Ich fand Schaltungen mit LEDs immer schwer verständlich, bitte haben Sie etwas Geduld. Ich weiß, dass die meisten Leute es einfach finden, aber ich bin verwirrt von ihnen, so dass einige meiner Annahmen möglicherweise nicht korrekt sind. Bitte korrigieren Sie mich, wenn das der Fall ist.
Also zur Frage: Da LEDs ja Dioden sind, fungieren sie quasi als Leiter mit Durchlassspannung, oder? Aus diesem Grund benötigen wir einen Pulldown-Widerstand, um den Strom zu regulieren, der durch die Schaltung fließt.
Nehmen wir zum Beispiel an, 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. Das bedeutet, dass der Widerstand 20 mA bei 2 V ziehen muss, also wäre es ein 100-Ω-Widerstand, durch den 40 mW gehen. Das ist ein winziger Stromverbrauch, aber die Hälfte der zugeführten Energie wird durch Wärme verschwendet. Beträgt in diesem Fall also nicht die Best-Case-Effizienz 50 %? Was in Bezug auf Gleichstromversorgungen nicht wirklich effizient ist, hätte ich gedacht.
Wenn sich Leute also auf die hohe Effizienz von LEDs beziehen, beziehen sie sich damit auf die Tatsache, dass die LEDs selbst die von ihnen verbrauchte Energie effizient in Licht umwandeln, oder wird sie selbst nach Berücksichtigung der 50 % maximalen Wandsteckdoseneffizienz als effizient angesehen?
Oder habe ich nur ein Beispiel gegeben, das zufällig ein schreckliches Schaltungsdesign ist, das niemals in Produktionsanwendungen zu finden wäre?
Sie scheinen zwischen der Effizienz der LED und der Effizienz der Schaltung zum Ansteuern der LED verwirrt zu sein.
In Bezug auf die Lichtleistung pro von der LED verbrauchter Energieeinheit sind sie eine effiziente Möglichkeit, Licht zu erzeugen. Absolut gesehen sind sie nicht großartig, sie haben in dieser Hinsicht einen Wirkungsgrad von etwa 10 % [1] , aber das ist immer noch weit besser als die ~ 1-2 % einer herkömmlichen Glühlampe.
Aber was ist mit dieser Energieverschwendung im Widerstand. Ein Vorwiderstand ist die einfachste Art, eine LED anzusteuern, aber bei weitem nicht die einzige Möglichkeit.
Auch wenn wir an einem Widerstand festhalten, was wäre, wenn wir 20 Ihrer 2-V-LEDs in Reihe schalten und mit 45 V versorgen würden? Jetzt verwenden Sie 45 * 0,02 = 900 mW, von denen 800 mW in die LEDs gehen und nur 100 mW (11%) vom Vorwiderstand verwendet werden.
Aber wir können es noch effizienter machen, der Grund für den Widerstand ist, dass die LEDs einen konstanten Strom benötigen und die meisten Elektronikgeräte darauf ausgelegt sind, eine konstante Spannung zu liefern. Der einfachste Weg, von einem zum anderen umzuwandeln (unter der Annahme einer konstanten Last), besteht darin, einen Vorwiderstand einzubauen.
Sie können Konstantstrom-Netzteile erhalten. Wenn Sie eine davon verwenden, um Ihre LED anzusteuern, kann der Widerstand eliminiert werden und Sie können eine Effizienz von weit über 90 % Ihrer gesamten Systemleistung erreichen, die in die LEDs fließt.
Für ein Heimprojekt oder eine einfache Anzeige auf einem Signal ist ein Widerstand viel billiger und einfacher, aber wenn Sie viele LEDs ansteuern, ist die logische Wahl, etwas mehr zu bezahlen, eine etwas komplexere Schaltung zu haben und eine dedizierte Konstante zu verwenden aktuellen LED-Treiber-IC.
Die Effizienz einer LED bezieht sich darauf, wie effizient die LED ist. Dies hat nichts damit zu tun, wie effizient die Antriebsschaltung ist oder nicht.
In vielen Fällen ist die Gesamtschaltungseffizienz von LEDs kein großes Problem. Wenn die LED nur als Anzeige verwendet wird, ist sie in erster Linie stromsparend. Eine typische grüne LED fällt um 2,1 V ab und ist bei 20 mA hell genug, um als Anzeige verwendet zu werden. Das sind 42 mW Leistung, die in die LED gehen. Selbst wenn zusätzlich 50 mW in der Ansteuerschaltung der LED verloren gehen, ist die Gesamtleistungsaufnahme in vielen Fällen immer noch unerheblich.
Bei einigen Anwendungen mit geringer Leistung können 100 mW eine große Menge an Leistung sein. In solchen Fällen wird in der Schaltung mehr Sorgfalt als auf den billigen und einfachen Vorwiderstand auf eine praktische Versorgung verwendet. Zu den verschiedenen Tricks gehören die Verwendung einer LED mit höherem Wirkungsgrad und deren Betrieb mit niedrigerem Strom, die Verwendung einer Versorgung, die nur geringfügig über der LED-Spannung liegt, die Anpassung der Benutzeroberfläche, sodass das Blinken oder das zeitweise Ausschalten der LED akzeptabel ist, und a hocheffizientes Konstantstromnetzteil zur Ansteuerung der LED.
