посредством зрения.

Рис. 1 Многообразие электромагнитных волн

Чувствительность глаза к излучениюна разных длинах волн видимого диапазона неодинакова и характеризуется так называемой кривой относительной спектральной световой эффективности излучениия (см. рис. 2).

Рис. 2. Кривая относительной спектральной световой эффективности излучения

Максимум кривой лежит в жёлто-зелёной области спектра и приходитсяна длину волны 555 нм. Это значит, что глаз наиболее чувствителен к излучениюна этой длине волны.
Для оценки количественных и качественных параметров света введена система световых величин и единиц, которая построена на основе кривой относительной спектральной световой эффективности излучения, т. е.по сути, на чувствительности глаза к излучениюна разных длинах волн.
Рассмотрим основные величины этой системы и то, какое значение они имеют в практической светотехнике.
Для начала остановимся на параметрах, относящихся в первую очередь, к источникам света и световым приборам. Это такие величины, как световой поток, сила света и кривая силы света, КПД, световая отдача, цветовая температура, индекс цветопередачи, коэффициент пульсаций светового потока.
Общее количество света, которое излучается источником света, называется световым потоком (измеряется в люменах — лм). Другими словами, это мощность излучения в видимом диапазоне, оцениваемая по его воздействию на глаз.
На практике источники света используются в составе осветительного прибора (светильника). При этом на выходеиз светильника световой поток оказывается ниже, чем у самостоятельного источника света. Причина тому — потери в оптической системе светильника. Поэтому говорят о коэффициенте полезного действия — КПД, который показывает отношение светового потока светильника к световому потоку источника света. КПД является важнейшим показателем эффективности оптической системы светильника.
На практике световой поток является одним из основных параметров, и производители источников света обязательно приводят его в своих каталогах и информационных материалах. Однако потребителю зачастую важнее знать поток системы «световой прибор + источник света», но здесь ситуация с указанием этого параметра не так однозначна. Следует различать два направления развития осветительной техники: традиционные ламповые приборы и светодиодные. Для традиционных светильников световой поток не приводится, поскольку такой подход является некорректным. Это связано с тем, что лампа в такомсветильнике — сменный элемент, и не является его частью. В одноми том же светильнике могут быть применены лампы, имеющие разный световой поток. Это приводит к тому, что световой поток светильника может различаться в зависимостиот того, какая лампа в нём применяется. Поэтому производители традиционных светильников в каталогах приводят КПД (см. рис. 3). Зная поток лампы и КПД, не трудно определить поток светильника.

Рис. 3 Технические параметры традиционных приборов уличного освещения на примере данных, приведённых в каталоге светильников GALAD

В светодиодных приборах светодиоды интегрируются в конструкциюна стадии производства и являютсяих бессменной частью, поэтому ничто не мешает приводить в информационных материалах световой поток светильника (см. рис. 4).

Рис. 4 Технические параметры светодиодных приборов уличного освещения на примере данных, приведённых в каталоге светильников GALAD

Интересная ситуация сложилась на рынке относительно КПД светодиодных светильников. Он условно принимается равным 100%, хотя по сути это не так. Поскольку некоторая доля света светодиодов в любом случае теряется: при прохождении через защитное стекло, на вторичной оптике, могут быть и другие факторы, определяемые конструктивными особенностями прибора. Если производитель настаивает на том, что КПД его светильников на самом деле близок к 100%, следует насторожиться, ведь в большинстве случаев это не так.
В свете вышесказанного возникает резонный вопрос, если КПД светильников всегда меньше 100%, то зачем вообще нужен световой прибор? Почему быне использовать источники света самостоятельно, получая при этом больше света? Дело в том, что одной из главных функцией осветительного прибора является перераспределение светового потока от источника света в пространстве. Распределение светового потока в пространстве характеризуется кривой силы света — КСС. Говоря бытовым языком, кривая силы света показывает, в каком направлении свет более интенсивный, а в каком — менее интенсивный. А понятиесилы света можно объяснить как поток в заданном направлении. Сила света измеряется в канделах — кд. Строго говоря, распределение потока в пространстве определяется 3-мерным фотометрическим телом, а КСС — это сечение фотометрического тела определённой плоскостью (см. рис. 5).

