Qual a eficiência dos LEDs?


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Geralmente, vejo a eficiência relacionada aos lúmens por watt, mas qual é a eficiência típica real dos LEDs em termos de energia elétrica para a saída de energia óptica? Que tipo de conversão se aplica?


Não é típico, varia muito entre fabricantes, cores, potência de saída e operação.
PlasmaHH

@PlasmaHH Sim - mas eu gostaria de alguns dados com cores, potências de saída etc como parâmetros. Por exemplo, qual é o LED colorido mais eficiente? É IR ou UV mais eficiente do que visual etc
Dirk Bruere

1
'Eu li em algum lugar' (o que sempre é um mau começo) que a eficiência luminosa máxima teórica, quando calculada usando a ponderação fotométrica usada para lúmens de luz branca, é de 250 lúmens / watt, em uma conversão de 100% de energia em luz. Se for verdade, isso significa que 100 lúmen / watt dos melhores LEDs é muito bom, e há espaço para pequenas melhorias, mas sem grandes fatores. Fontes monocromáticas devem dar números melhores.
Neil_UK 25/08

@DirkBruere: esse é um esforço sério de pesquisa, duvido que alguém faça isso aqui.
PlasmaHH

2
Como o Arsenal observou, os LEDs brancos de alto desempenho disponíveis comercialmente têm uma "eficiência" de cerca de 200 lúmens / Watt e um pouco mais de 50% da energia elétrica de entrada deixa o LED como luz. [!!!!]
Russell McMahon

Respostas:


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Para deixar as coisas claras, vamos definir do que estamos falando.

Existem dois termos que são misturados com bastante frequência:

  • Eficiência luminosa:

A eficiência luminosa é uma quantidade adimensional que é derivada da eficácia luminosa. É simplesmente o quociente da eficácia luminosa da fonte e a máxima eficácia luminosa possível da radiação.

  • Eficácia luminosa:

Esse é o valor que você vê com mais frequência. Geralmente possui a unidade de lúmen por watt. E fornece o fluxo luminoso por potência, que é uma quantidade útil para ver quanta luz obteremos com uma determinada potência.

Com isso, temos que ter um pouco de cuidado também. Porque a energia pode ser o fluxo radiante da fonte ou a energia elétrica. Assim, o primeiro pode ser chamado de eficácia luminosa da radiação, e o segundo eficácia luminosa de uma fonte ou eficácia luminosa geral.


Agora surge o problema: não podemos ver todas as cores igualmente bem. E os lúmens são realmente ponderados com base na resposta do nosso olho:

CIE 1931 Luminosity.png
Domínio Público, Link

Portanto, com isso, você pode criar alguns valores dos limites superiores (com base na redefinição da unidade candela ). Este seria o eficácia luminosa da radiação .

Que são:

  • Luz verde a 555 nm: 683 lm / W
  • Máximo para CRI = 95 a 5800K: 310 lm / W (com base em radiadores de corpo preto truncados)
  • Máximo para CRI = 95 a 2800 K: 370 lm / W

Para mais veja aqui .

Se você diminuir o CRI (índice de reprodução de cores), poderá obter valores mais altos. Mas não superior a 683 lm / W.


Então, quão eficientes são os LEDs?

Aqui temos valores de eficácia luminosa de uma fonte .

Bem, há uma corrida de eficiência. Cree publicou um comunicado de imprensa com um LED de laboratório de 303 lm / W a 5150K. O CRI não foi mencionado, acho que é menor que 95, mas com base nos dados acima, parece que ele teria uma eficiência luminosa de algo entre 80% e 90%.

É claro que seu LED médio disponível tem menos. 100 lm / W seria de cerca de 25% a 30% e os novos chips de 200 lm / W anunciados recentemente (em agosto de 2017) atingem 50% a 60%.

Observe que o acima é para visão fotópica (visão diurna), as coisas mudam com a visão escotópica, mas isso geralmente não é tão interessante.


Se você realmente quer entender o que é isso, precisará pegar o espectro do LED e descobrir qual é o maior valor teórico máximo para esse espectro (com base na curva de ponderação) e calcular o valor.

Como cada LED tem um espectro diferente, é difícil obter esses dados facilmente.


Espero não ter cometido um erro aqui, porque sempre acho o tópico um pouco confuso, não importa quantas vezes eu o revise.


