¿Cómo se consideran eficientes los LED?

Siempre he encontrado que los circuitos que contienen LED son difíciles de entender, tengan paciencia conmigo. Sé que a la mayoría de las personas les resulta fácil, pero me confunden, por lo que algunas de mis suposiciones pueden no ser correctas, corríjame si ese es el caso.

Entonces, sobre la pregunta: dado que los LED son, después de todo, diodos, esencialmente actúan como conductores con voltaje directo, ¿verdad? Es por eso que necesitamos una resistencia desplegable para regular la corriente que fluye a través del circuito.

Por ejemplo, digamos que tenemos un LED con un Vf de 2 V y una corriente de funcionamiento de 20 mA. (Creo que esos números son razonables, ¿verdad? Nuevamente, si no es así, hágamelo saber). Y nuestra fuente de alimentación es de 4V constantes. Esto significa que necesitamos que la resistencia extraiga 20 mA a 2 V, por lo que sería una resistencia de 100 Ω, con 40 mW atravesándola. Eso es un consumo de energía mínimo, pero la mitad de la energía suministrada se desperdicia a través del calor. Entonces, en este caso, ¿no es la mejor eficiencia del 50%? Lo cual no es realmente eficiente en términos de fuentes de alimentación de CC, habría pensado.

Entonces, cuando las personas se refieren a la alta eficiencia de los LED, ¿se refieren al hecho de que los propios LED convierten la energía que usan en luz de manera eficiente, o se considera eficiente incluso después de considerar la eficiencia máxima del enchufe de pared del 50%?

