nabbla (nabbla1) wrote,
nabbla
nabbla1

Category:

Как правильно читать описания светодиодов

Есть замечательный светодиод Cree XM-L. На сайте производителя и в интернет-магазинах про него говорится следующее:

а) световой поток до 1000 лм при потребляемой мощности 10 Вт,
б) эффективность 160 лм/Вт,
в) доступные цвета: холодный белый, нейтральный белый, теплый белый
г) прочие данные: ток до 3 ампер, напряжение около 3 вольт, сопротивление кристалл-подложка 2.5 К/Вт, допустимая температура кристалла до 150 градусов и пр.

Так оно и есть - с некоторыми оговорками. А именно:
1. все показатели эффективности относятся к холодному белому светодиоду, для нейтрального белого световой поток и эффективность надо умножить на 0.9, для теплого белого на 0.8. Это для оценки на глаз, как более точно посчитать - см ниже.
2. световой поток действительно "до 1000 лм". При производстве светодиодов получается некоторый технологический разброс, как по яркости, так и по цвету. Их сортируют по разным категориям (бинам) и так продают. Есть группа T5 - светодиоды, дающие 260..280 лм при токе 0.7А и 20оС, а есть T6 - 280..300 лм. 1000 лм мы получим только в одном случае - если купим группу T6, а потом из нее отберем самые лучшие образцы со световым потоком ровно 300лм на токе 0.7А. Затем каким-то непостижимым образом мы будем поддерживать температуру кристалла на отметке 20 градусов при токе 3А - вот тогда он даст 1000лм. В реальной ситуации, когда покупаем T5 (а их купить значительно проще), ставим на теплоотвод конечных размеров с тепловым сопротивлением 6 К/Вт (неплохой показатель), то световой поток составит 740 лм.
Надо сказать, сейчас производителей обязали указывать характеристики светодиодов при температуре кристалла 85оС, они ближе к истине.
3. Пункты а) и б) как будто бы противоречат друг другу. Поделив 1000лм на 10 Вт, получим 100лм/Вт, а не 160. Дело в том, что эта рекордная эффективность достигается лишь на малых токах, тех самых 0.7А, при комнатной температуре кристалла и для лучших из лучших образцов данной модели. Особенно плохо дело обстоит, если мы хотим использовать теплые белые светодиоды и гонять их на максимальных режимах. В такой ситуации можно рассчитывать примерно на 560лм.

Надо сказать, что при описании новых моделей производители ведут себя скромнее, но это выражается в том, что готовых данных по максимальному световому потоку, эффективности и пр. вообще днем с огнем не сыщешь! В даташите (техническом описании) есть все необходимые данные, чтобы определить, как светодиод будет вести себя в конкретном приложении, но сделать это не так-то просто, как может показаться.

Сейчас расскажу, как это делается.

1. Номинальный к.п.д светодиода. В описаниях светодиодов редко упоминается к.п.д, все чаще световая эффективность, выражаемая в люменах на ватт. Оно и правильно, ведь человеческий глаз воспринимает именно люмены. К.п.д нам нужно знать для тепловых расчетов - когда он приближается к 50%, мы больше не имеем права считать, что вся поданная мощность преобразуется в тепло. Да и просто интересно же!

В datasheet'е приведено значение светового потока Фnom для заданного тока Inom, в случае XM-L это 700мА. Также указано падение напряжения Unom и температура кристалла Tnom, при которой это все измерено. Помножив напряжение на ток, мы получаем полную мощность Pnom. Чтобы узнать полезную мощность, необходимо также взять спектр излучения светодиода f(λ). Он тоже обязательно приведен:

Спектр нормирован по максимуму, нам же он нужен в абсолютных единицах Вт/нм. Световой поток равен

где A-неизвестный множитель, V-функция видности, выражающая чувствительность человеческого глаза к свету разных длин волн. Поскольку световой поток задан, можно определить неизвестный множитель, и мощность излучения будет равна

К.п.д ηnom будет отношением мощности излучения к полной мощности. Ниже приведем минимальные и максимальные к.п.д для светодиодов Cree XM-L:

Цвет Минимум (худший из T5) Максимум (лучший из T6)
Холодный белый 38% 44%
Нейтральный белый 36% 42%
Теплый белый 30% 37%


Заметим, этот к.п.д справедлив только для заданного тока и температуры.

2. Характеристики при заданном токе (I), температуре окружающего воздуха (Tвозд) и тепловом сопротивлении подложка-воздух (Rп-в).

Итак, мы привинчиваем светодиод к теплоотводу и подключаем к источнику постоянного тока I - а по-другому их запитывать крайне не рекомендуется!

Вольт-амперная характеристика для номинальной температуры кристалла задана:

Для наших целей удобнее представить ее в виде V(I), ведь ток уже задан.

