Wie effizient sind LEDs?

Um die Dinge klarzustellen, lassen Sie uns definieren, wovon wir sprechen.

Es gibt zwei Begriffe, die ziemlich oft verwechselt werden:

• Lichteffizienz:

Die Lichtausbeute ist eine dimensionslose Größe, die von der Lichtausbeute abgeleitet wird. Sie ist einfach der Quotient aus Lichtausbeute der Quelle und maximal möglicher Lichtausbeute der Strahlung.

• Lichtausbeute:

Dies ist der Wert, den Sie häufiger sehen. Sie hat üblicherweise die Einheit Lumen pro Watt. Und gibt den Lichtstrom pro Leistung an, was eine nützliche Größe ist, um zu sehen, wie viel Licht wir mit einer bestimmten Leistung erhalten.

Auch hier müssen wir etwas aufpassen. Denn die Leistung kann der Strahlungsfluss der Quelle oder die elektrische Leistung sein. Ersteres kann also als Strahlungslichtausbeute und letzteres als Lichtausbeute einer Quelle oder Gesamtlichtausbeute bezeichnet werden.

Nun stellt sich das Problem, dass wir nicht alle Farben gleich gut sehen können. Und Lumen werden tatsächlich basierend auf der Reaktion unseres Auges gewichtet:

_{^{Gemeinfrei, Link}}

Damit können Sie einige Werte von Obergrenzen erstellen (basierend auf der Neudefinition der Einheit Candela ). Das wäre die Lichtausbeute der Strahlung .

Welche sind:

• Grünes Licht bei 555 nm: 683 lm/W
• Maximum für CRI=95 bei 5800 K: 310 lm/W (basierend auf abgeschnittenen Schwarzkörperstrahlern)
• Maximum für CRI=95 bei 2800 K: 370 lm/W

Weitere Informationen finden Sie hier .

Wenn Sie den Farbwiedergabeindex (CRI) senken, können Sie höhere Werte erzielen. Aber nicht höher als 683 lm/W.

Wie effizient sind LEDs?

Hier haben wir Werte der Lichtausbeute einer Quelle .

Nun, es gibt ein Rennen der Effizienz. Cree veröffentlichte eine Pressemitteilung mit einer Labor-LED von 303 lm/W bei 5150K. Der CRI wurde nicht erwähnt, ich denke, er ist niedriger als 95, aber basierend auf den obigen Daten scheint es, als hätte er eine Lichtausbeute von etwa 80% bis 90%.

Natürlich hat Ihre durchschnittlich verfügbare LED weniger. 100 lm/W wären etwa 25 % bis 30 % und die kürzlich angekündigten neuen 200 lm/W-Chips (Stand August 2017) erreichen 50 % bis 60 %.

Beachten Sie, dass das Obige für das photopische Sehen (Tagsehen) gilt, die Dinge ändern sich mit dem skotopischen Sehen, aber das ist normalerweise nicht so interessant.

Wenn Sie wirklich auf den Grund gehen wollen, müssen Sie das Spektrum der LED nehmen und herausfinden, was das höchste theoretische Maximum für dieses Spektrum ist (basierend auf der Gewichtungskurve), und dann können Sie den Wert berechnen.

Da jede einzelne LED ein anderes Spektrum hat, ist es schwierig, diese Daten einfach zu erhalten.

_{^{Ich hoffe, ich habe mich hier nicht vertan, denn ich finde das Thema immer etwas verwirrend, egal wie oft ich es wieder aufgreife.}}

Wie in den Kommentaren angemerkt, kommt es darauf an.

Ältere LEDs haben oft einen geringeren Wirkungsgrad als neuere Typen.

Einige Leuchtmittel verfügen über eine effizientere Elektronik, um die Netzspannung in die für die LEDs benötigte Gleichspannung umzuwandeln.

Aber für eine bestimmte LED-Glühbirne könnte man abschätzen, wie oft die Menge an Strom, die eine Glühlampe (mit ähnlicher Lichtleistung) benötigt, auf der Verpackung aufgedruckt ist. Laut Wikipedia liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad einer Glühlampe bei 2,2 %.

Nehmen wir als Beispiel die Ikea „LEDARE“ E-27 600 Lumen Glühbirne:

Äquivalente Leistung für Glühlampe: 48 W Tatsächlich verbrauchte Leistung: 8,6 W

Das heißt, diese Glühbirne behauptet, 48 / 8,6 = 5,6 zu sein

mal effizienter als eine Glühbirne, was zu Folgendem führen würde:

5,6 * 2,2 % = 12,3 % Wirkungsgrad.

Für diese Ledare-Lampe von Ikea.

