Wie kann ich die optische Leistung abschätzen, die eine einfarbige LED erzeugt?

In manchen Fällen haben Sie es also leicht. Sobald das emittierte Licht außerhalb des Bereichs des sichtbaren Spektrums liegt, ist das einzige Maß für den Hersteller der Strahlungsfluss , der die optische Leistung ist, und genau das, wonach wir suchen.

Zum Beispiel ist die NCSU033B eine UV-LED von Nichia und sie geben folgende Daten an:

• Vorwärtsstrom: 500 mA
• Vorwärtsspannung: 3,8 V
• Strahlungsfluss: 450 mW

Die elektrische Leistung beträgt 1,9 W, die Lichtleistung 450 mW. Er hat also einen Wirkungsgrad von 23,7 %.

Das ist ziemlich einfach, oder?

Bei LED mit sichtbarem Licht erhalten Sie normalerweise eine Zahl wie Lumen oder Candela. Die auf der Gewichtung unseres Auges beruhen. Und die Dinge werden kompliziert.

Der nächste einfache Schritt ist also die Angabe des Lichtstroms in Lumen. Unter der Annahme, dass wir eine Lichtquelle mit einer einzigen Wellenlänge haben, was wir natürlich nie haben.

Wir nehmen wieder die Wichtungskurve:

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In diesem Diagramm ist die Gewichtung in einem Bereich von 0 bis 1 angegeben. Was fehlt, ist die Spitze, die Sie haben$683~\frac{\text{lm}}{\text{W}}$. Und dieser Faktor ist eigentlich der Strahlungsfluss in Lumen. Wir können also schreiben:

Wo:$\Phi_e$ist der Strahlungsfluss in W,$\Phi_v$ist der Lichtstrom in lm und$V(\lambda)$ist die Leuchtkraftfunktion .

Der Index _e steht in der Regel für Energie, während _v für Visuelles steht, visuelle Größen werden immer mit der Leuchtkraftfunktion gewichtet.

Lassen Sie uns ein Beispiel anfügen: Ich habe mich für die Osram Top LED entschieden und wir können uns die verschiedenen Farben ansehen, die sie anbieten. Das Schöne an diesem Datenblatt ist, sie geben den Lichtstrom und die Lichtstärke an, die wir uns im nächsten Schritt ansehen werden. Ich konnte kein Datenblatt finden, das Lichtstrom und Strahlungsstrom angibt - ich denke, das wäre dem Hersteller die Mühe nicht wert.

Eigentlich, und das ist schon bemerkenswert, liefert Osram zwei Wellenlängenangaben. Die eine der emittierten Wellenlänge und die dominante Wellenlänge. Wie Sie sehen können, ist die dominante Wellenlänge kleiner, aufgrund der Form der Gewichtungsfunktion „bevorzugt“ unser Auge die Wellenlänge näher an 555 nm. Wir müssen die emittierte Wellenlänge zur Berechnung nehmen, aber ich bin mir nicht sicher, wie andere Hersteller das handhaben. Nun, solange wir von einer einzigen Wellenlänge ausgehen, landen wir immer bei einer Annäherung.

Und für die Berechnung brauchen wir die Tabelle für die Leuchtkraftfunktion (Blatt 1931 Spalte Beobachter Spalte C).

Was uns ergibt (lineare Interpolation und Datenblattwerte):

• 645 nm: 0,1382, Vf = 2,05 V, If = 20 mA, P = 41 mW,$\Phi_v$= 2,2 lm
• 634 nm: 0,2266, Vf = 2,05 V, If = 20 mA, P = 41 mW,$\Phi_v$= 2,7 lm
• 624 nm: 0,3330, Vf = 2,15 V, If = 20 mA, P = 43 mW,$\Phi_v$= 3,5 lm
• 610 nm: 0,5030, Vf = 2,15 V, If = 20 mA, P = 43 mW,$\Phi_v$= 3,7 lm
• 597 nm: 0,6693, Vf = 2,20 V, If = 20 mA, P = 44 mW,$\Phi_v$= 2,7 lm

Wir können also berechnen:

• 645 Nanometer:$\Phi_e = \frac{2.2~\text{lm}}{683~\frac{\text{lm}}{\text{W}} 0.1382}$= 23,3 mW
• 634 Nanometer:$\Phi_e$= 17,4 mW
• 624 Nanometer:$\Phi_e$= 15,4 mW
• 610 Nanometer:$\Phi_e$= 10,8 mW
• 597 Nanometer:$\Phi_e$= 5,9 mW

Was sich in diese Effizienzen verwandelt:

• 645 Nanometer:$\eta = \frac{\Phi_e}{P_{el}} = \frac{23.3~\text{mW}}{41~\text{mW}}$= 56,8 %
• 634 Nanometer:$\eta$= 42,4 %
• 624 Nanometer:$\eta$= 35,8 %
• 610 Nanometer:$\eta$= 25,1 %
• 597 Nanometer:$\eta$= 13,4 %

Wenn also die Wellenlänge abnimmt, nimmt die Effizienz ab, zumindest für diese LED-Familie.

