¿Qué tan eficientes son los LED?

Para aclarar las cosas, definamos de qué estamos hablando.

Hay dos términos que se confunden muy a menudo:

• Eficacia luminosa:

La eficiencia luminosa es una cantidad adimensional que se deriva de la eficacia luminosa. Es simplemente el cociente de la eficacia luminosa de la fuente y la máxima eficacia luminosa posible de la radiación.

• Eficacia luminosa:

Este es el valor que ve con más frecuencia. Suele tener la unidad de lumen por vatio. Y da el flujo luminoso por potencia, que es una cantidad útil para ver cuánta luz obtendremos con una potencia dada.

Con esto tenemos que tener un poco de cuidado también. Porque la potencia puede ser el flujo radiante de la fuente o la potencia eléctrica. De modo que la primera puede llamarse eficacia luminosa de la radiación, y la segunda eficacia luminosa de una fuente o eficacia luminosa global.

Ahora surge el problema de que no podemos ver todos los colores igual de bien. Y los lúmenes en realidad se ponderan en función de la respuesta de nuestro ojo:

_{^{Dominio Público, Enlace}}

Entonces, con esto, puede crear algunos valores de límites superiores (basados ​​en la redefinición de la unidad candela ). Esta sería la eficacia luminosa de la radiación .

cuales son:

• Luz verde a 555 nm: 683 lm/W
• Máximo para CRI=95 a 5800K: 310 lm/W (basado en radiadores de cuerpo negro truncado)
• Máximo para CRI=95 a 2800 K: 370 lm/W

Para más ver aquí .

Si reduce el índice de reproducción cromática (CRI), puede lograr valores más altos. Pero no superior a 683 lm/W.

Entonces, ¿qué tan eficientes son los LED?

Aquí tenemos valores de eficacia luminosa de una fuente .

Bueno, hay una carrera de eficiencia. Cree publicó un comunicado de prensa con un LED de laboratorio de 303 lm/W a 5150K. No se mencionó el CRI, supongo que es inferior a 95, pero según los datos anteriores, parece que tendría una eficiencia luminosa de alrededor del 80% al 90%.

Por supuesto, su LED promedio disponible tiene menos. 100 lm/W rondaría entre el 25 % y el 30 % y los nuevos chips de 200 lm/W anunciados recientemente (en agosto de 2017) alcanzan entre el 50 % y el 60 %.

Tenga en cuenta que lo anterior es para la visión fotópica (visión diurna), las cosas cambian con la visión escotópica, pero eso generalmente no es tan interesante.

Si realmente quiere profundizar en esto, tendría que tomar el espectro del LED y averiguar cuál es el máximo teórico más alto para ese espectro (basado en la curva de ponderación) y luego puede calcular el valor.

Como todos y cada uno de los LED tienen un espectro diferente, es difícil obtener estos datos fácilmente.

_{^{Espero no haberme equivocado aquí, porque siempre encuentro el tema un poco confuso sin importar cuántas veces lo reviso.}}

Como se indica en los comentarios, depende.

Los LED más antiguos a menudo tienen una eficiencia más baja que los tipos más nuevos.

Algunas bombillas tienen componentes electrónicos más eficientes para convertir el voltaje de la red en el voltaje de CC necesario para los LED.

Pero para una bombilla de luz LED determinada, puede hacer una estimación con la frecuencia con la que la cantidad de energía que necesita una luz incandescente (con una cantidad similar de salida de luz) está impresa en la caja. Según Wikipedia , la eficiencia media de una bombilla incandescente es del 2,2 %.

Tomemos como ejemplo la bombilla "LEDARE" E-27 de 600 lúmenes de Ikea:

Potencia equivalente para bombilla incandescente: 48 W Potencia real utilizada: 8,6 W

Eso significa que esta bombilla dice ser 48 / 8.6 = 5.6

veces más eficiente que una bombilla incandescente, por lo que resultaría en:

5,6 * 2,2 % = 12,3 % de eficiencia.

