¿Por qué se consideran eficientes los LED?

Question

Siempre me ha costado entender los circuitos que contienen LED, por favor, tened paciencia conmigo. Sé que a la mayoría de la gente le resulta fácil, pero a mí me confunden, así que puede que algunas de mis suposiciones no sean correctas.

Así que a la pregunta: Dado que los LED son, al fin y al cabo, diodos, actúan esencialmente como conductores con tensión directa, ¿no? Por eso necesitamos una resistencia pull-down para regular la corriente que circula por el circuito.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un LED con una Vf de 2 V y una corriente de funcionamiento de 20 mA. (Creo que estos números son razonables, ¿verdad? De nuevo, si no, por favor házmelo saber). Y nuestra fuente de alimentación es de 4V constantes. Esto significa que necesitamos que la resistencia consuma 20 mA a 2 V, por lo que sería una resistencia de 100, con 40 mW pasando a través de ella. Eso es un consumo de energía minúsculo, pero la mitad de la energía suministrada se desperdicia a través del calor. Así que en este caso, ¿la eficiencia en el mejor de los casos no es del 50%? Lo que no es realmente eficiente en términos de fuentes de alimentación de CC, habría pensado.

Así que cuando la gente se refiere a la alta eficiencia de los LED, ¿se refieren al hecho de que los propios LED convierten la energía que utilizan en luz de manera eficiente, o se considera eficiente incluso después de considerar el 50% de eficiencia máxima del enchufe de pared?

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

Answer 1

Parece que confundes la eficiencia del LED con la eficiencia del circuito que acciona 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 muy buenos, rondan el 10%. [1] Sin embargo, sigue siendo mucho mejor que el ~1-2% de una bombilla incandescente convencional.

Pero qué pasa con esa energía desperdiciada en la resistencia. Una resistencia en serie es la forma más sencilla de controlar un LED, pero no es ni mucho menos la única.

Incluso ciñéndonos a una resistencia ¿qué pasa si ponemos 20 de tus LEDs de 2V en serie y los alimentamos con 45V? Ahora estás utilizando 45*0,02 = 900mW, de los cuales 800mW van a los LEDs y sólo 100mW (11%) son utilizados por la resistencia en serie.

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

Puedes conseguir fuentes de alimentación de corriente constante. Si utilizas una de ellas para alimentar los LED, puedes eliminar la resistencia y conseguir una eficiencia de más del 90% de la potencia total del sistema en los LED.

Para un proyecto casero o un simple indicador de una señal, una resistencia es mucho más barata y sencilla, pero si vas a controlar muchos LEDs, la opción lógica es pagar un poco más, tener un circuito un poco más complejo y utilizar un circuito integrado controlador de LEDs de corriente constante.

1. Como se ha señalado en los comentarios, el 10% es una buena cifra aproximada para la iluminación doméstica actual y probablemente también es correcta para los LED baratos que utilizan procesos más antiguos. Las nuevas piezas monocolor pueden alcanzar niveles de eficiencia mucho más elevados.

Answer 2

La eficiencia de un LED se refiere a su eficacia. No tiene nada que ver con lo eficiente o no que sea el circuito de accionamiento.

En muchos casos, la eficiencia global del circuito de los LED no es un gran problema. Si el LED sólo se utiliza como indicador, en primer lugar es de bajo consumo. Un LED verde típico consume 2,1 V y es suficientemente brillante para ser utilizado como indicador a 20 mA. Eso es 42 mW de potencia en el LED. Incluso si se pierden 50 mW adicionales en el circuito que conduce el LED, el consumo total de energía sigue siendo intrascendente en muchos casos.

En algunas aplicaciones de baja potencia, 100 mW pueden ser una cantidad importante de energía. En tales casos, habrá que tener más cuidado en el circuito, aparte de la barata y simple resistencia en serie a alguna fuente de alimentación a mano. Varios trucos incluyen el uso de un LED de mayor eficiencia y hacerlo funcionar a menor corriente, utilizar una fuente de alimentación que esté sólo un poco por encima del voltaje del LED, ajustar la interfaz de usuario para que el parpadeo o mantener el LED apagado parte del tiempo sea aceptable, y una fuente de alimentación de corriente constante de alta eficiencia para accionar el LED.

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

Answer 3

La pregunta sobre la eficiencia real de los LED es buena, pero la respuesta es más compleja de lo que cabría esperar. La capacidad de iluminación suele expresarse en "lúmenes".

La eficiencia de los LED suele expresarse en términos de

• producción de energía luminosa o

• capacidad de iluminación

por unidad de aporte energético.

Para una potencia luminosa determinada, la eficiencia se expresa normalmente en lúmenes por vatio (l/W) o en potencia de energía luminosa por vatio W/W). La primera cifra 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 luminosa tuvieran una relación fija, la determinación de la eficiencia sería sencilla. Sin embargo, lo que una cifra determinada de lúmenes representa 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 luminosa producirá un número diferente de lúmenes al variar la longitud de onda de la luz o la mezcla de longitudes de onda. En consecuencia, la longitud o longitudes de onda de la fuente desempeñan un papel importante en los lúmenes producidos por aporte de energía.

En el extremo de longitud de onda corta del espectro visible (no llega a UV), la sensibilidad ocular es extremadamente baja, por lo que los lúmenes/vatio son bajos, hasta el punto de que es habitual indicar el rendimiento de las fuentes azul oscuro y "Royal Blue" en términos de mW/W (energía luminosa por energía eléctrica). Esto es muy útil, ya que una familia de LED que incluya LED sin fósforo y con fósforo permite hacer algunas comparaciones. Por ejemplo, el "top flux bin" del LED Cree Royal Blue XT-E cuando funciona a Vf= 2,85V e If = 350 mA produce 613 mW típicos (600, 613, 625 mW min/typ/max) a una longitud de onda de 465 Nm.
Esto equivale a una eficiencia de conversión de electricidad a luz del 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 de fósforo blanco superior del mismo LED produce 180 lúmenes a 25C a 2,77 V, 350 mA = 970 mW CC o 186 lúmenes/vatio.

SI la energía luminosa de los LED azul real y blanco fuera la misma, el LED blanco tendría un valor l/W del 100% de 186/61,5% = 302 l/W con una eficiencia del 100%. Sin embargo, las salidas de luz no son idénticas (del todo), ya que en el LED blanco una parte de la luz azul del dado LED se utiliza directamente y el resto excita el fósforo o fósforos con cierta pérdida de eficiencia de conversión luz/luz.

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

La respuesta está en el hecho útil pero arcano (o arcano pero útil) de que la clasificación del lumen está relacionada con la respuesta ocular. La máxima sensibilidad ocular se produce a una longitud de onda de 555 nm. La máxima eficacia posible en l/W se consigue con una fuente monocromática a 555 nm. Cualquier otra fuente, monocromática o multi-longitud de onda, tendrá una cifra de l/W teórica posible inferior al 100%.

¡¡¡¡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 !!!!

Realizando varios ajustes para mantener la luz "blanca" y al mismo tiempo alterando el % de varias longitudes de onda se pueden conseguir eficiencias de blanco cada vez mayores. Un cuerpo negro de 2800k truncado asimétricamente para conseguir un CRI de 95 tiene una eficiencia teórica máxima de 370 l/W.

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

Más anon - luz se desvanece - rootop trabajo hace señas ...

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Referencias WIP

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

Análisis de la eficacia luminosa del diodo emisor de luz blanca de 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