Was aber, wenn mein Datenblatt nur einen Wert für die Lichtstärke liefert , der in Candela gemessen wird?

Wir brauchen also einen Weg, um von der Lichtstärke zum Lichtstrom zu kommen. Nun, dafür brauchen wir den Raumwinkel , der in Steradiant gemessen wird. Und ein Lumen ist eine Candela multipliziert mit einem Steradiant. Eine Kugel hat$4\pi$Steradiant, also hätte eine Lichtquelle, die eine Candela gleichmäßig in alle Richtungen ausstrahlt, 12,6 Lumen. Der Raumwinkel ist dimensionslos wie das Bogenmaß, aber sr wird oft hinzugefügt, um zu verdeutlichen, warum aus einer Candela plötzlich ein Lumen wurde:$1~\text{lm} = 1~\text{cd} * 1~\text{sr}$

Nun hat eine LED nie eine gleichmäßige Lichtverteilung, sie könnte höchstens eine Halbkugel abdecken. Normalerweise hat es jedoch einen kleineren Betrachtungswinkel . Wir nehmen dies als den Spitzenwinkel eines Kegels. Es gibt eine nette kleine Formel, um den Raumwinkel eines Kegels mit einem gegebenen Spitzenwinkel zu berechnen:

Wo:$\Omega$ist der Raumwinkel und$\theta$ist der halbe Spitzenwinkel des Kegels.

Bei der Osram-LED erhalten wir nach wie vor einen Candela-Bereich im Datenblatt und den Spitzenwinkel von 120°:

• 645 nm: 0,355 ... 1,120 cd, Mittelwert: 0,7375 cd
• 634 nm: 0,450 ... 1,400 cd, Mittelwert: 0,9250 cd
• 624 nm: 0,560 ... 1,800 cd, Mittelwert: 1,1800 cd
• 610 nm: 0,710 ... 1,800 cd, Mittelwert: 1,2550 cd
• 597 nm: 0,450 ... 1,400 cd, Mittelwert: 0,9250 cd

Also berechnen wir zuerst unseren Raumwinkel:$\Omega = 2 \pi (1 - \cos 60°) = \pi ~\text{sr}$- das war einmal einfach.

Und damit erhalten wir:

• 645 Nanometer:$\Phi_v = 0.7375~\text{cd} * \pi~\text{sr} = 2.32~\text{lm}$
• 634 Nanometer:$\Phi_v$= 2,9 lm
• 624 Nanometer:$\Phi_v$= 3,7 lm
• 610 Nanometer:$\Phi_v$= 3,9 lm
• 597 Nanometer:$\Phi_v$= 2,9 lm

Das ist mehr als von Osram als typischer Wert angegeben, aber nicht sehr weit davon entfernt. Ich meine, der Bereich, der für die Lichtstärke angegeben wird, ist riesig und es ist nur eine Vermutung, nur den Mittelwert zu nehmen, ohne zu wissen, wie ihre Produktion variiert. Behalte dieses Ergebnis vielleicht im Hinterkopf und nimm in Zukunft etwas weniger als den Mittelwert.

Nachdem ich etwas mehr darüber nachgedacht habe, denke ich, dass die Überschätzung darauf zurückzuführen ist, dass die tatsächliche Helligkeit pro Winkel nicht berücksichtigt wurde, da diese von 0 ° auf 60 ° abnimmt.

Bei den Lumenwerten kannst du den Ansatz oben wieder verwenden.

Nun sind die obigen Möglichkeiten eine Annäherung, die auf Vereinfachung basiert:

• die Wellenlängenverteilung der LED auf eine einzelne Wellenlänge
• die Abstrahlcharakteristik eines einfachen Kegels

To do things right™ müssen Sie über die tatsächliche Verteilung und Strahlungscharakteristik integrieren, um bessere Werte zu erhalten. Sobald Sie das beherrschen, können Sie das gleiche Prinzip auf jede Art von Lichtquelle anwenden. Sie können also die gleiche Berechnung für eine weiße LED durchführen und sehen, was dort passiert.

Ich bin eigentlich geneigt, das zu tun. Aber es würde diese Antwort wahrscheinlich sprengen.