Небольшие рассуждения и расчёты на светодиодную тему.

Последнее время очень активно стала муссироваться тема светодиодного освещения. И как всегда популярные и модные темы обрастают кучей мифов, рождённых маркетологами и нечистыми на руку продавцами с целью погони за прибылью. Я не стану в этой статье развенчивать мифы и ложь про светодиоды, а просто рассмотрю применение этого преобразователя электрической энергии в световую с позиций велотуриста. Это не обзор рынка светодиодов, и я не буду сравнивать разных производителей кристаллов. Если это кому то интересно, то нужную информацию можно легко найти через поисковики. Просто листая форумы на темы построения и практики использования светодиодных фонарей (например Фонарёвка или Веломания) я всё время вижу как народ выжимает из светодиодов максимум фотонов (хотя есть и вменяемые люди, которые весьма профессионально подходят к делу). Идёт постоянная гонка за люменами. С одной стороны это правильно, ведь любой фонарь и создан для производства этих самых фотонов. И если фонарь нужен для ночной покатушки часа на 2...4, а после его можно дома подзарядить, то "разгон" светодиодов большими токами оправдан. Для велотуриста нет нужды в таком большом количестве люмен, хотя и они не будут лишними. В условиях ограниченного количества энергии большее значение имеет эффективность того или иного источника света. Вот с позиции эффективности я и попытался проанализировать светодиоды. Так как светодиод, как я написал выше, не что иное как преобразователь электрической энергии в световую, то и эффективность данного преобразования вычисляется как количество люменов, произведённое светодиодом при прохождении через него электрического тока определённой мощности. На CandlePowerForums есть ветка, где люди сами измеряют световой поток от светодиода и вычисляют его эффективность. Но одно дело провести какие-либо электротехнические измерения, и совсем другое дело фотометрия. Для неё нужно оборудование совершенно другого класса (и стоимости). Я не силён в английском и весьма приблизительно понимаю, как там ведутся расчёты, но боюсь тот "прибор", что соорудил форумчанин, в лучшем случае имеет огромную погрешность измерения, а в худшем измеряет непонятно что и непонятно как.

Я решил пойти по пути наименьших затрат и просто проанализировать данные из документации на светодиоды. Я уже так делал с аккумуляторами, и методика оцифровки графиков та же самая. Конечно существует определённая доля погрешности при таком методе анализа, и я больше чем уверен, что она немаленькая. Но в оправдание такого подхода хочу заметить следующее: во-первых, светодиоды - это не продукция для широких масс населения (в отличие от аккумуляторов). Это комплектующие для других производств и, следовательно, регламент на техническую документацию здесь более строгий. И во-вторых, анализу подверглись светодиоды одного производителя, поэтому погрешности одинаковые (предположительно) и при сравнении нивелируют друг друга. Этот производитель - Cree, на мой непрофессиональный взгляд самый распространённый в кругах самодельщиков. Про эти светодиоды есть неплохой FAQ, для тех кто не в курсе и только начал осваивать данную тему, а для тех кто вообще не знает что такое светодиод, вот тут неплохо изложено. Так же для сравнения я добавил один светодиод от Seoul Semiconductor, который очень популярен в велосипедном фаростроении.

Итак, наши претенденты: Cree - XR-E, MC-E, XP-C, XP-E, XP-G и SSC P7. Даташиты, которыми я пользовался, можно загрузить с официальных сайтов производителей или единым архивом из моего каталога файлов. Все расчёты построены на результатах обработки трёх графиков: зависимость тока через светодиод от приложенного к нему напряжения, зависимость светового потока от тока через светодиод, и зависимость светового потока от температуры кристалла светодиода. Для начала объединил два первых графика в один и немного подкорректировал величины. Так как подавляющее большинство LED-драйверов являются регуляторами тока, и ток через светодиод - это единственная величина, которая задаётся конечным пользователем этого самого светодиода, то по оси X я оставил значения тока. Значения падения напряжения на светодиоде я заменил на значения рассчитанной электрической мощности в Ваттах (левая шкала, красная линия). На правой шкале отложены значения светового потока в Люменах: две синие линии, тёмная - для самого яркого бина в линейке, светлая - для самого тусклого (некоторые совсем тусклые я не обсчитывал, так как они устарели и купить их - проблема, да и зачем?).

Для MC-E, имеющего в своем составе четыре кристалла, расчёт вёлся на один кристалл. Это связано с тем, что каждый кристалл MC-E имеет независимые от других выводы на корпусе светодиода, в отличие от SSC P7 кристаллы которого соединены параллельно внутри корпуса светодиода, а на корпусе имеются всего два вывода - общий анод и общий катод. Поэтому, если делать какие-то расчёты по диаграмме MC-E, то надо учитывать схему подключения его кристаллов. Если параллельная, то значения по всем шкалам X и Y умножаются на четыре, если последовательное, то умножаются только значения по шкалам Y.