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

¿Necesitamos una resistencia desplegable ? No, no lo hacemos. Necesitamos una resistencia en serie . Alta eficiencia significa que la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada es alta. La salida del LED es luz. La entrada es energía eléctrica. Eso es.
¿Quizás el problema de eficiencia es con la sobretensión/sobrecorriente en lugar de la tecnología LED en sí?
Se refieren a la bombilla incandescente como referencia. Incluso una eficiencia del 5% es realmente un gran problema, si la alternativa con la que está reemplazando las cosas es un 1% de eficiencia.
Busque el artículo de wikipedia en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy . Además, olvídate de las resistencias y busca una fuente de alimentación de corriente constante. No hay resistencia, sino un circuito de retroalimentación de corriente en su lugar.
El propio LED es un convertidor de energía eléctrica en luz más eficiente que una bombilla incandescente. Las 'bombillas' LED comerciales no usan resistencias simples para alimentar sus LED, usan fuentes de alimentación conmutadas que no convierten todo el 'voltaje caído' en calor.
@PlasmaHH: Desde un punto de vista, las lámparas de filamento de tungsteno son terriblemente ineficientes, e incluso las luces fluorescentes no parecen demasiado buenas. Por otro lado, no puedo pensar en nada anterior al siglo XXI que fuera particularmente eficiente para convertir cualquier tipo de energía en luz.
Y algunas bombillas LED baratas (sí, de China) que no usan un convertidor de modo conmutado adecuado usan un circuito cuentagotas capacitivo que reduce el voltaje de una manera más furtiva pero también más eficiente que usar solo una resistencia. Estos todavía proporcionan más lúmenes por vatio que una bombilla anticuada.
@supercat: Entonces rara vez has estado afuera en la noche. Allí todo es amarillo, porque las lámparas de sodio son tan eficientes como las LED.
20mA@2V = 40 mW
Solo como referencia, 2 V y 20 mA son razonables. Lo más bajo que normalmente verá es ~ 1.6 V para LED rojos, amarillo y verde normalmente son un poco más altos pero no mucho. Azul, blanco y verde "verdadero" son más, normalmente un poco más de 3 V. Para LED pequeños, 20 mA es normalmente el máximo de diseño, siendo 10 mA un nivel de trabajo más normal. Los de alta potencia tomarán más corriente.
@PlasmaHH: quise hacer dos puntos y los borré: (1) otros medios de iluminación como lámparas y velas son aún menos eficientes; (2) Los LED 21st fueron la primera tecnología que sería adecuada para usar en muchos de los lugares donde se usaban lámparas incandescentes.
Tangencialmente, hay otra eficiencia: tienen una vida más larga que las bombillas incandescentes, por lo que su reemplazo implica un menor costo. Por ejemplo, una vez reparé una videograbadora reemplazando una bombilla interna defectuosa que se usaba como parte de un sensor de posición.
@EugeneSh. Err... para ser honesto, no estoy seguro de qué es exactamente una resistencia desplegable jajaja. Al aprender sobre los transistores, solo pensé que eran solo una forma de conectar un punto de voltaje flotante a tierra (o 0 VCC). Entiendo que la resistencia está conectada en serie, pero ¿podría explicar a qué se refiere exactamente una resistencia desplegable?
@Andyaka Bueno, eso es vergonzoso, jaja, gracias por captar eso. Creo que lo que sucedió fue que hice I^2R pero usé 2 como resistencia en lugar de voltaje.
@winny ¿Cómo funciona eso con componentes de tipo semiconductor? ¿La resistencia efectiva no cambiaría prácticamente cada vez que el voltaje se ajustara por encima o por debajo del Vf para mantener la corriente constante y hacer que el LED parpadee? ¿O no se comportan exactamente igual que los diodos normales?
Así que gracias a todos, creo que entiendo. La eficiencia se refiere a la eficiencia solo del LED, desde el ánodo hasta el cátodo / hay fuentes de alimentación más eficientes / es eficiente en el contexto de la optoelectrónica es lo que obtuve. Por cierto, al responder a varios comentarios, ¿es mejor hacerlo por separado para cada respuesta o fusionarlos en un solo comentario?
Nada de chanclas a menos que lo diseñes de esa manera. Al igual que tiene un bucle cerrado que controla el voltaje de salida de una fuente de alimentación al modular el ciclo de trabajo PWM, puede hacer lo mismo para un bucle de corriente. Además, el Vf varía con la corriente, lo que lo hace aún más fácil con un bucle de control suave/malo/lento, pero no hay ningún problema inherente en la regulación de la corriente alrededor de un Vf "ajustado" de un diodo/LED.
La eficiencia también se refiere al conductor. Puede tenerlo tan eficiente como pueda pagar. Encontrarás muchos comerciales en un 80 % profundo del territorio.
Re, "...una forma de conectar un punto de voltaje flotante a tierra..." Es posible que desee aprender algo de teoría básica antes de empezar a decir palabras y frases que no entiende. Los primeros dos capítulos de este libro serían una buena lectura: en.wikipedia.org/wiki/The_Art_of_Electronics
@jameslarge lo siento... ¿Pensé que ese era el término para usar con un circuito abierto con una resistencia que no es lineal? ¿podría ayudarme a decir lo que estoy tratando de decir de una manera precisa? Además, ese libro es un poco caro... ¿Hay algún sitio donde pueda obtener una vista previa o algo así?
Todo lo que puedo decir es que, después de veinte años de jugar con la electrónica, leer libros al respecto e incluso tomar cursos de nivel universitario; ese libro realmente me abrió los ojos. Es una especie de bola extraña. No está destinado a estudiantes serios de ingeniería eléctrica, ni es un libro de cocina para aficionados. Está destinado a científicos que necesitan diseñar sus propios circuitos simples para monitorear y controlar experimentos, que necesitan entender realmente cómo funcionan las cosas, pero que no quieren perder el tiempo aprendiendo más de lo que necesitan saber. Es claro, es conciso y los autores realmente "lo entienden".

Respuestas (3)

Parece que se está confundiendo entre la eficiencia del LED y la eficiencia del circuito para controlar 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 geniales, tienen una eficiencia de alrededor del 10 % [1] en ese sentido, sin embargo, eso sigue siendo mucho mejor que el ~1-2 % de una bombilla incandescente convencional.

Pero, ¿qué pasa con ese poder desperdiciado en la resistencia? Una resistencia en serie es la forma más sencilla de controlar un LED, está lejos de ser la única forma de hacerlo.

Incluso pegándonos a una resistencia, ¿qué pasa si ponemos 20 de sus LED de 2V en serie y los alimentamos con 45V? Ahora está usando 45 * 0.02 = 900 mW de los cuales 800 mW van a los LED y solo 100 mW (11%) están siendo 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 los componentes electrónicos están diseñados para suministrar un voltaje constante. La forma más fácil de convertir de uno a otro (suponiendo una carga constante) es lanzar una resistencia en serie.

