Wie werden LEDs als effizient angesehen?

Ich fand Schaltungen mit LEDs immer schwer zu verstehen, bitte nehmen Sie mich mit. Ich weiß, dass die meisten Leute es leicht finden, aber ich bin durch sie verwirrt, so dass einige meiner Annahmen möglicherweise nicht richtig sind. Korrigieren Sie mich bitte, wenn dies der Fall ist.

Also auf die Frage: Da LEDs immerhin Dioden sind, wirken sie im Wesentlichen als Leiter mit Durchlassspannung, oder? Aus diesem Grund benötigen wir einen Pulldown-Widerstand, um den Strom zu regulieren, der durch den Stromkreis fließt.

Angenommen, wir haben eine LED mit einer Vf von 2 V und einem Betriebsstrom von 20 mA. (Ich denke, diese Zahlen sind vernünftig, oder? Wenn nicht, lassen Sie es mich bitte wissen.) Und unsere Stromversorgung ist eine konstante 4V. Dies bedeutet, dass der Widerstand 20 mA bei 2 V ziehen muss, sodass es sich um einen 100-Ω-Widerstand handelt, der 40 mW durchläuft. Das ist ein winziger Stromverbrauch, aber die Hälfte des zugeführten Stroms wird durch Wärme verschwendet. Ist in diesem Fall der beste Wirkungsgrad nicht 50%? Was in Bezug auf Gleichstromversorgungen nicht wirklich effizient ist, hätte ich gedacht.

Wenn man sich also auf die hohe Effizienz von LEDs bezieht, bezieht man sich dann auf die Tatsache, dass die LEDs selbst die von ihnen verbrauchte Energie effizient in Licht umwandeln, oder wird sie auch nach Berücksichtigung der maximalen Wandsteckereffizienz von 50% als effizient angesehen?

Oder habe ich nur ein Beispiel angegeben, das ein schreckliches Schaltungsdesign ist, das in Produktionsanwendungen niemals zu finden wäre?

Sie scheinen verwirrt zu sein zwischen der Effizienz der LED und der Effizienz der Schaltung, die die LED ansteuert.

In Bezug auf die Lichtleistung pro Energieeinheit, die von der LED verbraucht wird, sind sie eine effiziente Möglichkeit, Licht zu erzeugen. In absoluten Zahlen sind sie nicht großartig, sie sind in dieser Hinsicht jedoch um 10% ^[1] effizienter, was immer noch weitaus besser ist als die ~ 1-2% einer herkömmlichen Glühbirne.

Aber was ist mit der Energie, die im Widerstand verschwendet wird? Ein Vorwiderstand ist die einfachste Möglichkeit, eine LED anzusteuern. Dies ist bei weitem nicht die einzige Möglichkeit.

Selbst wenn wir an einem Widerstand festhalten, was passiert, wenn wir 20 Ihrer 2V-LEDs in Reihe schalten und mit 45V versorgen? Jetzt verwenden Sie 45 * 0,02 = 900 mW, von denen 800 mW in die LEDs fließen und nur 100 mW (11%) vom Vorwiderstand verbraucht werden.

Wir können es aber noch effizienter machen. Der Grund für den Widerstand liegt darin, dass die LEDs einen konstanten Strom benötigen und die meisten elektronischen Komponenten so ausgelegt sind, dass sie eine konstante Spannung liefern. Der einfachste Weg, um von einem zum anderen zu konvertieren (unter der Annahme einer konstanten Last), besteht darin, einen Vorwiderstand einzuschalten.

Sie können Konstantstromversorgungen erhalten. Wenn Sie eine davon verwenden, um Ihre LED anzusteuern, kann der Widerstand beseitigt werden und Sie können einen Wirkungsgrad von weit über 90% Ihrer gesamten Systemleistung in die LEDs stecken.

Für ein Heimprojekt oder eine einfache Anzeige eines Signals ist ein Widerstand viel billiger und einfacher, aber wenn Sie viele LEDs ansteuern, ist es die logische Wahl, ein bisschen mehr zu zahlen, eine etwas komplexere Schaltung zu haben und eine dedizierte Konstante zu verwenden aktueller LED-Treiber-IC.

