¿Cómo se consideran eficientes los LED?

Siempre he encontrado que los circuitos que contienen LED son difíciles de entender, por favor tengan paciencia conmigo. Sé que a la mayoría de las personas les resulta fácil, pero estoy confundido por ellos, por lo que algunas de mis suposiciones pueden no ser correctas, corríjanme si ese es el caso.

Entonces, sobre la pregunta: dado que los LED son, después de todo, diodos, esencialmente actúan como conductores con voltaje directo, ¿verdad? Es por eso que necesitamos una resistencia desplegable para regular la corriente que fluye a través del circuito.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un LED con un Vf de 2 V y una corriente de funcionamiento de 20 mA. (Creo que esas cifras son correctas razonable? Una vez más, si no, por favor hágamelo saber.) Y nuestra fuente de alimentación es una constante 4V. Esto significa que necesitamos la resistencia para extraer 20 mA a 2 V, por lo que sería una resistencia de 100 Ω, con 40 mW que la atraviesan. Es un consumo de energía muy pequeño, pero la mitad de la energía suministrada se desperdicia a través del calor. Entonces, en este caso, ¿no es la mejor eficiencia del caso 50%? Lo que no es realmente eficiente en términos de fuentes de alimentación de CC, habría pensado.

Entonces, cuando las personas se refieren a la alta eficiencia de los LED, ¿se refieren al hecho de que los propios LED convierten la energía que usan en luz de manera eficiente, o se considera eficiente incluso después de considerar la eficiencia máxima del enchufe de pared del 50%?

¿O es solo que he dado un ejemplo que resulta ser un diseño de circuito horrible que nunca se encontraría en aplicaciones de producción?

Parece estar confundido entre la eficiencia del LED y la eficiencia del circuito para controlar el LED.

En términos de salida de luz por unidad de energía utilizada por el LED, son una forma eficiente de generar luz. En términos absolutos, no son excelentes, son alrededor del 10% ^[1] eficientes a ese respecto, sin embargo, eso es aún mucho mejor que el ~ 1-2% de una bombilla incandescente convencional.

Pero qué de ese poder desperdiciado en la resistencia. Una resistencia en serie es la forma más sencilla de conducir un LED, está lejos de ser la única forma de hacerlo.

Incluso si se adhiere a una resistencia, ¿qué pasa si ponemos 20 de sus LED de 2V en serie y le suministramos 45V? Ahora está utilizando 45 * 0.02 = 900 mW, de los cuales 800 mW van a los LED y la resistencia en serie solo usa 100 mW (11%).

Pero podemos hacerlo aún más eficiente, la razón de la resistencia es que los LED necesitan una corriente constante y la mayoría de los componentes electrónicos están diseñados para suministrar un voltaje constante. La forma más fácil de convertir de uno a otro (suponiendo una carga constante) es lanzar una resistencia en serie.

Puede obtener fuentes de alimentación de corriente constante. Si usa uno de esos para controlar su LED, la resistencia puede eliminarse y puede obtener una eficiencia de más del 90% de la potencia total del sistema que ingresa a los LED.

Para un proyecto hogareño o un indicador simple en una señal, una resistencia es mucho más barata y simple, pero si maneja muchos LED, la opción lógica es pagar un poco más, tener un circuito un poco más complejo y usar una constante dedicada Controlador LED actual IC.

1. Como se señaló en los comentarios, el 10% es un buen estadio para la iluminación doméstica actual y probablemente también sea correcto para los LED de productos básicos baratos que utilizan procesos más antiguos. Las piezas de un solo color más nuevas pueden alcanzar niveles significativamente más altos de eficiencia.

La eficiencia de un LED se refiere a cuán eficiente es el LED. Esto no tiene nada que ver con cuán eficiente o no es el circuito de conducción.

En muchos casos, la eficiencia general del circuito de los LED no es un gran problema. Si el LED solo se está utilizando como indicador, en primer lugar, es de baja potencia. Un LED verde típico cae 2.1 V y es lo suficientemente brillante como para usar con indicadores a 20 mA. Eso es 42 mW de potencia en el LED. Incluso si se pierden 50 mW adicionales en el circuito que activa el LED, el consumo de energía total sigue siendo intrascendente en muchos casos.

En algunas aplicaciones de baja potencia, 100 mW pueden ser una gran cantidad de energía. En tales casos, se tendrá más cuidado en el circuito que no sea la resistencia en serie barata y simple para algún suministro útil. Varios trucos incluyen el uso de un LED de mayor eficiencia y ejecutarlo a una corriente más baja, usar un suministro que esté solo un poco por encima del voltaje del LED, ajustar la interfaz de usuario para que sea aceptable parpadear o mantener el LED apagado parte del tiempo, y un Fuente de alimentación de corriente constante de alta eficiencia para controlar el LED.