Beachten Sie, dass dies die Gesamteffizienz ist , also die Effizienz der Elektronik multipliziert mit der Effizienz der LEDs selbst.

Richtige LED-Treiberelektronik sollte einen Wirkungsgrad von 85 - 99 % haben (das ist meine persönliche Schätzung!). Der tatsächliche Wirkungsgrad der LEDs wird also etwas höher sein als die gerade berechneten 12,3 %.

Vorausgesetzt natürlich, alle von Ikea angegebenen Zahlen stimmen.

Sie benötigen 1/683 W Leistung, um 1 Lumen Licht zu erzeugen. Das bedeutet, dass der Wirkungsgrad bei etwa 12 % liegt. So läuft es:

Nehmen wir zunächst einmal an, wir hätten ein Licht, das in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt. Per Definition ist 1 Candela 1/683 W (550 nm monochromatisches Licht). 1 Candela strahlt auf 1 Steradiantwinkel, was 1/4π (8 %) der gesamten Kugeloberfläche entspricht. Sie benötigen also 4π/683W, um 1 Candela in alle Richtungen zu erzeugen, und der Gesamtlichtstrom beträgt 4π = 12,6 lm.

Welche Leistung entspricht 1 lm? Sie erhalten es, indem Sie 4π/683W durch 4π teilen und das Endergebnis ist (4π/683W) / 4π = 1/683W. Im Wesentlichen benötigen Sie 1/683 W Leistung, um 1 Lumen Lichtstrom zu erzeugen (1/4π = 0,08 Candela für alle 1 Steradiantwinkel).

Unter Verwendung der obigen Abbildung benötigen Sie 900 mal 1/683 W = 1,32 W, um 900 Lumen Lichtstrom zu erzeugen.

Meine echte Glühbirne, die ich in einem örtlichen Geschäft gekauft habe, gibt 900 lm und 11 W elektrische Leistung an. Ich gehe davon aus, dass es in alle Richtungen gleichmäßig Licht abstrahlt. Unter Verwendung der vorherigen Zahlen beträgt der elektrische Wirkungsgrad der Glühlampe 1,32 W / 11 W = 0,12, was einem Wirkungsgrad von 12 % entspricht.

Die Frage bezog sich nicht auf eine „leuchtende“ Größe, sondern auf eine „strahlende“ Größe, die konkret „in Bezug auf elektrische Energie in zu optischer Energie aus“ lautete.

Für diejenigen, die es falsch zu verstehen scheinen, wird eine „leuchtende“ Größe bestimmt, indem eine Gewichtungsfunktion auf eine „strahlende“ Größe angewendet wird. Wikipedia hat eine Seite, die die "Leuchteffizienzfunktion" / "Leuchtkraftfunktion" beschreibt.

Die Strahlungseffizienz einer lichtemittierenden Diode hängt von dem Anteil der Träger ab, die in den aktiven Bereich injiziert werden, dem Anteil der spontanen Rekombinationen, die strahlend sind, und der Extraktionseffizienz der erzeugten Photonen. Die Extraktionseffizienz kann insbesondere von internen Reflexionen an der Oberfläche der LED abhängig sein. Darüber hinaus weisen LEDs auf Phosphorbasis auch einen "Stokes-Shift"-Verlust auf, der sich auf den Unterschied zwischen den Bandmaxima der Absorptions- und Emissionsspektren bezieht, typischerweise von Blau nach Gelb.

Überraschenderweise ergab eine Websuche fast nichts in der Art von Forschung, die über die Strahlungseffizienz von LEDs berichtete. Es gibt hier jedoch eine sehr allgemeine Aussage - https://www.dial.de/en-GB/projects/efficiency-of-leds-the-highest-luminous-efficacy-of-a-white-led - die das behauptet "Sehr effiziente LEDs erreichen derzeit Werte zwischen 40 % und 50 %." Es gibt dort auch ein Diagramm, das die Spektren von Glüh-, Leuchtstoff- und LED-Beleuchtung vergleicht.

Es kann auch nützlich sein, hier zu lesen – „Sicherer LED-Betriebsstrom“ https://electronics.stackexchange.com/q/380033 – wo der Benutzer „Missverstanden“ vorschlägt, dass „mindestens 20 % der Wattleistung Strahlungswatt“ sind.

Also, um konkret zu antworten, aber nur als grobe Schätzung, die Strahlungseffizienz einer LED liegt wahrscheinlich zwischen 20 % und 40 %. Und dann erzeugen 60 % bis 80 % der Eingangsleistung Wärme. Diese Zahlen sollten zumindest ungefähre Betriebstemperatur- und Kühlkörperberechnungen ermöglichen.