Рис. 5. Вид фотометрического тела и КСС, характерный для светильников дорожного освещения

Свет лампы распространяется во все стороны более-менее равномерно, а в большинстве задач необходимо, чтобы свет падал на конкретную плоскость. Тот свет, который не попадаетна эту плоскость, оказывается бесполезным. Поэтому для максимальной концентрации света в нужном месте необходимо специальное светораспределение, которое обеспечивается благодаря отражателю светового прибора. Например, для дорожного освещения максимально эффективно работает тип КСС, представленный на рис. выше. В случае светодиодных светильников ситуация похожая, только свет перераспределяется за счёт вторичной оптики (см. рис. 6).
Таким образом, получается выгоднее применять источник света в составе светильника, теряя световой поток, но получая более эффективное его распределение. КСС светильника — одна из его основных характеристик, которая зачастую определяет целесообразность применения прибора для освещения данного типа объектов.

Рис. 6. Формирование КСС на примере ламповых и светодиодных светильников уличного освещения

Для оценки целесообразности применения того или иного светильника не менее важно знать, насколько эффективно расходуется электроэнергия при его работе. В светотехнике есть параметр, который называется световая отдача. Это отношение светового потока к потребляемой мощности, т. е. другими словами, сколько люмен получается с 1Вт затрачиваемой электроэнергии. Данный параметр имеет непосредственное отношение к источникам света, ведь сам процесс преобразования электроэнергии в свет происходит именно в источнике. Светильник такой функции не несёт, поэтому применение этого термина к светильникудо некоторых пор считалось некорректным. Однако на практике потребителю важно сравнивать, насколько один светильник эффективнее другого в плане потребления электроэнергии. Поэтому в последнее время на практике прижилось понятие «световая отдача светильника».
Светильники и источники света конкурируют не толькопо показателям количества света, но и по его качеству. Объективными показателями качества света являются: индекс цветопередачи, цветовая температура и коэффициент пульсации светового потока.
Индекс цветопередачи (Ra или CRI) показывает, насколько источник света хорошо передаёт цвета объектов по сравнениюс эталонными источниками света. За эталонный источник света принимается, например, солнечный свет. Наш глаз видит объекты, потому что отраженный от них свет попадает к намв глаза. Поэтому и восприятие этих объектов зависит от их освещения (см. рис. 7). Невооруженным глазом можно заметить, что при освещении предметов разными типами ламп, передача цвета будет существенно отличаться. Максимальное значение Ra для эталонных источников света принимается равным 100.
Цветовая температура (измеряется в Кельвинах, К), в практическом смысле означает оттенок белого света, который излучает источник. Цветовая температура 2500 — 3500К соответствует тёплому оттенку белого света, 3500 —4500К — нейтральному оттенку, 4500 — 6000 К — холодному.

Рис. 7. Освещение объекта разными типами источников света

Коэффициент пульсации светового потока показывает, насколько сильно будет заметно мерцание лампы светильника. У газоразрядных источников света, работающих с электромагнитными ПРА, величина светового потока меняется с удвоенной частотой силы тока. В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц, следовательно, световой поток ламп пульсирует с частотой 100 раз в секунду (см. рис. 8). Электронный ПРА обеспечивает работу ламп на более высоких частотах, и максимально снижает коэффициент пульсации. Светодиоды тоже могут иметь пульсации потока, что определяется параметрами их блока питания. Глаз не воспринимает такое мерцание, но оно может влиять на утомляемостьне только глаз, но и всего организма человека.

Рис. 8. Пульсация светового потока разрядных ламп, работающих с электромагнитным ПРА

Указанные параметры качества света наиболее важно учитывать во внутреннем освещении. Например, для офисов и торговых залов в СП52.13330.2011 регламентируется значение Ra не менее 80. Для улиц и дорог этот показатель не задаётся, поскольку не является значимым. Всё дело в том, что в офисахи на улице происходит абсолютно разная зрительная работа. В офисах необходимо хорошо различать мелкие детали и цвета объектов, и для этого важно качество света. На улицах достаточно различать крупные объекты, чтобы ориентироваться в пространстве, и для этого высокое качество света не требуется. К примеру, на улицах распространено освещение светильниками с натриевыми лампами высокого давления, индекс цветопередачи которых Ra = 20, и объективно этого вполне достаточно (см. рис. 9).