La eficiencia también es importante en aplicaciones de alta potencia, como la iluminación. En tales casos, se pone más esfuerzo y costo de producción en la electrónica para minimizar la potencia adicional disipada fuera del LED. A menudo, la razón principal para maximizar la eficiencia no es tanto por no desperdiciar la energía como por no tener que lidiar con el calor causado por la energía desperdiciada.

La pregunta sobre cuán eficientes son los LED reales es buena, pero la respuesta es más compleja de lo que se puede esperar. La capacidad de iluminación generalmente se expresa en "lúmenes".

La eficiencia del LED generalmente se expresa en términos de

• salida de energía luminosa o

• capacidad de iluminación

por unidad de entrada de energía.

Para una salida de lúmenes dada, la eficiencia generalmente se expresa en lúmenes por vatio (l / W) o en salida de energía luminosa por vatio W / W). La primera figura es más útil en aplicaciones prácticas de iluminación, pero la segunda es más significativa en términos de eficiencia de conversión de energía.

Si los lúmenes y la energía de la luz tuvieran una relación fija, la determinación de la eficiencia sería simple. Sin embargo, lo que representa una figura de luz dada en términos de "energía luminosa" varía con la composición espectral de la luz.

Los lúmenes se expresan en términos de la curva de respuesta teórica del ojo humano. La misma cantidad de energía lumínica producirá un número diferente de lúmenes a medida que varía la longitud de onda de la luz o la combinación de longitudes de onda. Como consecuencia, la longitud de onda o las longitudes de onda de la fuente juegan un papel importante en los lúmenes producidos por entrada de energía.

En el extremo de longitud de onda corta del espectro visible (no del todo UV), la sensibilidad ocular es extremadamente baja, por lo que los lúmenes / vatio son bajos, tanto que es normal citar la salida de las fuentes de azul profundo y "azul real" en términos de mW / W (energía luminosa por energía eléctrica). Esto es muy útil ya que una familia de LED que incluye LED sin fósforo y con base de fósforo permite realizar algunas comparaciones. Por ejemplo, el "compartimiento de flujo superior" del LED Cree Royal Blue XT-E cuando se opera a Vf = 2.85V y If = 350 mA produce 613 mW típico (600, 613, 625 mW min / typ / max) a una longitud de onda de 465 Nm.
Eso equivale a una eficiencia de conversión de electricidad a luz de 60.2% / 61.5% / 62.7% min / typ / max.
Consulte la página 19 de la hoja de datos de Cree XT-E arriba a la derecha de la tabla - XTEARY-00-0000- 000000Q01

La versión superior de fósforo blanco del mismo LED produce 180 lúmenes a 25 ° C a 2,77 V, 350 mA = 970 mW CC o 186 lúmenes / vatio.

SI la energía de la luz de los LED Royal Blue & White fuera la misma, entonces el LED blanco tendría una cifra del 100% l / W de 186 / 61.5% = 302 l / W al 100% de eficiencia. Sin embargo, las salidas de luz no son idénticas (bastante) ya que en el LED blanco, una parte de la luz azul del dado LED se usa directamente y el resto excita el fósforo (s) con alguna pérdida en la eficiencia de conversión de luz / luz.

Como se ha señalado, Wikipedia (correctamente) afirma que la cifra teórica máxima de L / W es 683 l / W.
¿Cómo se puede conciliar esto con la afirmación de que la eficiencia del LED blanco al 100% es ~ = 300 l / W, y el hecho de que varios fabricantes ahora están fabricando LED blancos con eficiencias> 300 l / W?

La respuesta radica en el hecho útil pero arcano (o arcano pero útil) de que la clasificación de la luz está relacionada con la respuesta ocular. La máxima sensibilidad ocular se produce a una longitud de onda de 555 nm. La máxima eficiencia posible en l / W se puede lograr con una fuente monocromática a 555 nm. CUALQUIER otra fuente, monocromática o de múltiples longitudes de onda, tendrá una cifra l / W 100% teórica más baja posible.

¡La fuente de luz blanca "ideal" es un radiador de cuerpo negro a 5800k con su espectro truncado en el rango de 400-700 nm y tiene una eficiencia máxima de 251 l / W !!!!

Al hacer varios ajustes para mantener la luz "blanca" mientras se altera el% de varias longitudes de onda, se puede lograr una mayor eficiencia del blanco. Un cuerpo negro de 2800k truncado asimétricamente para lograr un CRI de 95 tiene una eficiencia teórica máxima de 370 l / W.

Pero espera, hay más, pero, tal vez más tarde.
Volveré y agregaré fuentes y más detalles, pero lo anterior muestra que la respuesta es más difícil que la pregunta, y demuestra que, en términos de energía verdadera por energía, los LED modernos superiores alcanzan eficiencias de conversión de energía de> 50%.

Más anon - la luz se desvanece - el trabajo de rootop llama ...

Referencias WIP

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

Análisis sobre la eficiencia luminosa del diodo emisor de luz blanca con conversión de fósforo

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

Útil:

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