О светодиодных лампах

Сейчас наверное уже каждый автолюбитель задумывался о том, чтобы установить светодиодные лампы в ближний или дальний свет своего автомобиля. И нередко возникает вопрос - какие светодиодные лампы выбрать, что будет светить дольше и ярче.

В этой статье мы постараемся рассказать вам все о светодиодных лампах в головной свет, сравнить их с ксеноном и галогеном.

Итак, с чего же начать?

А начать надо со школьного курса физики, чтобы четко оперировать цифрами, а не абстрактными понятиями. Отметим, что вся статья основана исключительно на физических основах, точных расчетах и официальных данных/характеристиках производителей светодиодов.

Единицей измерения светового потока источника света является ЛЮМЕН (Лм), который характеризует количество света, испускаемого источником суммарно во всех направлениях. По аналогии это как мощность вашего автомобиля в лошадиных силах. Чем больше, тем лучше.

Следующей характеристикой будет эффективность источника света, то есть то количество люменов, которое световой источник производит на единицу потребляемой мощности, то есть в нашем случае это 1Люмен/1ватт. Чем этот показатель больше, тем лучше.

Эффективность различных источников света мы приведем ниже

Источник светаЭффективность светоотдачи Лм/Вт
Лампа накаливания7-10 Лм/Вт
Галогеновая лампа14-20 Лм/Вт
Галогеновая лампа HOD/HIR22-28 Лм/Вт
Люминисцентная лампа дневного света50-70 Лм/Вт
Газоразрядная металлогалогеновая лампа80-100 Лм/Вт
Натриевая газоразрядная лампа (ДНАТ)100-125 Лм/Вт
Светодиод50-150 Лм/Вт

И вот здесь стоит пристально обратить внимание на то, что максимальная возможная теоретическая эффективность светоотдачи монохромного света составляет 683 Лм/Вт. То есть КПД источника света с эффективностью 140Лм/Вт составляет всего 20%. Да, только лишь 20% электрической энергии преобразуются в световую, а остальные 80% уходят в ТЕПЛО!

Итак, давайте разбираться, какие лампы выбрать для автомобиля? С галогеновыми лампами вопросов нет - они стары как мир, низкая светоотдача, большая потребляемая мощность, сильный нагрев. А вот что лучше - светодиоды или ксенон, сейчас и попробуем детально разобраться.

Для наглядного сравнения возьмем лампу Philips D2S 35W с заявленной светоотдачей 3200 люмен и светодиодную лампу 38W на двух светодиодах Cree XHP50, в которой производитель обещает нам аж 11400 люмен! Ну во первых первый подводный камень - производитель указывает светоотдачу двух ламп, то есть у одной будет в половину меньше - всего 5700 люмен. Казалось бы все понятно и очевидно - светодиоды опять выигрывают у ксенона, но не все так просто. Для этого нам стоит обратиться к даташиту на данные светодиоды. Производитель заявляет нам эффективность в 150 люмен на 1 ватт - умножаем 38Вт*150Лм/Вт и получаем заветные 5700 Люмен. Но это к сожалению лишь в теории. На практике все далеко не так гладко. И вот почему

1. Заявленная эффективность в 150Лм/Вт достигается только на мощности 30% от максимальной. В режиме максимальной мощности эффективность снижается на 15% - итого вместо 5700Лм у нас остается только лишь 4850Лм/вт.

2. Перейдем к следующему параметру - температуре светодиода. Все видели огромные радиаторы с вентиляторами, которые призваны охлаждать светодиоды. Дело все в том, что полупроводники, которым и является светодиод, не переносят высокой температуры. В документации на светодиод указано, что максимальные характеристики светоотдачи сняты при температуре кристалла светодиода в 25 градусов Цельсия. А если посмотреть на цифру с температурой 85 градусов - то там эффективность падает еще на 10%, при 105С - на 15%. Итого у нас остается 4125 люмен.

