Правда и мифы о светодиодах

Светодиод — это полупроводниковый твердотельный источник света.

Светодиоды делятся по мощности на осветительные и индикаторные. В наших фонарях применяются и те и другие.

Светоотдача или эффективность источника света определяется количеством излученного света (люмен) на 1 ватт «съеденной» мощности. Единица измерения — лм/Вт.

Некоторые производители светодиодов уже превзошли по светоотдаче самые эффективные промышленные источникам света — натриевые лампы. Это те самые лампы желтого цвета, которые сотнями тысяч стоят вдоль дорог. Они обладают светоотдачей до 150 лм/Вт., но при этом не надежны, требуют высокого напряжения и для наших с вами целей непригодны.

Самые эффективные светодиоды гарантированного качества на сегодняшний день серийно выпускает фирма Cree. Она же поставляет на 80% мирового рынка свои чипы-кристаллы другим производителям светодиодов. Новейшие, серийно выпускаемые светодиоды этой фирмы имеют светоотдачу более 180 лм/Вт.

Почти все производители светодиодных фонарей, даже самые известные, сознательно завышают в характеристиках своих фонарей световой поток в погоне за маркетинговыми преимуществами. Многие завышают его в РАЗЫ! Они пользуются тем, что большинство потребителей не имеют возможности измерить световой поток, т.к. прибор для измерения светового потока дорогой и встречается очень редко.

Некоторые производители фонарей для дайвинга заявляют максимальный световой поток, указанный производителем светодиодов. Однако для того, чтобы приблизиться к максимальному значению светового потока светодиода, необходимо поддерживать очень низкую температуру кристалла светодиода — около 25 градусов. Этого можно добиться только охлаждая его (кристалл) жидкостью напрямую. При этом светодиод отдает примерно 115-120% светового потока от номинального значения. В наших фонарях светодиод охлаждается водой через специальный алюминиевый радиатор. При этом температура кристалла составляет около 40-50 градусов и световой поток — 100-110% от номинала. Если же светодиод имеет плохое охлаждение, например, установлен в пластиковый корпус (голову), то он нагревается до 120-150 градусов и отдает не более 80% от номинального светового потока.

Пример: на светодиод Cree XHP50 производитель указал максимальный световой поток в 2656Лм, и это при температуре кристалла 25 град. Если же этот светодиод установлен в пластиковый корпус, то его световой поток будет не более 2100Лм.
В наших фонарях для дайвинга световой поток рассчитан с учетом всех потерь и для сравнения указан максимальный световой поток, заявленный производителем светодиодов.
Приблизительные величины можно просто посчитать:

п.1 Узнаем емкость аккумуляторной батареи.
Для этого смотрим в документации фонаря на ее тип. Средняя канистра (6-8см в диаметре и 20-25см в длину) вмещает до 40Вт*ч никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов или до 70-100Вт*ч литий-ионных.
Для своего фонаря можно узнать это точнее, если есть доступ к элементам. Энергоемкость получите умножив напряжение элемента (1.2 В для NiCd и NiMH; 3.7В для Li-Ion) на его емкость и на количество элементов. Предположим, у Вас в фонаре 8 элементов АА типа NiMH емкостью 2500 mAh (=2.5 А*ч). Тогда энергоемкость батареи будет равна 1.2В х 2.5 Ач х 8 = 24 Вт*ч

п.2 Узнаем мощность потребления фонаря.
Для этого смотрим опять же в документации на заявленное время работы на полной мощности. Допустим, заявленное время — 10 часов. Делим емкость батареи на количество часов работы. Делим 24 Вт*ч на 10 ч, получаем, что фонарь потребляет 2.4 Вт.