Puede obtener fuentes de alimentación de corriente constante. Si usa uno de esos para controlar su LED, entonces la resistencia puede eliminarse y puede obtener una eficiencia de más del 90% de la energía total del sistema que ingresa a los LED.

Para un proyecto doméstico o un indicador simple en una señal, una resistencia es mucho más barata y simple, pero si maneja muchos LED, la opción lógica es pagar un poco más, tener un circuito un poco más complejo y usar una constante dedicada. controlador de LED actual IC.

  1. Como se señaló en los comentarios, el 10% es un buen estadio para la iluminación doméstica actual y probablemente también sea correcto para los LED de productos básicos baratos que utilizan procesos más antiguos. Las piezas de un solo color más nuevas pueden lograr niveles significativamente más altos de eficiencia.
De alguna manera, pensé que los LED modernos sin fósforo (de un solo color) tenían una eficiencia de alrededor del 25 al 35%. ¿Puede agregar un enlace para esa estimación de eficiencia energética del 10%? ¡Gran respuesta por cierto!
El número del 10% fue una aproximación aproximada de memoria en lugar de un número duro. Una mirada rápida aquí en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy#Lighting_efficiency indicaría que para la iluminación del hogar, el 10% es un número razonable para el producto final. Lo que implicaría que un LED de alta eficiencia de un solo color bien podría estar en la región de ~30% si observa solo el LED y no la electrónica de soporte. Actualizaré la respuesta.
El contenedor superior de los mejores LEDS de fósforo blanco del mercado logra que >50 % de la entrada de energía salga como luz. Salida superior a 200 lúmenes/vatio.
@RussellMcMahon ¿Tiene una fuente para eso? Wikipedia indicaría que el 100 % de eficiencia es de alrededor de 680 lm/W, lo que significa que 200 lm/W es alrededor del 30 %, no > 50 %. Sin embargo, está muy por encima del 50% de la eficiencia máxima teórica. Si bien wikipedia no es una fuente definitiva, es mejor que nada.
@Andrew - mira mi respuesta. Básicamente, la clasificación de lúmenes se pondera según la respuesta del ojo humano. 683 l/w max es SOLO a 555 nm.

La eficiencia de un LED se refiere a qué tan eficiente es el LED. Esto no tiene nada que ver con la eficiencia o no del circuito de conducción.

En muchos casos, la eficiencia general del circuito de los LED no es un gran problema. Si el LED solo se usa como indicador, es de baja potencia en primer lugar. Un LED verde típico cae 2.1 V y es lo suficientemente brillante para usar como indicador a 20 mA. Eso es 42 mW de potencia entrando al LED. Incluso si se pierden 50 mW adicionales en el circuito que activa el LED, el consumo total de energía sigue siendo intrascendente en muchos casos.

En algunas aplicaciones de baja potencia, 100 mW puede ser una gran cantidad de potencia. En tales casos, se tendrá más cuidado en el circuito que en la resistencia en serie barata y simple para algún suministro práctico. Varios trucos incluyen usar un LED de mayor eficiencia y hacerlo funcionar a una corriente más baja, usar un suministro que esté solo un poco por encima del voltaje del LED, ajustar la interfaz de usuario para que parpadee o mantener el LED apagado parte del tiempo sea aceptable, y un fuente de alimentación de corriente constante de alta eficiencia para impulsar el LED.

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

Además, muchas aplicaciones de iluminación tienen la eficiencia de los LED en comparación con la eficiencia de las bombillas incandescentes y CFL. Aún se podría decir que los LED son de alta eficiencia, incluso si no lo fueran particularmente, si, sin embargo, fueran más eficientes que las alternativas. Lo cual creo que es el caso por un margen bastante amplio (particularmente en el caso de las bombillas incandescentes.
No son mucho más eficientes que las bombillas CFL. Sin embargo, la calidad de la luz es mucho mejor. En mi opinión, se centra demasiado en la eficiencia de la producción de luz y muy poco en la calidad (espectro, CRI) de la luz. El efecto de la mala calidad de la luz es que los propietarios de viviendas opten por la cantidad cuando falta calidad. Busco bombillas LED con un CRI >= 95, que son casi tan buenas como las halógenas incandescentes. Estos LED son un poco menos "eficientes" que los que tienen un CRI >= 80, pero creo que la calidad de la luz es mucho mejor, lo que significa que estoy satisfecho con menos vatios de iluminación.
Por cierto, en el frente de CRI, las luces LED de alto CRI también cuestan mucho más que las luces baratas CRI> = 80. En mi opinión, valen cada centavo.
La eficiencia de un LED de iluminación es la eficiencia de su sistema, generalmente expresada en lúmenes por vatio. No importa si el calor residual proviene del controlador o del chip LED o del filtro de corrección CRI que se encuentra frente a él.
Solo punto de datos: el contenedor superior de los mejores LED de fósforo blanco del mercado logra que >50 % de la entrada de energía salga como luz. Salida superior a 200 lúmenes/vatio.