Температура - очень важный параметр для светодиода.При температуре кристалла свыше 105 градусов он начинает быстро деградировать, а повышение температуры кристалла на каждые 10 градусов снижает срок его службы в 50 раз. Помните, мы сделали акцент на КПД в 20%. Так вот - при потребляемой мощности 38Вт у нас превратиться в тепло 30Вт. С учетом того, что стационарная температура в фаре составляет около 50С, а максимальная температура кристалла 105 градусов, то рассеить 30Вт тепла не такая и простая задача - с этим справляются только лампы с активным охлаждением, т.е. с вентиляторами. Светодиодные лампы без вентиляторов не могут иметь мощность более 20Вт! Такую мощность нельзя рассеить в фаре или подкапотном пространстве при ограничении температуры кристалла на уровне 105С, ведь все это тепло от кристалла надо отвести через сам корпус светодиода, через термопасту (соприкосновение корпуса диода и корпуса лампы), а далее отвести это тепло через небольшой радиатор и корпус фары. В сумме это дает очень большое тепловое сопротивление, и разница температуры между кристаллом светодиода и радиатором запросто может достигать 50С. Для аналогии можно привести компьютерные процессоры, где при мощности 70-80Вт дельта по температуре процессор-окружающая среда смело достигает 30 градусов, при этом сам радиатор и вентилятор в 3-4 раза больше, а площадь поверхности соприкосновения с процессором еще выше!

В общем если у вашей лампы температура корпуса выше 60С - т.е рука не терпит, то стоит задуматься о всем вышеописанном.

3. Вам кажется что на этом мы закончили - не тут то было. Производители делят свои светодиоды по яркости свечения (так называемые бины яркости). Например яркость различных светодиодов в партии при одной световой температуре достигает 20%. Не думаю, что производитель ламп использует самые дорогие и отборные чипы. Вот вам еще минус 10-15% от яркости. Итого уже имеем около 3600 Люмен.

4. А дальше еще интереснее - зависимость светоотдачи от температуры свечения (биновка по температуре). Холодные цвета (6000-7000К) имеют самую высокую светоотдачу, в то время как самые теплые, которые лучше воспринимаются человеческим глазом (2700-3500К) имеют на 30-35% более низкую светоотдачу. В нашем случае, лампы имеют холодный свет 6500К, что соответствует чипам с максимальной светоотдачей, но этот свет значительно хуже воспринимается человеческим глазом. Различные световые температуры достигаются за счет разного состава люминофора в светодиоде.

5. И на закуску - биновка по коэффициенту цветопередачи (CRI) - параметру характеризующему уровень соответствия естественного цвета тела к видимому (кажущемуся) цвету этого тела. Например галогеновые лампы имеют коэффициент цветопередачи 99-100, поэтому мы воспринимаем цвета естественным образом при освещении их лампами накаливания. Коэффициент цветопередачи ксеноновой лампы около 90, глазу уже заметны искажения цветов. В сырую погоду все замечали эффект плохой цветопередачи ксеноновой лампы с высокой цветовой температурой, и, как следствие, высокой утомляемости. Светодиоды также выпускают разными по коэффициенту цветопередачи, значения составляют: до 70, 70, 80, 90 и более 92 (так называемые HI CRI). Чем больше коэффициент цветопередачи, тем ниже светоотдача за счет состава люминофора. Если привести яркость светодиода к коэффициенту цветопередачи 90, как у ксеноновой лампы, то в итоге получим - 3200 люмен. Ровно столько же, сколько дает стандартная ксеноновая лампа. Хорошие производители светодиодных ламп используют чипы с коэффициентом цветопередачи более 85, чтобы лампа могла естественным образом передавать окружающую обстановку, в то время как плохие - гонятся за дешевизной и значениями светового потока. На бумаге все хорошо - а вот в дождливую погоду ничего не увидите.

Итак, к каким выводам можно прийти, сравнивая светодиодные и ксеноновые лампы:

  • По состоянию на 2016 год светодиодная техника и лампы вплотную приблизились к газоразрядным источникам света по реальным значениям светоотдачи (а не в теории, как было раньше)
  • Эффективность светодиодных ламп в реальных условиях составляет не более 100Лм/Вт, и те достигаются у топовых производителей Cree и Philips. Забудьте обо всех маркетинговых 150-200Лм/Вт. Это только в лаборатории на низкой мощности и с криогенным охлаждением, холодного цвета, с низким уровнем цветопередачи и в добавок самый лучший из серии. У китайских и тайваньских чипов этот показатель будет еще ниже - 80Лм/Вт.
  • Для достижения светоотдачи более 2000 люмен на лампу требуется активное охлаждение.