In che modo i LED sono considerati efficienti?

Ho sempre trovato circuiti contenenti LED difficili da capire, per favore abbiate pazienza. So che la maggior parte delle persone lo trova facile, ma sono confuso da loro, quindi alcuni dei miei presupposti potrebbero non essere corretti, per favore correggimi se è così.

Quindi sulla domanda: poiché i LED, dopo tutto, sono diodi, agiscono essenzialmente come conduttori con tensione diretta, giusto? Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di un resistore pull-down per regolare la corrente che fluisce attraverso il circuito.

Ad esempio, supponiamo di avere un LED con un Vf di 2 V e una corrente operativa di 20 mA. (Penso che quei numeri siano ragionevoli? Di nuovo, in caso contrario, per favore fatemi sapere.) E il nostro alimentatore è un 4V costante. Ciò significa che abbiamo bisogno che il resistore assorba 20 mA a 2 V, quindi sarebbe un resistore da 100 Ω, con 40 mW che lo attraversano. Questo è un piccolo consumo di energia, ma metà dell'energia fornita viene sprecata a causa del calore. Quindi, in questo caso, l'efficienza del caso migliore non è del 50%? Che non è davvero efficiente in termini di alimentatori CC, avrei pensato.

Quindi, quando le persone si riferiscono all'alta efficienza dei LED, si riferiscono al fatto che i LED stessi convertono la potenza che usano in luce in modo efficiente, o è considerato efficiente anche dopo aver considerato l'efficienza della spina a parete massima del 50%?

O è solo che ho dato un esempio che sembra essere un orribile progetto di circuito che non sarebbe mai stato trovato nelle applicazioni di produzione?

Sembra che tu ti stia confondendo tra l'efficienza del LED e l'efficienza del circuito per guidare il LED.

In termini di emissione luminosa per unità di energia utilizzata dal LED, sono un modo efficiente per generare luce. In termini assoluti non sono grandi, sono circa il 10% ^[1] efficienti in questo senso, tuttavia è ancora molto meglio dell'1-2% di una lampadina a incandescenza convenzionale.

Ma che dire di quel potere sprecato nel resistore. Un resistore in serie è il modo più semplice per pilotare un LED, è tutt'altro che l'unico modo per farlo.

Anche attaccando un resistore cosa succede se mettiamo in serie 20 dei tuoi LED da 2 V in serie e gli forniamo 45 V? Ora stai usando 45 * 0,02 = 900mW di cui 800mW stanno entrando nei LED e solo i 100mW (11%) sono usati dalla resistenza in serie.

Ma possiamo renderlo ancora più efficiente, la ragione del resistore è che i LED hanno bisogno di una corrente costante e la maggior parte dei componenti elettronici sono progettati per fornire una tensione costante. Il modo più semplice per convertire da uno all'altro (supponendo un carico costante) è quello di inserire un resistore in serie.

È possibile ottenere alimentatori a corrente costante. Se si utilizza uno di questi per pilotare il LED, la resistenza può essere eliminata e si può ottenere un'efficienza di ben oltre il 90% della potenza totale del sistema immessa nei LED.

Per un progetto domestico o un semplice indicatore su un segnale, un resistore è molto più economico e più semplice, ma se stai guidando molti LED, la scelta logica è quella di pagare un po 'di più, avere un circuito leggermente più complesso e usare una costante dedicata IC driver LED corrente.

1. Come osservato nei commenti, il 10% è un buon campo di gioco per l'illuminazione domestica attuale e probabilmente anche per i LED economici delle materie prime che utilizzano processi più vecchi. Le parti monocolore più recenti possono raggiungere livelli di efficienza significativamente più elevati.

L'efficienza di un LED si riferisce all'efficienza del LED. Questo non ha nulla a che fare con quanto sia efficiente o meno il circuito di guida.

In molti casi, l'efficienza complessiva del circuito dei LED non è un grosso problema. Se il LED viene appena utilizzato come indicatore, in primo luogo è a bassa potenza. Un tipico LED verde scende a 2,1 V ed è abbastanza luminoso per l'uso dell'indicatore a 20 mA. Sono 42 mW di potenza che vanno al LED. Anche se si perdono altri 50 mW nel circuito che guida il LED, il consumo totale di energia è ancora irrilevante in molti casi.

In alcune applicazioni a bassa potenza, 100 mW possono essere una grande quantità di energia. In tali casi, sarà prestata maggiore attenzione nel circuito oltre alla semplice e economica serie di resistori ad una fornitura pratica. Vari trucchi includono l'uso di un LED ad alta efficienza e il suo funzionamento a corrente inferiore, utilizzando un'alimentazione che è solo leggermente superiore alla tensione del LED, regolando l'interfaccia utente in modo che il lampeggiamento o il mantenimento del LED spento per un periodo di tempo sia accettabile, e un alimentatore a corrente costante ad alta efficienza per pilotare il LED.