1. Wie in den Kommentaren erwähnt, sind 10% ein guter Ausgangspunkt für die derzeitige Haushaltsbeleuchtung und wahrscheinlich auch für billige Standard-LEDs, die ältere Verfahren verwenden. Neuere einfarbige Teile können einen deutlich höheren Wirkungsgrad erzielen.

Die Effizienz einer LED bezieht sich darauf, wie effizient die LED ist. Dies hat nichts damit zu tun, wie effizient die Ansteuerschaltung ist oder nicht.

In vielen Fällen spielt der Gesamtwirkungsgrad der LEDs keine große Rolle. Wenn die LED nur als Anzeige verwendet wird, ist sie in erster Linie stromsparend. Eine typische grüne LED fällt mit 2,1 V ab und ist hell genug für die Anzeige bei 20 mA. Das sind 42 mW Leistung, die in die LED fließen. Selbst wenn im Stromkreis, der die LED ansteuert, zusätzliche 50 mW verloren gehen, ist der Gesamtstromverbrauch in vielen Fällen nicht relevant.

Bei einigen Anwendungen mit geringem Stromverbrauch können 100 mW die Hauptleistung sein. In solchen Fällen wird in der Schaltung außer dem billigen und einfachen Vorwiderstand mehr Sorgfalt auf eine handliche Versorgung verwendet. Verschiedene Tricks beinhalten die Verwendung einer LED mit höherem Wirkungsgrad und niedrigerem Strom, die Verwendung einer Versorgung, die nur wenig über der LED-Spannung liegt, die Anpassung der Benutzerschnittstelle, so dass ein zeitweiliges Blinken oder anderweitiges Ausschalten der LED akzeptabel ist, und a Hocheffiziente Konstantstromversorgung zur Ansteuerung der LED.

Effizienz spielt auch bei Hochleistungsanwendungen wie der Beleuchtung eine Rolle. In solchen Fällen wird mehr Aufwand und Produktionskosten in die Elektronik gesteckt, um die zusätzliche Verlustleistung außerhalb der LED zu minimieren. Häufig ist der Hauptgrund für die Maximierung der Effizienz nicht die Verschwendung von Strom, sondern die Nichtbeachtung der durch die Verschwendung von Strom verursachten Wärme.

Die Frage, wie effizient LEDs tatsächlich sind, ist gut, aber die Antwort ist komplexer als erwartet. Die Beleuchtungsfähigkeit wird üblicherweise in "Lumen" ausgedrückt.

Die LED-Effizienz wird normalerweise in Form von entweder ausgedrückt

• Lichtenergieabgabe oder

• Beleuchtungsfähigkeit

pro Energieeinsatz.

Für eine gegebene Lumenleistung wird die Effizienz normalerweise in Lumen pro Watt (l / W) oder in Lichtenergie pro Watt W / W ausgedrückt. Die erste Zahl ist in praktischen Beleuchtungsanwendungen nützlicher, die zweite ist jedoch in Bezug auf die Energieumwandlungseffizienz aussagekräftiger.

Wenn Lumen und Lichtenergie eine feste Beziehung hätten, wäre die Effizienzbestimmung einfach. Was eine gegebene Lumenzahl in Form von "Lichtenergie" darstellt, variiert jedoch mit der spektralen Zusammensetzung des Lichts.

Lumen werden als theoretische Antwortkurve des menschlichen Auges ausgedrückt. Die gleiche Menge an Lichtenergie erzeugt eine unterschiedliche Anzahl von Lumen, wenn die Lichtwellenlänge oder die Mischung von Wellenlängen variiert. Infolgedessen spielen die Wellenlänge oder Wellenlängen der Quelle eine wichtige Rolle für die pro Energieeintrag erzeugten Lumen.