 По-сути отношение правой шкалы Y (Световой поток) к левой (Электрическая мощность) это и есть эффективность светодиода. Для этого я для каждого типа светодиода рассчитал эффективность и построил графики зависимости эффективности от мощности, подводимой к светодиоду. Диаграмма получилась немного пересыщенной кривыми, но если разобраться, то видны очень интересные закономерности. Для всех без исключения типов светодиодов наблюдается снижение эффективности светоотдачи при увеличении подводимой электрической мощности (график с растянутой шкалой X). Причём для светодиода от SSC (чёрная линия) это снижение менее выражено, чем для диодов фирмы Cree. Так же бросается в глаза лидер - диод марки XP-G, на мощностях ниже 1 Вт его самый яркий бин R5 выдаёт больше 170 лм/Вт ("ксенон" - 93 лм/Вт, 40-ваттная люминесцентная лампа - 62 лм/Вт, 100-ваттная лампа накаливания - 15 лм/Вт). Бин Q5 XR-E тоже имеет высокие показатели на низкой мощности, но его кривая зависимости настолько крутая, что при увеличении мощности от 0,15 Вт до 0,5 Вт он теряет треть своей эффективности и скатывается до довольно стандартных для многих светодиодов 100...120 лм/Вт. А использовать светодиод на мощностях менее 0,5 Вт крайне нерентабельно из-за высокой стоимости самих светодиодов и оснастки к ним (габаритный и следовательно тяжёлый корпус, большое количество электроники).

Конечно такие цифры могут вскружить голову: 173 лм/Вт при 1 Вт, 153 лм/Вт при 2 Вт, 138 лм/Вт при 3 Вт и даже на максимальной мощности в 5 Вт эффективность XP-G R5 не ниже 115 лм/Вт. Но на грешную землю нас возвращает третий график, данные которого я ещё не применял в расчётах, а именно - зависимость светового потока от температуры кристалла светодиода. Все выше представленные диаграммы справедливы для температуры кристалла 25 град.С. Но как известно чтобы отвести тепло от кристалла, надо преодолеть несколько термобарьеров. Во-первых, переход кристалл-подложка (указывается в документации на светодиод 3...12 К/Вт). Во-вторых, тепло переходит на алюминиевое основание "звезды" (3,5 К/Вт). В-третьих, тепло через термоинтерфейс (термопаста КПТ-8 0,5 К/Вт) уходит в радиатор (2...30 и более К/Вт), который отдаёт тепло в окружающую среду. В результате температура окружающей среды должна быть ощутимо ниже 25 град.С, что бы температура кристалла не поднималась выше этого значения, а это не всегда возможно. Поэтому световой поток и эффективность светодиода почти всегда будут ниже, чем представленные на графиках выше. Для расчёта и построения кривых зависимости эффективности и светового потока с учётом температуры кристалла я использовал следующие данные:

Тепловое сопротивление радиатора в 5 К/Вт взято чисто субъективно как среднее значение теплового сопротивления радиатора с пассивным охлаждением. Я исходил из того, что 2 К/Вт - это очень хороший радиатор большого размера и площадью около 260 кв.см., например вот такой. Вряд ли большинство фонарей и велофар дотягивают до таких параметров, поэтому я взял за основу расчёт с менее мощным радиатором с площадью охлаждающей поверхности около 115 кв.см. Эти ссылки даны только для сравнения и анализа и с реальными габаритами и параметрами теплопереноса могут не совпадать. Каждый корпус фонаря или фары имеет свои параметры теплового сопротивления и измерение этих параметров - уже совсем другая история, с другим названием. Сейчас же я хотел просто принять какое-то, на мой взгляд, близкое к реальности и общее для всех анализируемых светодиодов значение, и сделать соответствующие расчёты для выявления каких-либо тенденций и закономерностей. Результаты расчётов представлены ниже в виде графиков. Для лидера - XP-G, я рассчитал дополнительные кривые для радиаторов с тепловым сопротивлением 10 и 30 К/Вт. Во всех легендах графиков указано тепловое сопротивление радиатора, а не суммарное кристалл-окружающая среда.

А закономерность выявляется одна: чем выше мощность светодиода, тем больший радиатор ему нужен, что в принципе логично. Как видно из графиков, радиатор с тепловым сопротивлением 5 К/Вт хорош только до мощности 2...3 Вт. Если мощность светодиода выше, то 5 К/Вт для него будет мало и при его использовании мы будем терять в эффективности светоотдачи светодиода и к тому же быстрее вырабатывать его ресурс из-за перегрева кристалла. Так что использовать "разогнанные" светодиодные фонари и велофары в туризме не эффективно - много энергии, которую везёшь, как говориться на себе, будет уходить в тепло. С другой стороны нельзя ориентироваться только на эффективность. 190 лм/Вт - это конечно замечательно, но такую эффективность мы имеем при световом потоке 40...50 лм от одного светодиода XP-G. А это самые яркие из проанализированных мной, то есть для других это число будет меньше. Для освещения палатки этого достаточно, а вот чтобы ехать по просёлочной дороге или искать подходящее место для ночлега этого мало. Можно увеличить световой поток просто подключая нужное количество светодиодов, но тут тоже надо знать меру. Во-первых, светодиоды дороги и большое их количество означает высокую стоимость светового оборудования. Во-вторых, большое количество светодиодов надо где-то поместить, а это влечёт за собой увеличение габаритов корпуса и мы получаем увеличенную эффективность за счёт утяжеления оборудования. Но тяжёлую и очень дорогую фару или фонарь никто не купит, пусть она или он будут хоть сто раз эффективными и двести - экономичными. Получается нужно искать компромисс, между количеством светодиодов, током через них и разумным количеством люменов.