LED มีประสิทธิภาพอย่างไร

ฉันพบวงจรที่มีไฟ LED เข้าใจยากอยู่เสมอโปรดทนกับฉัน ฉันรู้ว่าคนส่วนใหญ่พบว่าเป็นเรื่องง่าย แต่ฉันสับสนโดยพวกเขาดังนั้นข้อสันนิษฐานของฉันบางอย่างอาจไม่ถูกต้องโปรดแก้ไขให้ฉันถ้าเป็นกรณีนี้

ดังนั้นคำถาม: เนื่องจาก LED เป็นไดโอดพวกมันจะทำหน้าที่เป็นตัวนำด้วยแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าใช่มั้ย นี่คือเหตุผลที่เราต้องการตัวต้านทานแบบดึงลงเพื่อควบคุมกระแสที่ไหลผ่านวงจร

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าเรามี LED ที่มี Vf 2 V และกระแสไฟ 20 mA (ฉันคิดว่าตัวเลขเหล่านั้นเหมาะสมใช่ไหมถ้าไม่โปรดแจ้งให้เราทราบ) และแหล่งจ่ายไฟของเราคือค่าคงที่ 4V นี่หมายความว่าเราต้องการตัวต้านทานเพื่อวาด 20 mA ที่ 2 V ดังนั้นมันจะเป็นตัวต้านทาน 100 with โดย 40 mW จะผ่าน นั่นเป็นการใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย แต่ครึ่งหนึ่งของพลังงานที่ให้มานั้นสูญเปล่าผ่านความร้อน ดังนั้นในกรณีนี้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของเคส 50% ไม่ใช่หรือ ซึ่งไม่ได้มีประสิทธิภาพจริงๆในแง่ของแหล่งจ่ายไฟ DC ฉันจะคิด

ดังนั้นเมื่อผู้คนอ้างถึงประสิทธิภาพที่สูงของ LED พวกเขาหมายถึงความจริงที่ว่าไฟ LED ตัวเองแปลงพลังงานที่พวกเขาใช้เป็นแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือมันถือว่ามีประสิทธิภาพแม้หลังจากพิจารณาประสิทธิภาพปลั๊กผนัง 50% สูงสุด?

หรือว่าฉันได้ยกตัวอย่างที่เกิดขึ้นจากการออกแบบวงจรที่น่ากลัวที่ไม่เคยพบในแอปพลิเคชั่นการผลิต?

ดูเหมือนว่าคุณจะสับสนระหว่างประสิทธิภาพของ LED และประสิทธิภาพของวงจรในการขับเคลื่อน LED

ในแง่ของปริมาณแสงต่อหน่วยพลังงานที่ใช้โดย LED พวกเขาเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการสร้างแสง ในแง่ที่ไม่ดีพวกมันมีประสิทธิภาพประมาณ 10% ^[1]อย่างไรก็ตามมันก็ยังดีกว่าหลอดไส้ธรรมดาประมาณ 1-2%

แต่สิ่งที่พลังนั้นสูญเปล่าในตัวต้านทาน ตัวต้านทานซีรีย์เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการขับเคลื่อน LED มันอยู่ไกลจากวิธีเดียวที่จะทำได้

ถ้าเราใส่ตัวต้านทาน 20V 2 ดวงลงในซีรีย์และต่อด้วยตัวต้านทานจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราใส่ 45V ลงไป? ตอนนี้คุณกำลังใช้ 45 * 0.02 = 900mW ซึ่ง 800mW เข้าไปในหลอด LED และตัวต้านทานอนุกรมใช้ 100mW (11%) เท่านั้น

แต่เราสามารถทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเหตุผลสำหรับตัวต้านทานคือไฟ LED ต้องการกระแสคงที่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ วิธีที่ง่ายที่สุดในการแปลงจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง (สมมติว่าโหลดคงที่) คือการโยนตัวต้านทานแบบอนุกรม

คุณสามารถรับกระแสไฟฟ้าคงที่ หากคุณใช้ตัวใดตัวหนึ่งในการขับเคลื่อน LED ตัวต้านทานจะถูกกำจัดและคุณจะได้รับประสิทธิภาพที่ดีเกินกว่า 90% ของกำลังการผลิตระบบโดยรวมของคุณที่เข้าสู่ LED

สำหรับโครงการบ้านหรือตัวบ่งชี้อย่างง่าย ๆ เกี่ยวกับสัญญาณตัวต้านทานมีราคาถูกและง่ายกว่ามาก แต่ถ้าคุณกำลังขับ LED จำนวนมากตัวเลือกเชิงตรรกะคือจ่ายเพิ่มอีกเล็กน้อยมีวงจรที่ซับซ้อนขึ้นเล็กน้อยและใช้ค่าคงที่เฉพาะ ไดรเวอร์ LED ปัจจุบัน IC