Para esta lámpara Ikea Ledare.

Tenga en cuenta que esta es la eficiencia total , por lo que la eficiencia de la electrónica multiplicada por la eficiencia de los propios LED.

La electrónica adecuada del controlador de LED debería tener una eficiencia del 85 - 99 % (¡esa es mi suposición personal!) Por lo tanto, la eficiencia real de los LED será ligeramente superior al 12,3 % que acabo de calcular.

Eso suponiendo que todos los números dados por Ikea sean ciertos, por supuesto.

Necesitas 1/683W de potencia para generar 1 lumen de luz. Significa que la eficiencia está en algún lugar alrededor del 12%. Así es como va:

En primer lugar, supongamos que tenemos una luz que irradia por igual en todas las direcciones. Por definición, 1 candela es 1/683 W (luz monocromática de 550 nm). 1 candela irradia a 1 ángulo estereorradián, que es 1/4π (8%) del área total de la superficie de la esfera. Entonces, necesitas 4π/683W para producir 1 candela en todas las direcciones y el flujo luminoso total es 4π = 12,6 lm.

¿Qué potencia es igual a 1 lm? Lo obtienes dividiendo 4π/683W por 4π y el resultado final es (4π/683W) / 4π = 1/683W. Esencialmente, necesita 1/683 W de potencia para crear un flujo luminoso de 1 lumen (1/4π = 0,08 candela para todos los ángulos de 1 estereorradián).

Usando la cifra anterior, necesita 900 veces 1/683W = 1,32W para producir un flujo luminoso de 900 lúmenes.

Mi bombilla real, adquirida en una tienda local, indica 900 lm y 11 W de energía eléctrica. Supongo que irradia luz por igual en todas las direcciones. Usando cifras anteriores, la eficiencia eléctrica de la bombilla es de 1,32 W / 11 W = 0,12 que equivale a un 12% de eficiencia.

La pregunta no se refería a una cantidad "luminosa", sino a una cantidad "radiante", indicando específicamente "en términos de energía eléctrica de entrada a energía óptica de salida".

Para aquellos que parecen no entenderlo, una cantidad "luminosa" se determina aplicando una función de ponderación a una cantidad "radiante". Wikipedia tiene una página que describe la "función de eficiencia luminosa"/"función de luminosidad".

La eficiencia radiante de un diodo emisor de luz depende de la fracción de portadores inyectados en la región activa, la fracción de las recombinaciones espontáneas que son radiativas y la eficiencia de extracción de los fotones generados. La eficiencia de extracción puede depender particularmente de los reflejos internos en la superficie del LED. Además de esto, los LED basados ​​en fósforo también tendrán una pérdida de "desplazamiento de Stokes", que se refiere a la diferencia entre la banda máxima de los espectros de absorción y emisión, típicamente de azul a amarillo.

Sorprendentemente, una búsqueda en la web no arrojó casi nada del tipo de investigación que informara sobre la eficiencia radiante de los LED. Sin embargo, hay una declaración muy general aquí: https://www.dial.de/en-GB/projects/efficiency-of-leds-the-highest-luminous-efficacy-of-a-white-led - afirmando que “Los LED muy eficientes en la actualidad alcanzan valores entre el 40% y el 50%”. También hay un cuadro que compara los espectros de iluminación incandescente, fluorescente y LED.

También puede ser útil leer aquí - "Corriente de funcionamiento LED segura" https://electronics.stackexchange.com/q/380033 - donde el usuario "Misunderstood" sugiere que "Al menos el 20% de la potencia son vatios radiantes".

Entonces, para responder específicamente, pero solo como una suposición aproximada, la eficiencia radiante de un LED probablemente esté entre el 20% y el 40%. Y luego, del 60% al 80% de la potencia de entrada generará calor. Esos números deberían permitir al menos cálculos aproximados de la temperatura de funcionamiento y del disipador de calor.