Comment les LED sont-elles considérées comme efficaces?

J'ai toujours trouvé des circuits contenant des LED difficiles à comprendre, veuillez faire preuve de patience. Je sais que la plupart des gens trouvent cela facile, mais je suis confus par eux, donc certaines de mes hypothèses peuvent ne pas être correctes, veuillez me corriger si c'est le cas.

Donc, sur la question: puisque les LED sont, après tout, des diodes, elles agissent essentiellement comme des conducteurs avec une tension directe, non? C'est pourquoi nous avons besoin d'une résistance de pull-down pour réguler le courant qui traverse le circuit.

Par exemple, disons que nous avons une LED avec un Vf de 2 V et un courant de fonctionnement de 20 mA. (Je pense que ces chiffres sont exacts raisonnables? Encore une fois, sinon, s'il vous plaît laissez - moi savoir.) Et notre alimentation est une 4V constante. Cela signifie que nous avons besoin de la résistance pour tirer 20 mA à 2 V, ce serait donc une résistance de 100 Ω, avec 40 mW à travers. C'est une petite consommation d'énergie, mais la moitié de l'énergie fournie est gaspillée par la chaleur. Donc dans ce cas, le meilleur rendement n'est-il pas de 50%? Ce qui n'est pas vraiment efficace en termes d'alimentation DC, j'aurais pensé.

Donc, lorsque les gens se réfèrent à la haute efficacité des LED, font-ils référence au fait que les LED elles-mêmes convertissent efficacement l'énergie qu'elles utilisent en lumière, ou est-elle considérée comme efficace même après avoir considéré l'efficacité de la prise murale maximale de 50%?

Ou est-ce juste que j'ai donné un exemple qui se trouve être une conception de circuit horrible qui ne serait jamais trouvée dans les applications de production?

led efficiency power-dissipation

— user3052786
source

nous avons besoin d'une résistance pull-down ? Non, nous ne le faisons pas. Nous avons besoin d'une résistance série . Un rendement élevé signifie que le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée est élevé. La sortie de LED est légère. L'entrée est l'énergie électrique. C'est ça.

— Eugene Sh.

Ils se réfèrent à l'ampoule à incandescence comme référence. Même une efficacité de 5% est vraiment un gros problème, si l'alternative avec laquelle vous remplacez les choses est efficace à 1%.

— PlasmaHH

Recherchez l'article de wikipedia en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy . Aussi, oubliez les résistances et recherchez une alimentation à courant constant. Pas de résistance mais une boucle de rétroaction de courant à la place.

— winny

La LED elle-même est un convertisseur d'énergie électrique en lumière plus efficace qu'une ampoule à incandescence. Les `` ampoules '' à LED commerciales n'utilisent pas de simples résistances pour alimenter leurs LED, elles utilisent des alimentations à découpage qui ne convertissent pas toute la `` chute de tension '' en chaleur.

— brhans

@supercat: Alors vous avez rarement été dehors la nuit. Tout y est jaune, car les lampes au sodium sont à peu près aussi efficaces que les LED.

— PlasmaHH

Réponses:

Vous semblez devenir confus entre l'efficacité de la LED et l'efficacité du circuit pour piloter la LED.

En termes de rendement lumineux par unité d'énergie utilisée par la LED, ils constituent un moyen efficace de générer de la lumière. En termes absolus, ils ne sont pas excellents, ils sont efficaces à environ 10% ^[1] à cet égard, mais c'est encore beaucoup mieux que les ~ 1-2% d'une ampoule à incandescence conventionnelle.

Mais que dire de cette puissance gaspillée dans la résistance. Une résistance série est le moyen le plus simple de piloter une LED, c'est loin d'être le seul moyen de le faire.

Même en collant à une résistance, que se passerait-il si nous mettions 20 de vos LED 2V en série et que nous l'alimentions en 45V? Vous utilisez maintenant 45 * 0,02 = 900 mW, dont 800 mW vont dans les LED et seulement 100 mW (11%) sont utilisés par la résistance série.

Mais nous pouvons le rendre encore plus efficace, la raison de la résistance est que les LED ont besoin d'un courant constant et la plupart des appareils électroniques sont conçus pour fournir une tension constante. Le moyen le plus simple de convertir de l'un à l'autre (en supposant une charge constante) est de placer une résistance série.

Vous pouvez obtenir des alimentations électriques à courant constant. Si vous utilisez l'un d'entre eux pour piloter votre LED, la résistance peut être éliminée et vous pouvez obtenir une efficacité de bien plus de 90% de la puissance totale de votre système dans les LED.

Pour un projet domestique ou un simple indicateur sur un signal, une résistance est beaucoup moins chère et plus simple, mais si vous pilotez beaucoup de LED, le choix logique est de payer un peu plus, d'avoir un circuit légèrement plus complexe et d'utiliser une constante dédiée pilote de LED actuel IC.