Effizienz spielt auch bei Hochleistungsanwendungen wie Beleuchtung eine Rolle. In solchen Fällen wird mehr Aufwand und Produktionskosten in die Elektronik gesteckt, um die zusätzliche Verlustleistung außerhalb der LED zu minimieren. Oft liegt der Hauptgrund für die Maximierung der Effizienz weniger darin, die Energie nicht zu verschwenden, als vielmehr, sich nicht mit der durch die Energieverschwendung verursachten Wärme auseinandersetzen zu müssen.
Die Frage, wie effizient eigentliche LEDs sind, ist gut, aber die Antwort ist komplexer als erwartet. Die Leuchtkraft wird üblicherweise in "Lumen" ausgedrückt.
Die LED-Effizienz wird normalerweise in beiden ausgedrückt
Lichtenergieabgabe bzw
Beleuchtungsfähigkeit
pro Einheit Energieeinsatz.
Bei einer bestimmten Lumenleistung wird die Effizienz normalerweise in Lumen pro Watt (l/W) oder in Lichtenergieleistung pro Watt W/W ausgedrückt. Die erste Zahl ist nützlicher in praktischen Beleuchtungsanwendungen, aber die zweite ist aussagekräftiger in Bezug auf die Energieumwandlungseffizienz.
Wenn Lumen und Lichtenergie eine feste Beziehung hätten, wäre die Effizienzbestimmung einfach. Was jedoch eine bestimmte Lumenzahl in Form von "Lichtenergie" darstellt, variiert mit der spektralen Zusammensetzung des Lichts.
Lumen werden in Bezug auf die theoretische Reaktionskurve des menschlichen Auges ausgedrückt. Die gleiche Menge an Lichtenergie erzeugt eine unterschiedliche Anzahl von Lumen, wenn die Lichtwellenlänge oder die Mischung von Wellenlängen variiert. Folglich spielen die Wellenlänge oder Wellenlängen der Quelle eine wichtige Rolle bei den Lumen, die pro Energiezufuhr erzeugt werden.
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 Leistung 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 phosphorlose und phosphorbasierte LEDs umfasst, einige Vergleiche zulässt. Zum Beispiel erzeugt der „obere Flussbehälter“ der Cree Royal Blue XT-E LED bei Betrieb mit Vf = 2,85 V und If = 350 mA typisch 613 mW (600, 613, 625 mW min/typ/max) bei einer Wellenlänge von 465 Nm.
Das entspricht einer elektrischen Umwandlungseffizienz von 60,2 % / 61,5 % / 62,7 % min/typ/max.
Siehe Seite 19 des Cree XT-E-Datenblatts 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.
Wenn die Lichtenergie der königsblauen und weißen LEDs gleich wäre, hätte die weiße LED einen 100 % l/W-Wert von 186/61,5 % = 302 l/W bei 100 % Effizienz. Die Lichtausgaben sind jedoch nicht (ganz) identisch, da bei der weißen LED ein Teil des blauen Lichts des LED-Chips direkt verwendet wird und der Rest den/die Leuchtstoff(e) mit einem gewissen Verlust an Licht/Licht-Umwandlungseffizienz anregt.
Wie bereits erwähnt, gibt Wikipedia (richtigerweise) an, dass die maximale theoretische l/W-Zahl 683 l/W beträgt.
Wie lässt sich dies mit der Behauptung in Einklang bringen, dass die Effizienz von 100 % weißen LEDs ~= 300 l/W beträgt – und der Tatsache, dass verschiedene Hersteller inzwischen weiße LEDs mit Effizienzen > 300 l/W herstellen?
Die Antwort liegt in der nützlichen, aber geheimnisvollen (oder geheimnisvollen, 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, ob monochromatisch oder mit mehreren Wellenlängen, hat einen niedrigeren theoretisch möglichen L/W-Wert von 100 %.
Die "ideale" Weißlichtquelle ist ein Schwarzkörperstrahler bei 5800 K, dessen Spektrum auf den Bereich von 400-700 nm abgeschnitten ist, und hat eine maximale Effizienz von 251 l/W !!!!
Indem verschiedene Anpassungen vorgenommen werden, um "weißes" Licht beizubehalten, während der Prozentsatz verschiedener Wellenlängen geändert wird, kann eine Erhöhung der Weißeffizienz erreicht werden. Ein 2800k schwarzer Strahler, der asymmetrisch abgeschnitten wird, um einen CRI von 95 zu erreichen, hat eine maximale theoretische Effizienz von 370 l/W.
Aber warten Sie - es gibt noch mehr, aber später vielleicht.
Ich komme zurück und füge Quellen und weitere Details hinzu, aber das Obige zeigt, dass die Antwort schwieriger ist als die Frage, und zeigt, dass die topmodernen LEDs in Bezug auf wahre Energie pro Energie einen Energieumwandlungswirkungsgrad von> 50% erreichen.
Mehr gleich - Licht verblasst - Rootop-Job winkt ...
Referenzen WIP
https://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy
Analyse der Lichtausbeute von weißen Leuchtdioden mit Phosphorumwandlung
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.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2014/March/300LPW-LED-barrier
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