Рис. 9. Освещение автомагистрали, выполненное на основе светильников с натриевыми лампами высокого давления GALAD ЖКУ15 Сириус. Натриевые лампы высокого давления дают белый свет характерного оранжевого оттенка с Ra = 20

Рассмотрим другие светотехнические понятия, которые применимы к освещаемым поверхностям. К ним относятся: освещённость, яркость, равномерность распределения яркости и освещённости.
Освещённость — это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Единица измерения — люкс (лк). По сути, освещённость характеризует количество света на поверхности.
Для понимания, какое значение освещённости является высоким, а какое — низким, можно привести следующие характерные примеры:
 — освещённость от полной Луны на поверхности Земли зимой на широте Москвы не превышает 0,5 лк;
 — прямая освещённость от Солнцав летний день на широте Москвы может достигать более 10 000 лк;
 — нормируемая освещённость на рабочем столе в офисе — 400 — 500 лк;
 — нормируемая освещённость на дорогах — 6 — 30 лк.
Яркость поверхности. Далее не приводится физическое определение яркости, а лишь ненаучным языком объясняется суть этого параметра. Количество света на поверхности определяется освещённостью. Однако, глаз видит предмет не за счёт упавшего, а счёт отражённого от него света. Свет, упавший на поверхность, может отражаться по-разному: во-первых, может отражаться сильнее или слабее, что зависит от свойств материала, а во-вторых, он может отразиться в разных направлениях с разной интенсивностью. Поэтому введено понятие яркости, которая представляет собой количество света, попавшего в глаз наблюдателя с единицы площади освещённой поверхности. Глаз человека реагирует именно на яркость. Единицы измерения — кд/м2. В тех случаях, когда материал предмета отражает свет неравномерно в разных направлениях, яркость зависит от направления взгляда на предмет. В таких случаях освещённость и яркостьне связаны прямой зависимостью. Если взять лист обычной матовой бумаги, то подкаким бы углом мы на негоне смотрели, он кажется одинаково светлым, поскольку яркость его по всем направлениям одинакова. Но еслимы возьмём полированную металлическую поверхность, у которой практически весь падающий свет отражается в одну сторону, то заметим, что при её рассмотрении с разных углов меняется её яркость (см. рис. 10).

Рис. 10. Пример объектов, обладающих разными отражающими свойствами. Слева — яркость предмета не зависитот направления взгляда на предмет, справа — яркость предмета зависит от направления взгляда

В российских нормах освещения объектов основной регламентируемой величиной является освещённость рабочей поверхности внутри и вне помещений. Хотя глаз, как было отмечено, реагирует не на освещённость, а на яркость, нормируется именно освещённость, т. к. она значительно проще рассчитывается и измеряется. Однако в основу нормирования дорожного освещения положена яркость. Это связано с тем, что для современных дорожных покрытий яркость в значительной степени зависит от угла падения, и прямой зависимости между яркостью и освещённостью нет, что не позволяет осуществлять нормирование по освещённости.
Также в нормах ограничивается слепящее действие, которая создаёт осветительная установка, т. е. зрительное неудобство, возникающее при наличии в поле зрения ярких источников. Это характеристика качества освещения. Для общественных зданий для этих целей вводится показатель дискомфорта M, в промышленности — показатель ослеплённости P, в дорог — пороговый коэффициент приращения яркости TI. Слепящее действие осветительной установки может не только причинять дискомфортные ощущения, но и снижать контраст объекта с фоном, снижая видимость объектов.
Слепящее действие осветительной установки зависит от многих факторов, среди которых основными являются: расположение светильников относительно линии зрения и их тип. То, насколько сильное слепящее действие будет оказывать светильник, во многом определяется его конструкти?