Зависимость светового потока от силы тока при номинальной температуре Фотн(I):


От температуры кристалла зависит и вольт-амперная характеристика (при повышении температуры на 1 градус напряжение снижается примерно на 3мВ), и интенсивность излучения (0.22% на градус). Обе эти величины есть в описании. Первая называется Temperature coefficient of voltage (а мы назовем ее kнапр), вторая приведена в виде графика RELATIVE FLUX VS. JUNCTION TEMPERATURE:

График представляет собой прямую линию, поэтому можно обойтись одним коэффициентом kэфф=-0.0022.

Наконец, задано тепловое сопротивление кристалл-подложка Rк-п=2.5К/Вт.

Температура кристалла определяется выделяемой мощностью, а она равна разности полной мощности и излучаемой. Получаем нелинейное уравнение, которое легко решается численно в несколько итераций, хватает 2-3.
В качестве нулевого приближения примем, что температура кристалла равна температуре воздуха (T0=Tном). Далее начинаем с i=1:

Находим напряжение на светодиоде при заданном токе:
Vi=V(I)+kнапр(Ti-1-Tном)

Далее находим полную мощность:
Piполн=Vi*I

Световой поток составит
Фinomотн(I)*(1+kэфф*(Ti-1-Tnom)),
а излучаемая мощность:
Piизл=(Фinom)*pnomnom
В тепло преобразуется все остальное:
Piтепл=Piполн-Piизл
Температура кристалла должна тогда равняться:
Ti=Tвозд+(Rк-п+Rп-в)*Piтепл

После первой итерации из-за поднявшейся температуры несколько упадет эффективность, поэтому увеличится мощность, выделяемая в виде тепла - это приведет к дальнейшему повышению температуры, но процесс очень быстро сходится, иначе и быть не может, ведь иначе светодиоду кранты!

Вот в целом и все - остальное дело техники. Разумеется, вручную это все считать - замучаешься, я написал программу с романтическим названием led_luminance_vs_power, про которую напишу следующим постом.

В нее я ввел еще три "пряника". Первый из них - можно задать количество светодиодов n, которое может быть и дробным. Сделано это, чтобы сравнивать светодиоды разного "калибра". Скажем, есть XT-E на 4Вт за 100 рублей, а есть MT-G2 на 20Вт за 600. Если их характеристики изобразить на одном графике, то последний будет заведомо лидировать, всегда при данной мощности давая больший световой поток. Но если первых набрать 6 штук, они второго "завалят" начисто!

Второй - я добавил еще передачу тепла излучением, в предположении, что светодиод закреплен на достаточно толстой черной для ИК пластине, которая отдает тепло путем конвекции и излучения. Это было сделано для конкретной цели - попытаться расчитать "спот" - светодиодную замену галогеновой лампочки. Она вставлена в гнездо сверху, которое может быть и глухим (какой-нибудь изыск из гипса с очень плохой теплопроводностью), единственный способ отводить тепло - сбрасывать его вниз. Конвекция работает из рук вон плохо, поскольку нагретый воздух никуда уходить с потолка не намерен! Вся надежда на излучение, вот и хотелось посчитать поточнее. Про это тоже напишу, но не так скоро.

Ну и третий - "экономическое обоснование". Указывается стоимость кВт*ч электричества, а для каждого светодиода - его цена и срок службы в тыс. часов. После этого можно найти, в каком режиме гонять светодиоды наиболее эффективно. Оказывается, что это примерно половинный ток. Если больше - светодиод слишком много жрет, а если меньше - то слишком велики начальные вложения.

По теории все, в следующем посте представлю программу, а через один - что же из этого получается.
Tags: led_luminance_vs_power, маньяк-эколог, моделирование, освещение
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Нахождение двух самых отдалённых точек

    Пока компьютер долго и упорно мучал симуляцию, я пытался написать на ассемблере алгоритм захвата на ближней дистанции. А сейчас на этом коде можно…

  • Слишком общительный счётчик

    Вчера я чуть поторопился отсинтезировать проект,параметры не поменял: RomWidth = 8 вместо 7, RamWidth = 9 вместо 8, и ещё EnableByteAccess=1, чтобы…

  • Балансируем конвейер QuatCore

    В пятницу у нас всё замечательно сработало на симуляции, первые 16 миллисекунд полёт нормальный. А вот прошить весь проект на ПЛИС и попробовать "в…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 30 comments

Recent Posts from This Journal

  • Нахождение двух самых отдалённых точек

    Пока компьютер долго и упорно мучал симуляцию, я пытался написать на ассемблере алгоритм захвата на ближней дистанции. А сейчас на этом коде можно…

  • Слишком общительный счётчик

    Вчера я чуть поторопился отсинтезировать проект,параметры не поменял: RomWidth = 8 вместо 7, RamWidth = 9 вместо 8, и ещё EnableByteAccess=1, чтобы…

  • Балансируем конвейер QuatCore

    В пятницу у нас всё замечательно сработало на симуляции, первые 16 миллисекунд полёт нормальный. А вот прошить весь проект на ПЛИС и попробовать "в…