п.3 Узнаем среднюю мощность светодиодов.
На преобразование энергии для питания светодиодов обычно теряется около 15%. Умножаем мощность потребления фонаря на 0.85. Если фонарь потребляет 2.4Вт, то его светодиод (ы) — примерно 2.4 х 0.85 = 2.04 Вт.
Мощность каждого светодиода можно узнать, соответственно, разделив общую мощность на их количество. Например, если там 3 светодиода, то мощность одного равна 2.04 / 3 = 0.68 Вт.
Здесь обратите внимание, если мощность одного светодиода получилась неадекавтной (например, вы знаете, что там должны быть трехваттные светодиоды, а получилось 0.68 Вт.), то скорее всего производитель сильно преувеличил время работы на полной мощности. Если же фонарь действительно выдерживает указанное время, то значит не выдерживает заявленную мощность: она существенно падает за этот период. Таким образом, вы подсчитали среднее значение мощности.

п.4 Узнаем световой поток.
Предположим, что в фонаре стоят самые лучшие светодиоды, имеющие светоотдачу в максимальных режимах 150 лм/Вт. Осталось умножить светоотдачу на мощность. Т.е. 150 х 2.04 = 306 люменов (сравните этот световой поток с заявленным от производителя и сделайте выводы). Возможен несколько другой вариант — при полностью заряженных аккумуляторах световой поток будет похож на заявленный, но к концу времени работы он будет в десятки раз меньше и таким фонарем можно будет подсветить разве что приборы.

Внутренний источник питания фонаря должен обеспечивать режим стабильного тока светодиодов в течение всего заявленного времени работы. Только тогда мы получим фонарь, который имеет всегда постоянную яркость.
Фокус в том, что глаз человека подстраивается и не замечает постепенного медленного снижения яркости. Этим эффектом пользуются многие производители, чтобы завысить время работы на максимальной мощности иногда в несколько раз (!!). В реальности же достаточно взять два одинаковых фонаря: один с полностью заряженными аккумуляторами, другой — отработавший заявленное время «на полной мощности» и сравнить их, включив одновременно. Разница нередко впечатляет.

Как правило, световой поток такого фонаря начинает падать уже на половине заряда, а в некоторых случаях и вообще падение начинается сразу. С уменьшением напряжения аккумуляторов, свет становится все слабее. За счет этого время работы значительно растягивается. Про световой поток таких фонарей можно говорить весьма условно. Приведенный выше способ как раз позволяет определить для этого случая некое среднее значение светового потока.

В наших подводных фонарях (технологии) такой режим называется аварийным и включается автоматически при сильном разряде аккумуляторной батареи (более 80%). Это сразу отображает индикатор режимов работы.

Одним из важных требований к подводным фонарям для дайвинга (о компании) является плотность излучения центрального пятна и относительно узкий луч. Высокая световая плотность центрального пятна позволяет минимизировать эффект отражения света в мутной воде и освещать объекты на большем расстоянии. Кроме того, хороший плотный луч в центре позволяет использовать фонарь в качестве средства коммуникации. Однако в луче обязательно должна быть и рассеянная часть (боковая засветка, ореол) для создания «объема».

Малый угол направленности обеспечить сложнее, чем широкий. Эффективность фонаря зависит от качества и точности применяемой оптики. На результат также влияет отношение диаметра линзы (отражателя) к размеру источника света, поскольку сам источник имеет вполне существенные размеры, а не является бесконечно малой точкой (как в идеальной модели оптической системы).

На наш взгляд для подводных фонарей лучше всего подходит оптическая система с зеркальным отражателем.

Какие аккумуляторы нам требуются? Для подводных фонарей на основе светодиодов подходят несколько типов аккумуляторов. Это Li-ion (литий-ионные) и Li-Po (литий-полимерные), Ni-MH (никель-металлгидридные) и NiCd (никель-кадмиевые). NiCd обладают невысокой емкостью и сильно выраженным «эффектом памяти», Ni-MH имеют уже более высокую емкость и менее выраженным «эффект памяти» (однако он есть у всех аккумуляторов такого типа). Самой высокой емкостью обладают Li-ion и Li-Po аккумуляторы, кроме того, у них полностью отсутствует «эффект памяти», т.е. их можно заряжать без ущерба для них, на любой стадии их разряженности, когда вам это необходимо. Однако Li-Ion аккумуляторы существенно дороже, чем Ni-MH.