Portanto, se os LEDs prontos para uso estiverem entre 25 a 50% eficientes, e os LEDs prontos para uso usarem 5 a 10 watts de eletricidade, e as lâmpadas incandescentes prontas para uso usarem 50 a 100 watts de eletricidade iluminação), isso significa que as lâmpadas incandescentes eram 2,5 a 5% eficientes?
Sidney

5
@ Sidney Sim, algo em torno disso. As lâmpadas incandescentes emitem algo entre 10 a 15 lm / W a cerca de 2500 K a 3000 K, com o valor acima de 370 lm / W de eficácia luminosa da radiação, você acaba com uma eficiência luminosa de 3% a 4%. Sim, muito ruim.
Arsenal

Supondo que o preço dos chips Cree seja inundado pelo consumo total de energia durante a vida útil esperada, esse resultado termina essencialmente um esforço de 700 anos da humanidade para reduzir o custo da iluminação: ourworldindata.org/light - o melhor resultado possível é apenas um 10% de melhoria.
user14717

Um acompanhamento pergunta sobre cor LED e uma resposta espero correta pode ser encontrada aqui: electronics.stackexchange.com/questions/325949/...
Arsenal

7

Conforme observado nos comentários, isso depende.

Os LEDs mais antigos geralmente têm uma eficiência mais baixa que os tipos mais novos.

Algumas lâmpadas possuem componentes eletrônicos mais eficientes para converter a tensão da rede elétrica na tensão CC necessária para os LEDs.

Porém, para uma determinada lâmpada LED, você pode fazer uma estimativa com a frequência com que a quantidade de energia necessária para uma luz incandescente (com uma quantidade semelhante de saída de luz) estiver impressa na caixa. Segundo a Wikipedia, a eficiência média de uma lâmpada incandescente é de 2,2%.

Vamos considerar a lâmpada Ikea "LEDARE" E-27 600 lúmen como exemplo:

Potência equivalente para lâmpada incandescente: 48 W Potência real usada: 8,6 W

Isso significa que esta lâmpada afirma ser 48 / 8,6 = 5,6

vezes mais eficiente que uma lâmpada incandescente, resultando em:

5,6 * 2,2% = 12,3% de eficiência.

Para esta lâmpada Ikea Ledare.

Observe que essa é a eficiência total; portanto, a eficiência dos eletrônicos vezes a eficiência dos próprios LEDs.

A eletrônica adequada do driver de LED deve ter uma eficiência de 85 - 99% (esse é meu palpite pessoal!). Portanto, a eficiência real dos LEDs será um pouco maior que os 12,3% que acabei de calcular.

Isso pressupõe que todos os números fornecidos pela Ikea sejam verdadeiros, é claro.


Obrigado. No entanto, estou mais interessado no próprio LED real em vez de luminárias inteiras
Dirk Bruere

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Você precisa de 1 / 683W de energia para gerar 1 lúmen de luz. Isso significa que a eficiência está em torno de 12%. É assim que vai:

Primeiro, vamos assumir que temos uma luz que irradia igualmente para todas as direções. Por definição, 1 candela é 1 / 683W (luz monocromática de 550nm). 1 candela irradia para 1 ângulo estériano, que é 1 / 4π (8%) da área total da superfície da esfera. Portanto, você precisa de 4π / 683W para produzir 1 candela para todas as direções e o fluxo luminoso total é de 4π = 12,6 lm.

Qual potência é igual a 1 lm? Você obtém dividindo 4π / 683W por 4π e o resultado final é (4π / 683W) / 4π = 1 / 683W. Essencialmente, você precisa de 1 / 683W de potência para criar um fluxo luminoso de 1 lúmen (1 / 4π = 0,08 candela para todos os 1 ângulos estéreis).

Usando a figura acima, você precisa 900 vezes 1 / 683W = 1,32W para produzir um fluxo luminoso de 900 lúmens.

Minha lâmpada de verdade, adquirida em uma loja local, consome 900 lm e 11W de energia elétrica. Suponho que ele irradie luz igualmente para todas as direções. Usando números anteriores, a eficiência elétrica da lâmpada é de 1,32 W / 11 W = 0,12, o que equivale a 12% de eficiência.


Você está introduzindo um certo erro ao supor que sua lâmpada está emitindo luz verde monocromática. Conforme indicado na minha resposta, o lúmen máximo por watt depende da temperatura da luz e do índice de reprodução de cores. @ 2700K, que é um valor típico para lâmpadas domésticas, você acaba com um valor de 370 lm / W, para que sua lâmpada seja 22% eficiente.
Arsenal
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