Comme indiqué dans les commentaires, 10% est un bon stade approximatif pour l'éclairage domestique actuel et probablement aussi correct pour les LED de produits bon marché utilisant des processus plus anciens. Les pièces monochromes plus récentes peuvent atteindre des niveaux d'efficacité considérablement plus élevés.

— Andrew
source

D'une certaine manière, je pensais que les LED modernes, non phosphorées (une seule couleur) étaient efficaces de 25 à 35%. Pouvez-vous ajouter un lien pour cette estimation de 10% d'efficacité énergétique? Grande réponse btw!

— uhoh

Le nombre de 10% était une approximation approximative de la mémoire plutôt qu'un nombre dur. Un rapide coup d'œil ici en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy#Lighting_efficiency indiquerait que pour l'éclairage domestique 10% est un nombre raisonnable pour le produit final. Ce qui impliquerait qu'une LED à haute efficacité d'une seule couleur pourrait bien être dans la région ~ 30% si vous ne regardez que la LED et non l'électronique de support. Je mettrai à jour la réponse.

— Andrew

Le bac supérieur des meilleures LEDs au phosphore blanc sur le marché atteint> 50% de l'apport d'énergie en laissant la lumière. Au-dessus de 200 lumens / Watt.

— Russell McMahon

@RussellMcMahon Avez-vous une source pour cela? Wikipédia indiquerait que 100% d'efficacité est d'environ 680 lm / W, ce qui signifie que 200 lm / W est d'environ 30% et non> 50%. Elle est cependant bien supérieure à 50% de l'efficacité maximale théorique. Alors que wikipedia n'est guère une source définitive, c'est mieux que rien.

— Andrew

@Andrew - voir ma réponse. Fondamentalement, l'indice de lumen est pondéré par la réponse de l'œil humain. 683 l / w max est UNIQUEMENT à 555 nm.

— Russell McMahon

L'efficacité d'une LED se réfère à son efficacité. Cela n'a rien à voir avec l'efficacité ou non du circuit de conduite.

Dans de nombreux cas, l'efficacité globale du circuit des LED n'est pas vraiment un problème. Si la LED est simplement utilisée comme indicateur, il s'agit en premier lieu d'une faible puissance. Une LED verte typique chute de 2,1 V et est suffisamment lumineuse pour une utilisation de l'indicateur à 20 mA. Cela représente 42 mW de puissance entrant dans la LED. Même si 50 mW supplémentaires sont perdus dans le circuit entraînant la LED, la consommation totale d'énergie est toujours sans conséquence dans de nombreux cas.

Dans certaines applications à faible consommation, 100 mW peuvent représenter une puissance importante. Dans de tels cas, plus de soin sera pris dans le circuit autre que la résistance série bon marché et simple à une alimentation pratique. Diverses astuces incluent l'utilisation d'une LED à plus haute efficacité et son fonctionnement à un courant plus faible, l'utilisation d'une alimentation qui n'est que légèrement au-dessus de la tension de la LED, le réglage de l'interface utilisateur de sorte que le clignotement ou le maintien de la LED éteinte une partie du temps soit acceptable, et un alimentation à courant constant à haute efficacité pour piloter la LED.

L'efficacité est également importante dans les applications à haute puissance, comme l'éclairage. Dans de tels cas, plus d'efforts et de coûts de production sont investis dans l'électronique pour minimiser la puissance supplémentaire dissipée à l'extérieur de la LED. Souvent, la principale raison de maximiser l'efficacité n'est pas tant de ne pas gaspiller l'énergie que de ne pas avoir à faire face à la chaleur causée par l'énergie gaspillée.

— Olin Lathrop
source

En outre, de nombreuses applications d'éclairage ont l'efficacité des LED par rapport à l'efficacité des ampoules à incandescence et des ampoules fluocompactes. Les LED pourraient encore être considérées comme à haute efficacité même si elles n'étaient pas particulièrement, si elles étaient néanmoins plus efficaces que les alternatives. Ce qui, je crois, est le cas dans une assez large mesure (en particulier dans le cas des incandescentes.

— KRyan

Ils ne sont pas beaucoup plus efficaces que les ampoules CFL. Cependant, la qualité de la lumière est bien meilleure. L'OMI se concentre trop sur l'efficacité de la production de lumière et trop peu sur la qualité (spectre, IRC) de la lumière. La mauvaise qualité de la lumière a pour effet de pousser les propriétaires de maisons à opter pour la quantité là où la qualité fait défaut. Je recherche des ampoules LED avec un IRC> = 95, qui sont presque aussi bonnes que celles à halogène. Ces LED sont légèrement moins "efficaces" que celles notées CRI> = 80, mais je trouve que la bien meilleure qualité de lumière signifie que je suis satisfait avec moins de watts d'éclairage.

— nigel222

BTW, sur le front CRI, les lumières LED CRI élevées coûtent également beaucoup plus cher que CRI> = 80 lumières. OMI, ils valent chaque centime.

— nigel222

L'efficacité d'une LED d'éclairage est l'efficacité de son système, généralement exprimée en lumens par watt. Peu importe que la chaleur perdue provienne du pilote ou de la puce LED ou du filtre de correction CRI situé devant.