Am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums (nicht ganz UV) ist die Augenempfindlichkeit extrem niedrig, so dass Lumen / Watt niedrig sind - so sehr, dass es üblich ist, die Ausgabe von tiefblauen und "königsblauen" Quellen in Bezug auf zu zitieren mW / W (Lichtenergie pro elektrische Energie). Dies ist sehr nützlich, da eine LED-Familie, die Leuchtstofflose und Leuchtstoff-basierte LEDs umfasst, einige Vergleiche ermöglicht. Beispielsweise erzeugt der "Top Flux Bin" der Cree Royal Blue XT-E-LED bei Betrieb mit Vf = 2,85 V und If = 350 mA 613 mW typisch (600, 613, 625 mW min / typ / max) bei einer Wellenlänge von 465 Nm.
Dies entspricht einem Wirkungsgrad der Umwandlung von Elektrizität in Licht von 60,2% / 61,5% / 62,7% min / typ / max.
Siehe Seite 19 des Cree XT-E-Datenblattes oben rechts in der Tabelle - XTEARY-00-0000- 000000Q01

Die obere weiße Leuchtstoffversion derselben LED erzeugt 180 Lumen bei 25 ° C bei 2,77 V, 350 mA = 970 mW DC in oder 186 Lumen / Watt.

Wäre die Lichtenergie der Royal Blue & White LED gleich, hätte die weiße LED einen Wert von 186 / 61,5% = 302 l / W bei 100% Wirkungsgrad. Die Lichtleistungen sind jedoch nicht (ganz) identisch mit denen der weißen LED. Ein Teil des blauen Lichts des LED-Chips wird direkt verwendet, und der Rest regt den Leuchtstoff (die Leuchtstoffe) mit einem gewissen Verlust an Licht / Licht-Umwandlungseffizienz an.

Wie bereits erwähnt, gibt Wikipedia (richtig) an, dass der maximale theoretische L / W-Wert 683 L / W beträgt.
Wie kann dies mit der Behauptung in Einklang gebracht werden, dass der Wirkungsgrad von 100% weißen LEDs ~ = 300 l / W beträgt - und dass verschiedene Hersteller jetzt weiße LEDs mit Wirkungsgraden> 300 l / W herstellen?

Die Antwort liegt in der nützlichen, aber arkanen (oder arkanen, aber nützlichen) Tatsache, dass die Lumenbewertung mit der Augenreaktion zusammenhängt. Die maximale Augenempfindlichkeit tritt bei einer Wellenlänge von 555 nm auf. Die maximal mögliche Effizienz in l / W ist mit einer monochromatischen Quelle bei 555 nm erreichbar. JEDE andere Quelle, monochromatisch oder mit mehreren Wellenlängen, hat einen niedrigeren theoretisch möglichen L / W-Wert von 100%.

Die "ideale" Weißlichtquelle ist ein Schwarzkörperstrahler bei 5800k, dessen Spektrum auf 400-700 nm abgeschnitten ist und der einen maximalen Wirkungsgrad von 251 l / W hat !!!!

Indem verschiedene Einstellungen vorgenommen werden, um "weißes" Licht beizubehalten, während der Prozentsatz verschiedener Wellenlängen geändert wird, können höhere Weißwirkungsgrade erzielt werden. Ein 2800k schwarzer Körper, der asymmetrisch abgeschnitten ist, um einen CRI von 95 zu erreichen, hat einen theoretischen Wirkungsgrad von maximal 370 l / W.

Aber warte - es gibt noch mehr, aber vielleicht später.
Ich komme zurück und füge Quellen und mehr Details hinzu, aber das Obige zeigt, dass die Antwort schwieriger ist als die Frage, und zeigt, dass die topmodernen LEDs in Energie-pro-Energie-Werten Energieumwandlungswirkungsgrade von> 50% erreichen.

Noch mehr anon - light fades - rootop job winkt ...

Referenzen WIP

https://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy

Analyse der Lichtausbeute von Leuchtdioden mit weißer Leuchtstoffumwandlung

https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode#Efficiency_and_operational_parameters

http://www.hi-led.eu/wp-content/themes/hiled/pdf/led_energy_efficiency.pdf

http://www.philips.com/consumerfiles/newscenter/main/design/resources/pdf/Inside-Innovation-Backgrounder-Lumens-per-Watt.pdf

2014 http://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2014/03/27/leds-will-get-even-more-efficient-cree-passes-300-lumens-per-watt/#258823b870b4

http://www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2014/March/300LPW-LED-barrier

Sinnvoll:

http://boards.straightdope.com/sdmb/showthread.php?t=719499