Como os LEDs são considerados eficientes?

Eu sempre achei circuitos contendo LEDs difíceis de entender, por favor, tenha paciência comigo. Sei que a maioria das pessoas acha fácil, mas estou confuso com elas, de modo que algumas das minhas suposições podem não estar corretas; por favor, corrija-me se for esse o caso.

Então vamos à pergunta: como os LEDs são, afinal, diodos, eles atuam essencialmente como condutores com voltagem direta, certo? É por isso que precisamos de um resistor pull-down para regular a corrente que flui através do circuito.

Por exemplo, digamos que tenhamos um LED com um Vf de 2 V e uma corrente operacional de 20 mA. (Eu acho que esses números são razoáveis, certo? Novamente, se não, por favor me avise.) E nossa fonte de alimentação é de 4V constante. Isso significa que precisamos que o resistor consuma 20 mA a 2 V, portanto seria um resistor de 100,, com 40 mW passando por ele. Esse é um consumo minúsculo de energia, mas metade da energia fornecida é desperdiçada pelo calor. Portanto, neste caso, a melhor eficiência de casos não é de 50%? O que não é realmente eficiente em termos de fontes de alimentação DC, eu teria pensado.

Então, quando as pessoas se referem à alta eficiência dos LEDs, estão se referindo ao fato de que os próprios LEDs convertem a energia que usam em luz de forma eficiente ou é considerado eficiente mesmo depois de considerar a eficiência máxima de 50% do plugue de parede?

Ou será que dei um exemplo que é um projeto de circuito horrível que nunca seria encontrado em aplicações de produção?

Você parece estar ficando confuso entre a eficiência do LED e a eficiência do circuito para acionar o LED.

Em termos de emissão de luz por unidade de energia usada pelo LED, eles são uma maneira eficiente de gerar luz. Em termos absolutos, eles não são ótimos, são cerca de 10% ^[1] eficientes nesse aspecto, porém ainda são muito melhores do que os ~ 1-2% de uma lâmpada incandescente convencional.

Mas e esse poder desperdiçado no resistor. Um resistor em série é a maneira mais simples de acionar um LED; está longe de ser a única maneira de fazê-lo.

Mesmo aderindo a um resistor, e se colocarmos 20 dos seus LEDs de 2V em série e fornecermos 45V? Agora você está usando 45 * 0,02 = 900mW, dos quais 800mW vão para os LEDs e apenas 100mW (11%) estão sendo usados ​​pelo resistor em série.

Mas podemos torná-lo ainda mais eficiente, a razão do resistor é que os LEDs precisam de uma corrente constante e a maioria dos eletrônicos são projetados para fornecer uma tensão constante. A maneira mais fácil de converter de um para o outro (assumindo uma carga constante) é acionar um resistor em série.

Você pode obter fontes de alimentação atuais constantes. Se você usar um desses para acionar seu LED, o resistor poderá ser eliminado e você poderá obter uma eficiência de mais de 90% da energia total do sistema entrando nos LEDs.

Para um projeto doméstico ou um indicador simples de um sinal, um resistor é muito mais barato e mais simples, mas se você estiver dirigindo muitos LEDs, a escolha lógica é pagar um pouco mais, ter um circuito um pouco mais complexo e usar uma constante dedicada IC atual do driver do LED.

1. Como observado nos comentários, 10% é uma boa estimativa para a iluminação doméstica atual e provavelmente também sobre a correção de LEDs de commodities baratos usando processos mais antigos. As peças de cor única mais recentes podem atingir níveis significativamente mais altos de eficiência.

A eficiência de um LED refere-se à eficiência do LED. Isso não tem nada a ver com a eficiência ou não do circuito de direção.

Em muitos casos, a eficiência geral do circuito dos LEDs não é um problema. Se o LED estiver sendo usado apenas como indicador, ele estará com pouca energia. Um LED verde típico cai 2,1 V e é suficientemente brilhante para o uso do indicador a 20 mA. Isso significa 42 mW de energia entrando no LED. Mesmo se forem perdidos 50 mW adicionais no circuito que aciona o LED, o consumo total de energia ainda é inconseqüente em muitos casos.

Em algumas aplicações de baixa potência, 100 mW podem ser uma grande quantidade de energia. Nesses casos, mais cuidado será tomado no circuito, exceto o resistor simples e barato da série, para uma fonte útil. Vários truques incluem usar um LED de maior eficiência e executá-lo em corrente mais baixa, usar uma fonte apenas um pouco acima da tensão do LED, ajustar a interface do usuário para que seja aceitável piscar ou manter o LED desligado parte do tempo. fonte de alimentação de corrente constante de alta eficiência para acionar o LED.

