Was ist die theoretische Grenze von Lumen/Watt für Beleuchtungssysteme?

Heutzutage sehen wir LEDs mit 300 Lumen pro Watt Lichtausbeute.

Vielleicht im Labor. Im Moment sind im Handel erhältliche weiße LEDs etwa 200 lm/w. 400 lm/w ist die praktische obere theoretische Grenze. US DOE schätzt über 250 lm/w bis 2025.

Kommerzielle blaue LEDs haben eine Effizienz von bis zu etwa 80 % (Cree XP-3G und OSRAM Oslon SSL).
Weiße LEDs verwenden blaue LEDs, die mit einem gelben Leuchtstoff bedeckt sind.
Theoretisch könnten Leuchtstoffe eine Wirksamkeit von mehr als 100 % erzielen.

Wenn die Kosten für die Herstellung einer UV-LED drastisch sinken, könnte die Effizienz in die Höhe schnellen. Es wurde über LEDs berichtet, die nahe 400 nm mit bemerkenswert hoher Effizienz emittieren (Morita et al., 2004)

Was ist das theoretische Dach, das wir in ferner Zukunft erreichen würden?

1 Photon pro Elektron ist die ideale Quanteneffizienz von Eins.

Intern, Extraktion, extern und Leistung sind die vier grundlegenden LED-Effizienzen.

Intern: Anzahl der von der aktiven Region emittierten Photonen pro Elektron, das die Bandlücke überquert. Material- und temperaturabhängig

Extraktion: Photonen, die von der aktiven Region emittiert werden und aus dem LED-Chip entweichen. Wenn alle vom aktiven Bereich emittierten Photonen auch in den freien Raum emittiert werden, ist die Extraktionseffizienz eins.

Extern: das Verhältnis der Anzahl der emittierten nützlichen Lichtteilchen zur Anzahl der Elektronen, die die Bandlücke überqueren.

Energieeffizienz ist die "Wandstecker" -Effizienz. Die Anzahl der pro verbrauchtem Watt emittierten Photonen.

Wenn die Technologie das theoretische Maximum von einem Photon pro Elektron erreicht, basiert die theoretische lm/w-Effizienz ausschließlich auf der spektralen Leistung.

Es gibt drei gängige Maßeinheiten für den LED-Lichtstrom. Leuchtend (Lumen), radiometrisch (Watt) und Quanten (Anzahl der Photonen, SI-Einheit = Mol).

Das sichtbare Spektrum liegt zwischen 380 nm (770 THz) und 770 nm (390 THz).
Ein violettes Photon mit 380 nm trägt die stärkste radiometrische Leistung.
Sie erhalten die meisten Lumen aus einem Watt von 555 nm (540 THz) grünen Photonen.

602.214.085.700.000.000 Elektronen in 1 Watt.
624.200.000.000.000.000 Photonen in 1 µMole.
was 1,036508469 µmol/w ergibt

Umwandlung von Photonenenergie in Photonenfluss

Ein Photon hat ein Energiequant Ep, das definiert ist durch:

Ep= h•f 

wobei h = Plancks Konstante 6,63 x 10^-34, und

f = Frequency = c/λ
where c = speed of light = 299,800,000 m/s and <br>
λ = wavelength in meters<br>

Deshalb

Ep = h•(c/λ)

Die Anzahl der Photonen , Np, kann berechnet werden durch

Np = E/Ep
   = E•((λ•10^-9)/h•c)     
   = E [W/m2]•λ•10^-9[m]•/ (1.988•10^-25) 
   = E•λ•5.03•10^15 [1/(m²•s)]   (with Irradiance[W/m²])  

HINWEIS: Obiges λ ist in nm

Der Photonenfluss kann bestimmt werden durch:

Ef = Np/NA 

wobei NA = Avogadro-Zahl 6.022•10^23 / mol)

ergibt zusammen die Gleichung zur Umrechnung der Bestrahlungsstärke [W/m2] in den Quantenfluss [µE]:

Ef = Np/NA = (E•λ•5.03•1015[1/(m2•s)])/(6.02•1017[1/µmol])
   = E•λ•0.836•10-2 [µmol/(m2•s)]

1 µMole von 555 nm Photonen = 0,2234 Watt
Photopische Lichtausbeute bei 555 nm = 147,2

147,2 x 1,036508469 µmol/w = 152,574 lm
152,574 lm / 0,2234 w = 683 lm/w

VERWEISE:

Light Emitting Diodes , 2. Auflage, E. Fred Schubert

Candela (cd): Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Quelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 THz Hertz (555 nm) aussendet und die in dieser Richtung eine Strahlungsstärke von 1/683 Watt pro Steradiant hat.
Quelle Das internationale System der Maßeinheiten

Candela-zu-Lumen-Rechner
Photopische Lichtausbeute, relative Empfindlichkeitskurve für die CIE-Standardbeobachter- Bestrahlungsstärke-Umrechnungsfaktoren

Es hängt davon ab, welches Lichtspektrum Sie möchten. Unsere Augen reagieren am empfindlichsten auf grünes Licht bei 555 nm, sodass eine perfekt effiziente Lichtquelle, die nur diese Farbe emittiert, 683 lm/W erreichen würde. Wenn Sie andere Farben einbeziehen möchten (z. B. um weißes Licht zu erhalten), benötigen Sie mehr Leistung für die gleiche scheinbare Helligkeit. Wikipedia hat eine großartige Zusammenfassung unter https://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy . Je nachdem, wie tageslichtähnlich das Erscheinungsbild aussehen soll, liegt die theoretische maximale Effizienz zwischen 251 und 348 lm/W.

1 cd = 1/683 W/sr = 4π/683 W/Kugel = 4π lm ⇒ 1 W = 683 lm dann beträgt die maximale, theoretische Effizienz 683 lm/W.

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