L'efficienza conta anche in applicazioni ad alta potenza, come l'illuminazione. In tali casi, maggiore sforzo e costi di produzione vengono messi nell'elettronica per ridurre al minimo la potenza aggiuntiva dissipata all'esterno del LED. Spesso il motivo principale per massimizzare l'efficienza non è tanto non sprecare la potenza, quanto non dover affrontare il calore causato dalla potenza sprecata.

La domanda sull'efficienza dei LED effettivi è buona, ma la risposta è più complessa di quanto ci si possa aspettare. La capacità di illuminazione è solitamente espressa in "lumen".

L'efficienza del LED è solitamente espressa in termini di entrambi

• produzione di energia luminosa o

• capacità di illuminazione

per unità di energia immessa.

Per un dato flusso luminoso, l'efficienza è solitamente espressa in lumen per Watt (l / W) o in energia luminosa per Watt W / W). La prima figura è più utile nelle applicazioni pratiche di illuminazione, ma la seconda è più significativa in termini di efficienza di conversione dell'energia.

Se i lumi e l'energia luminosa avessero una relazione fissa, la determinazione dell'efficienza sarebbe semplice. Tuttavia, ciò che una determinata figura di lumen rappresenta in termini di "energia luminosa" varia con la composizione spettrale della luce.

I lumi sono espressi in termini di curva di risposta teorica dell'occhio umano. La stessa quantità di energia luminosa produrrà un numero diverso di lumen al variare della lunghezza d'onda della luce o del mix di lunghezze d'onda. Di conseguenza, la lunghezza d'onda o le lunghezze d'onda della sorgente svolgono un ruolo importante nei lumi prodotti per input di energia.

Alla fine della lunghezza d'onda corta dello spettro visibile (non del tutto UV) la sensibilità dell'occhio è estremamente bassa, quindi i lumen / Watt sono bassi - al punto che è consueto citare l'output di sorgenti blu profondo e "Blu reale" in termini di mW / W (energia luminosa per energia elettrica). Ciò è molto utile in quanto una famiglia di LED che include LED senza fosforo e basati su fosforo consente alcuni confronti. Ad esempio, il "top flux bin" del Cree Royal Blue XT-E LED se utilizzato a Vf = 2,85 V e If = 350 mA produce 613 mW tipici (600, 613, 625 mW min / tip / max) a una lunghezza d'onda di 465 Nm.
Ciò equivale a un'efficienza di conversione da elettrica a luce del 60,2% / 61,5% / 62,7% min / tip / max.
Vedi pagina 19 della scheda tecnica Cree XT-E in alto a destra della tabella - XTEARY-00-0000- 000000Q01

La versione superiore in fosforo bianco dello stesso LED produce 180 lumen a 25 ° C a 2,77 V, 350 mA = 970 mW DC in o 186 lumen / Watt.

Se l'energia luminosa dei LED Royal Blue & White fosse la stessa, il LED bianco avrebbe una cifra del 100% l / W di 186 / 61,5% = 302 l / W con un'efficienza del 100%. Tuttavia, le emissioni luminose non sono identiche (abbastanza) in quanto nel LED bianco una parte della luce blu della matrice LED viene utilizzata direttamente e il resto eccita i fosfori con una certa perdita di efficienza di conversione luce / luce.

Come è stato notato, Wikipedia (correttamente) afferma che il valore massimo teorico l / W è 683 l / W.
Come si può conciliare questo con l'affermazione secondo cui l'efficacia del LED bianco al 100% è ~ = 300 l / W - e il fatto che vari produttori stiano attualmente producendo LED bianchi con efficienze> 300 l / W?

La risposta sta nel fatto utile ma arcano (o arcano ma utile) che la valutazione del lume è correlata alla risposta oculare. La massima sensibilità oculare si verifica a una lunghezza d'onda di 555 nm. La massima efficienza possibile in l / W è ottenibile con una sorgente monocromatica a 555 nm. QUALSIASI altra fonte, monocromatica o multi-lunghezza d'onda, avrà un valore l / W teorico possibile inferiore del 100%.

La sorgente di luce bianca "ideale" è un radiatore a corpo nero a 5800k con il suo spettro troncato nella gamma 400-700 nm e ha un'efficienza massima di 251 l / W !!!!

Effettuando varie regolazioni per mantenere la luce "bianca" mentre si modifica la% di varie lunghezze d'onda, è possibile ottenere incrementi di efficienza del bianco. Un corpo nero da 2800k troncato asimmetricamente per ottenere un CRI di 95 ha un'efficienza teorica massima di 370 l / W.

Ma aspetta - c'è di più, ma, forse dopo.
Tornerò e aggiungerò fonti e maggiori dettagli, ma quanto sopra mostra che la risposta è più difficile della domanda e dimostra che in termini di energia reale per energia in termini di LED moderni di livello superiore raggiungono efficienze di conversione dell'energia> 50%.

More anon - light sbiadisce - il lavoro rootop chiama ...

Riferimenti WIP

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

Analisi sull'efficienza luminosa del diodo luminescente a conversione di fosforo bianco

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

Utile:

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