1. ดังที่ระบุไว้ในความคิดเห็น 10% เป็นสนามเบสบอลที่ดีสำหรับการให้แสงสว่างในครัวเรือนในปัจจุบันและอาจเป็นเรื่องที่ถูกต้องสำหรับหลอดไฟ LED สินค้าราคาถูกโดยใช้กระบวนการรุ่นเก่า ชิ้นส่วนสีเดียวที่ใหม่กว่าสามารถบรรลุระดับประสิทธิภาพที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

ประสิทธิภาพของ LED หมายถึงประสิทธิภาพของ LED สิ่งนี้ไม่เกี่ยวกับประสิทธิภาพของวงจรขับ

ในหลายกรณีประสิทธิภาพของวงจรโดยรวมของ LED ไม่เป็นปัญหามากนัก หาก LED กำลังถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้แสดงว่าพลังงานเริ่มแรกนั้นต่ำ LED สีเขียวทั่วไปลดลง 2.1 V และสว่างเพียงพอสำหรับการใช้งานตัวบ่งชี้ที่ 20 mA นั่นคือพลังงาน 42 mW ไปสู่ ​​LED แม้ว่าจะเพิ่ม 50 mW หายไปในวงจรขับ LED แต่การใช้พลังงานโดยรวมก็ยังคงไม่สำคัญในหลายกรณี

ในบางแอปพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานต่ำ 100 mW สามารถเป็นพลังงานหลักได้ ในกรณีเช่นนี้จะต้องระมัดระวังในวงจรอื่น ๆ นอกเหนือจากตัวต้านทานซีรีย์ราคาถูกและเรียบง่ายไปยังแหล่งจ่ายที่สะดวก เทคนิคต่าง ๆ รวมถึงการใช้ LED ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าและใช้กระแสไฟต่ำโดยใช้แหล่งจ่ายที่อยู่เหนือแรงดันไฟ LED เพียงเล็กน้อยปรับอินเทอร์เฟซผู้ใช้เพื่อให้กระพริบหรือรักษา LED นอกเวลาเป็นที่ยอมรับ แหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่มีประสิทธิภาพสูงในการขับเคลื่อน LED

ประสิทธิภาพยังมีความสำคัญในการใช้งานพลังงานสูงเช่นการให้แสงสว่าง ในกรณีเช่นนี้ความพยายามมากขึ้นและต้นทุนการผลิตจะถูกใส่เข้าไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อลดพลังงานเพิ่มเติมที่กระจายออกไปนอก LED บ่อยครั้งที่เหตุผลหลักในการเพิ่มประสิทธิภาพไม่ได้เป็นการสิ้นเปลืองพลังงานอย่างที่ไม่ต้องจัดการกับความร้อนที่เกิดจากพลังงานที่สูญเปล่า

คำถามคือ LED ที่มีประสิทธิภาพจริงดีแค่ไหน แต่คำตอบนั้นซับซ้อนกว่าที่คาดไว้ ความสามารถในการส่องสว่างมักแสดงเป็น "ลูเมน"

ประสิทธิภาพ LED มักจะแสดงออกในแง่ของทั้ง

• พลังงานแสงออกหรือ

• ความสามารถในการส่องสว่าง

ต่อหน่วยของการป้อนพลังงาน

สำหรับเอาต์พุตลูเมนที่กำหนดประสิทธิภาพมักจะแสดงเป็นลูเมนต่อวัตต์ (l / W) หรือในเอาต์พุตพลังงานแสงต่อวัตต์ W / W) รูปแรกมีประโยชน์มากขึ้นในแอปพลิเคชั่นการส่องสว่างที่ใช้งานได้จริง แต่ตัวที่สองนั้นมีความหมายมากกว่าในแง่ของประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

หากลูเมนและพลังงานแสงมีความสัมพันธ์ที่แน่นอนการกำหนดประสิทธิภาพจะง่าย อย่างไรก็ตามสิ่งที่ตัวเลขลูเมนที่กำหนดแสดงในแง่ของ "พลังงานแสง" นั้นแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบสเปกตรัมของแสง

Lumens แสดงในรูปของเส้นโค้งการตอบสนองเชิงทฤษฎีของสายตามนุษย์ พลังงานแสงจำนวนเท่ากันจะสร้างจำนวนลูเมนที่แตกต่างกันเมื่อความยาวคลื่นแสงหรือความยาวคลื่นผสมแตกต่างกันไป ด้วยเหตุนี้ความยาวคลื่นหรือความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดจึงมีส่วนสำคัญในลูเมนที่ผลิตต่อการป้อนพลังงาน