— nigel222

Point de données uniquement: le bac supérieur des meilleures LED au phosphore blanc sur le marché atteint> 50% de l'apport d'énergie restant sous forme de lumière. Au-dessus de 200 lumens / Watt.

— Russell McMahon

La question de l'efficacité des LED réelles est bonne, mais la réponse est plus complexe que ce à quoi on pourrait s'attendre. La capacité d'éclairage est généralement exprimée en "lumens".

L'efficacité des LED est généralement exprimée en termes de

sortie d'énergie lumineuse ou
capacité d'éclairage

par unité d'énergie consommée.

Pour un flux lumineux donné, l'efficacité est généralement exprimée en lumens par Watt (l / W) ou en énergie lumineuse émise par Watt W / W). La première figure est plus utile dans les applications d'éclairage pratiques, mais la seconde est plus significative en termes d'efficacité de conversion d'énergie.

Si les lumens et l'énergie lumineuse avaient une relation fixe, la détermination de l'efficacité serait simple. Cependant, ce que représente un lumen donné en termes d '"énergie lumineuse" varie avec la composition spectrale de la lumière.

Les lumens sont exprimés en termes de courbe de réponse théorique de l'œil humain. La même quantité d'énergie lumineuse produira un nombre de lumens différent selon la longueur d'onde lumineuse ou le mélange de longueurs d'onde. En conséquence, la ou les longueurs d'onde de la source jouent un rôle important dans les lumens produits par apport d'énergie.

À la courte longueur d'onde du spectre visible (pas tout à fait UV), la sensibilité oculaire est extrêmement faible, donc les lumens / Watt sont faibles - à tel point qu'il est habituel de citer la sortie des sources bleu profond et "bleu royal" en termes de mW / W (énergie lumineuse par énergie électrique). Ceci est très utile car une famille de LED qui comprend des LED sans phosphore et à base de phosphore permet de faire des comparaisons. Par exemple, le «bac de flux supérieur» de la LED Cree Royal Blue XT-E lorsqu'elle fonctionne à Vf = 2,85 V et si = 350 mA produit 613 mW typique (600, 613, 625 mW min / typ / max) à une longueur d'onde de 465 Nm.
Cela équivaut à une efficacité de conversion électrique en lumière de 60,2% / 61,5% / 62,7% min / typ / max.
Voir page 19 de la fiche technique Cree XT-E en haut à droite du tableau - XTEARY-00-0000- 000000Q01

La version supérieure au phosphore blanc de la même LED produit 180 lumens à 25 ° C à 2,77 V, 350 mA = 970 mW DC ou 186 lumens / Watt.

SI l'énergie lumineuse des LED Royal Blue & White était la même, la LED blanche aurait un chiffre de 100% l / W de 186 / 61,5% = 302 l / W à 100% d'efficacité. Cependant, les sorties lumineuses ne sont pas identiques (tout à fait) car dans la LED blanche, une partie de la lumière bleue de la puce LED est utilisée directement et le reste excite le ou les luminophores avec une certaine perte d'efficacité de conversion lumière / lumière.

Comme cela a été noté, Wikipedia (à juste titre) déclare que le chiffre théorique maximal en l / w est de 683 l / w.
Comment cela peut-il être concilié avec l'affirmation selon laquelle l'efficacité des LED 100% blanches est ~ = 300 l / W - et le fait que divers fabricants fabriquent maintenant des LED blanches avec des rendements> 300 l / W?

La réponse réside dans le fait utile mais mystérieux (ou mystérieux mais utile) que l'indice de lumen est lié à la réponse oculaire. La sensibilité oculaire maximale se produit à une longueur d'onde de 555 nm. L'efficacité maximale possible en l / W est réalisable avec une source monochromatique à 555 nm. TOUTE autre source, monochromatique ou multi-longueur d'onde, aura un chiffre l / W possible inférieur à 100% théorique.

La source de lumière blanche "idéale" est un radiateur à corps noir à 5800k avec son spectre tronqué à la gamme 400-700 nm et a une efficacité maximale de 251 l / W !!!!

En effectuant divers ajustements pour maintenir une lumière "blanche" tout en modifiant le% de différentes longueurs d'onde, on peut augmenter l'efficacité du blanc. Un corps noir 2800k tronqué asymétriquement pour atteindre un IRC de 95 a une efficacité théorique maximale de 370 l / W.

Mais attendez - il y a plus, mais plus tard peut-être.
Je reviendrai et ajouterai des sources et plus de détails, mais ce qui précède montre que la réponse est plus difficile que la question, et démontre qu'en termes de véritable énergie par énergie, les meilleures LED modernes atteignent des rendements de conversion d'énergie> 50%.

Plus d'anon - la lumière s'estompe - le travail de rootop fait signe ...

Références WIP

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

Analyse de l'efficacité lumineuse de la diode électroluminescente blanche à conversion de phosphore

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

— Russell McMahon
source