A eficiência também é importante em aplicações de alta potência, como iluminação. Nesses casos, mais esforço e custo de produção são colocados nos eletrônicos para minimizar a energia adicional dissipada fora do LED. Freqüentemente, a principal razão para maximizar a eficiência não é tanto desperdiçar energia, como não ter que lidar com o calor causado pela energia desperdiçada.

A pergunta sobre a eficiência dos LEDs reais é boa, mas a resposta é mais complexa do que se poderia esperar. A capacidade de iluminação é geralmente expressa em "lúmens".

A eficiência do LED é geralmente expressa em termos de

• saída de energia luminosa ou

• capacidade de iluminação

por unidade de entrada de energia.

Para uma dada saída de lúmen, a eficiência é geralmente expressa em lúmens por Watt (l / W) ou na produção de energia luminosa por Watt W / W). A primeira figura é mais útil em aplicações práticas de iluminação, mas a segunda é mais significativa em termos de eficiência de conversão de energia.

Se lúmens e energia luminosa tivessem um relacionamento fixo, a determinação da eficiência seria simples. No entanto, o que um dado número de lúmen representa em termos de "energia luminosa" varia com a composição espectral da luz.

Os lúmens são expressos em termos da curva de resposta teórica do olho humano. A mesma quantidade de energia luminosa produzirá um número diferente de lúmens, pois o comprimento de onda da luz ou a mistura de comprimentos de onda varia. Como conseqüência, o comprimento de onda ou os comprimentos de onda da fonte desempenham um papel importante nos lúmens produzidos por entrada de energia.

No final do comprimento de onda curto do espectro visível (não é bastante UV), a sensibilidade ocular é extremamente baixa, portanto os lúmens / Watt são baixos - tanto que é comum citar a saída de fontes de azul profundo e "azul royal" em termos de mW / W (energia luminosa por energia elétrica). Isso é muito útil, pois uma família de LEDs que inclui LEDs sem fósforo e com base em fósforo permite fazer algumas comparações. Por exemplo, a "bandeja de fluxo superior" do LED Cree Royal Blue XT-E quando operada em Vf = 2,85V e If = 350 mA produz 613 mW típicos (600, 613, 625 mW min / typ / max) em um comprimento de onda de 465 Nm.
Isso equivale a uma eficiência de conversão elétrica em luz de 60,2% / 61,5% / 62,7% min / typ / max.
Consulte a página 19 da folha de dados do Cree XT-E no canto superior direito da tabela - XTEARY-00-0000- 000000Q01

A versão superior de fósforo branco do mesmo LED produz 180 lúmens a 25 ° C a 2,77V, 350 mA = 970 mW DC ou 186 lúmens / Watt.

Se a energia luminosa dos LEDs Royal Blue & White fosse a mesma, o LED branco teria um valor de 100% l / W de 186 / 61,5% = 302 l / W com 100% de eficiência. No entanto, as saídas de luz não são idênticas (exatamente), pois no LED branco, uma parte da luz azul da matriz de LED é usada diretamente e o restante excita o (s) fósforo (s) com alguma perda na eficiência de conversão de luz / luz.

Como foi observado, a Wikipedia (corretamente) afirma que o valor máximo l / W teórico é 683 l / W.
Como isso pode ser conciliado com a alegação de que a eficácia de 100% do LED branco é ~ = 300 l / W - e o fato de vários fabricantes estarem produzindo LEDs brancos com eficiência> 300 l / W?

A resposta está no fato útil, mas misterioso (ou misterioso, mas útil) de que a classificação do lúmen está relacionada à resposta ocular. A sensibilidade máxima dos olhos ocorre no comprimento de onda de 555 nm. A máxima eficiência possível em l / W é alcançável com uma fonte monocromática a 555 nm. QUALQUER outra fonte, comprimento de onda monocromático ou múltiplo, terá um valor l / W teórico mais baixo possível de 100%.

A fonte de luz branca "ideal" é um radiador de corpo preto a 5800k com seu espectro truncado na faixa de 400-700 nm e tem uma eficiência máxima de 251 l / W !!!!

Fazendo vários ajustes para manter a luz "branca" enquanto altera a% de vários comprimentos de onda, é possível obter eficiências crescentes em branco. Um corpo preto de 2800k truncado assimetricamente para obter um CRI de 95 tem uma eficiência teórica máxima de 370 l / W.

Mas espere - há mais, mas, mais tarde, talvez.
Voltarei e adicionarei fontes e mais detalhes, mas o exposto acima mostra que a resposta é mais difícil do que a pergunta e demonstra que, em energia verdadeira por energia em termos, os principais LEDs modernos alcançam eficiência de conversão de energia> 50%.

Mais anon - light fades - rootop job acena ...

Referências WIP

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

Análise da eficiência luminosa do diodo emissor de luz branco de conversão 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