ในช่วงความยาวคลื่นสั้นของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ (ไม่ใช่รังสียูวี) ความไวตาต่ำมากดังนั้นลูเมน / วัตต์จึงต่ำมากดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะอ้างถึงแหล่งที่มาของสีน้ำเงินเข้มและ "รอยัลบลู" mW / W (พลังงานแสงต่อพลังงานไฟฟ้า) สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างมากในฐานะตระกูล LED ซึ่งรวมถึงฟอสเฟอร์น้อยและไฟฟลูออเรสเซนต์ที่ให้การเปรียบเทียบ ตัวอย่างเช่น "ถังฟลักซ์ชั้นนำ" ของหลอดไฟ LED สีแดง XT-E ของ Cree Royal Blue เมื่อใช้งานที่ Vf = 2.85V และหาก = 350 mA จะสร้าง 613 mW โดยทั่วไป (600, 613, 625 mW นาที / typ / max) ที่ความยาวคลื่น ของ 465 Nm
นั่นเท่ากับประสิทธิภาพการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าเท่ากับ 60.2% / 61.5% / 62.7% นาที / ตัวพิมพ์ / สูงสุด
ดูหน้า 19 ของแผ่นข้อมูล Cree XT-E ด้านบนขวาของตาราง - XTEARY-00-0000- 000000Q01

รุ่นสารเรืองแสงสีขาวด้านบนของ LED เดียวกันผลิต 180 ลูเมนที่ 25C ที่ 2.77V, 350 mA = 970 mW DC ในหรือ 186 ลูเมน / วัตต์

ถ้าพลังงานแสงจาก LED สีน้ำเงินและสีขาวเหมือนกันดังนั้น LED สีขาวจะมีรูป 100% l / W ที่ 186 / 61.5% = 302 l / W ที่ประสิทธิภาพ 100% อย่างไรก็ตามเอาต์พุตแสงไม่เหมือนกัน (ค่อนข้าง) เช่นเดียวกับใน LED สีขาวส่วนหนึ่งของแสงสีน้ำเงินของ LED die ถูกใช้โดยตรงและส่วนที่เหลือจะกระตุ้นฟอสเฟอร์ด้วยการสูญเสียประสิทธิภาพการแปลงแสง / แสง

วิกิพีเดีย (ถูกต้อง) ระบุว่าตัวเลข l / W เชิงทฤษฎีสูงสุดคือ 683 l / W
สิ่งนี้สามารถปรับให้เข้ากับการอ้างสิทธิ์ได้อย่างไรว่าประสิทธิภาพ LED สีขาว 100% คือ ~ = 300 l / W - และความจริงที่ว่าผู้ผลิตหลายรายกำลังผลิต LED สีขาวที่มีประสิทธิภาพ> 300 l / W

คำตอบนั้นอยู่ในความจริงที่เป็นประโยชน์ แต่ความลับ (หรือความลับ แต่เป็นประโยชน์) ความจริงที่ว่าระดับลูเมนสัมพันธ์กับการตอบสนองของดวงตา ความไวตาสูงสุดเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น 555 นาโนเมตร ประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ใน l / W สามารถทำได้ด้วยแหล่ง monochromatic ที่ 555 nm แหล่งอื่น ๆ ความยาวคลื่นเดียวหรือหลายช่วงจะมีค่า l / W ที่เป็นไปได้ทางทฤษฎีที่ต่ำกว่า 100%

แหล่งกำเนิดแสงสีขาว "อุดมคติ" เป็นตัวหม้อน้ำสีดำที่ 5800k โดยสเปกตรัมถูกตัดให้เหลือช่วง 400-700 นาโนเมตรและมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ 251 l / W !!!!

ด้วยการปรับต่าง ๆ เพื่อรักษาแสง "สีขาว" ในขณะที่การเปลี่ยน% ของความยาวคลื่นต่างๆที่เพิ่มประสิทธิภาพสีขาวสามารถทำได้ ร่างกายสีดำขนาด 2800k ถูกตัดให้ไม่สมดุลเพื่อให้ได้ค่า CRI 95 ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎี 370 l / W

แต่เดี๋ยวก่อน - มีมากกว่านั้น แต่บางทีในภายหลัง
ฉันจะกลับมาและเพิ่มแหล่งที่มาและรายละเอียดเพิ่มเติม แต่ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าคำตอบนั้นยากกว่าคำถามและแสดงให้เห็นว่าในพลังงานที่แท้จริงออกมาต่อพลังงานในแง่ของไฟ LED ที่ทันสมัยที่สุดให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน> 50%

anon - จางหายไปมากขึ้น - งาน rootop เริ่มขึ้น ...

อ้างอิง WIP

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

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพการส่องสว่างของไดโอดเปล่งแสงสีขาวแบบฟอสเฟอร์

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

ที่มีประโยชน์:

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