La pregunta sobre qué tan eficientes son los LED reales es buena, pero la respuesta es más compleja de lo que cabría esperar. La capacidad de iluminación generalmente se expresa en "lúmenes".

La eficiencia del LED generalmente se expresa en términos de

  • salida de energía luminosa o

  • capacidad de iluminación

por unidad de entrada de energía.

Para una salida de lúmenes dada, la eficiencia generalmente se expresa en lúmenes por vatio (l/W) o en salida 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 representa una figura de luz dada 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 a medida que varía la longitud de onda de la luz o la combinación de longitudes de onda. Como consecuencia, la longitud de onda o las longitudes de onda de la fuente juegan un papel importante en los lúmenes producidos por entrada de energía.

En el extremo de longitud de onda corta del espectro visible (no del todo UV), la sensibilidad ocular es extremadamente baja, por lo que los lúmenes/vatio son bajos, tanto que es habitual citar la salida de fuentes de azul profundo y "azul real" en términos de mW/W (energía luminosa por energía eléctrica). Esto es muy útil ya que una familia de LED que incluye LED sin fósforo y basados ​​en fósforo permite hacer algunas comparaciones. Por ejemplo, el "contenedor de flujo superior" del LED Cree Royal Blue XT-E cuando funciona a Vf = 2,85 V e If = 350 mA produce 613 mW típicos (600, 613, 625 mW mín./típ./máx.) a una longitud de onda de 465 Nm.
Eso equivale a una eficiencia de conversión de electricidad a luz de 60,2 % / 61,5 % / 62,7 % mín./típ./máx.
Consulte la página 19 de la hoja de datos de Cree XT-E en la parte superior derecha de la tabla: XTEARY-00-0000- 000000Q01

La versión superior de fósforo blanco del mismo LED produce 180 lúmenes a 25 C a 2,77 V, 350 mA = 970 mW de CC o 186 lúmenes/vatio.

SI la energía de la luz de los LED azul real y blanco fuera la misma, entonces el LED blanco tendría una cifra de 100 % l/W de 186/61,5 % = 302 l/W con una eficiencia del 100 %. Sin embargo, las salidas de luz no son idénticas (totalmente) como en el LED blanco, una parte de la luz azul del LED se usa directamente y el resto excita el(los) fósforo(s) con alguna pérdida en la eficiencia de conversión luz/luz.

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

La respuesta radica en el hecho útil pero arcano (o arcano pero útil) de que el índice de lúmenes está relacionado con la respuesta del ojo. La máxima sensibilidad ocular se produce a una longitud de onda de 555 nm. La máxima eficiencia posible en l/W se puede lograr con una fuente monocromática a 555 nm. CUALQUIER otra fuente, monocromática o de múltiples longitudes de onda, tendrá una cifra de l/W posible inferior al 100% teórico.

La fuente de luz blanca "ideal" es un radiador de cuerpo negro a 5800k con su espectro truncado al rango de 400-700 nm y tiene una eficiencia máxima de 251 l/W.

Al hacer varios ajustes para mantener la luz "blanca" mientras se modifica el % de varias longitudes de onda, se pueden lograr eficiencias blancas crecientes. Un cuerpo negro de 2800k truncado asimétricamente para lograr un CRI de 95 tiene una eficiencia teórica máxima de 370 l/W.

Pero espera, hay más, pero quizás más tarde.
Volveré y agregaré fuentes y más detalles, pero lo anterior muestra que la respuesta es más difícil que la pregunta, y demuestra que, en términos reales de energía por energía, los LED modernos superiores logran eficiencias de conversión de energía de> 50%.

Más pronto - la luz se desvanece - el trabajo de rootop llama...


Referencias WIP

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

Análisis de la eficiencia 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-ficient-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