Pytanie:
Jaka jest teoretyczna granica lumenów / wat dla systemów oświetleniowych?
tigerkoley
2018-02-22 03:32:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Obecnie widzimy diody LED o skuteczności świetlnej 300 lumenów na wat.Nadal marnują dużo energii w postaci ciepła.Jaki jest limit konwersji energii elektrycznej na światło?Powiedzmy, że budujemy diodę LED o 100% wydajności, która nie marnuje energii w postaci ciepła, dźwięku czy promieniowania UV / podczerwieni.Całe jego widmo znajduje się w zakresie widzialnym.Jaki będzie jego lumen / wat?Jaki jest teoretyczny dach, na który uderzylibyśmy w odległej przyszłości?

Dwa odpowiedzi:
Misunderstood
2018-03-07 07:35:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Obecnie widzimy diody LED o skuteczności świetlnej 300 lumenów na wat.

Może w laboratorium. Obecnie dostępne na rynku białe diody LED mają około 200 lm / w. 400 lm / w to praktyczna górna teoretyczna granica. US DOE szacuje, że do 2025 roku przekroczy 250 lm / w.

us doe led efficacy roadmap

Komercyjne niebieskie diody LED mają do około 80% skuteczności (Cree XP-3G i OSRAM Oslon SSL).
Białe diody LED wykorzystują niebieskie diody pokryte żółtym luminoforem.
Teoretycznie luminofory mogą dawać lepszą niż 100% skuteczność.

Gdyby koszt produkcji diody UV LED drastycznie spadł, skuteczność mogłaby gwałtownie wzrosnąć. Doniesiono o diodach LED emitujących blisko 400 nm o niezwykle wysokiej wydajności (Morita i in., 2004)

Jaki teoretyczny dach napotkalibyśmy w odległej przyszłości?

1 foton na elektron to idealna wydajność kwantowa jedności.

Wewnętrzna, ekstrakcyjna, zewnętrzna i moc to cztery podstawowe sprawności diod LED.

Wewnętrzny: liczba fotonów emitowanych z obszaru aktywnego na elektron przekraczający pasmo wzbronione. W zależności od materiałów i temperatury

Ekstrakcja: fotony emitowane przez aktywny region, które uciekają z matrycy LED. Jeśli wszystkie fotony emitowane przez obszar aktywny są również emitowane w wolnej przestrzeni, wydajność ekstrakcji wynosi jedność.

Zewnętrznie: stosunek liczby użytecznych cząstek światła wyemitowanych do liczba elektronów przekraczających pasmo wzbronione.

Efektywność energetyczna to efektywność „wtyczki do gniazdka”. Liczba emitowanych fotonów na jeden wykorzystany wat.

Jeśli technologia osiągnie teoretyczne maksimum jednego fotonu na elektron Teoretyczna skuteczność lm / w jest oparta wyłącznie na wyjściu widmowym.

Istnieją trzy wspólne jednostki miary strumienia LED. Świetlny (lumen), radiometryczny (waty) i kwantowy (liczba fotonów, jednostka SI = mole).

Widoczne widmo to 380 nm (770 THz) do 770 nm (390 THz)
Najwięcej mocy radiometrycznej przenosi foton fioletowy 380 nm.
Większość lumenów uzyskasz z wata zielonych fotonów 555 nm (540 THz).

602,214,085,700,000,000 elektronów w 1 wacie.
624 200 000 000 000 000 fotonów w 1 µMolu.
co daje 1,036508469 µmol / w


Conwersja energii fotonów na strumień fotonów

Foton ma kwanty energii Ep, które są zdefiniowane przez:

  Ep = h • f
 

gdzie h = stała Plancka 6,63 x 10 ^ -34 i

  f = częstotliwość = c / λ
gdzie c = prędkość światła = 299800000 m / s, a <br>
λ = długość fali w metrach<br>
 

Dlatego

  Ep = h • (c / λ)
 

Tliczba fotonów, Np, może być obliczona przez

  Np = E / Ep
   = E • ((λ • 10 ^ -9) / h • c)
   = E [W / m2] • λ • 10 ^ -9 [m] • / (1,988 • 10 ^ -25)
   = E • λ • 5,03 • 10 ^ 15 [1 / (m² • s)] (z irradiancją [W / m²])
 

UWAGA: powyżej λ jest wyrażone w nm

Trumień fotonów można wyznaczyć za pomocą:

  Ef = Np / NA
 

gdzie NA = liczba Avogadro 6,022 • 10 ^ 23 / mol)


Razem daje równanie na konwersję irradiancji [W / m2] to strumień kwantowy [µE]:

  Ef = Np / NA = (E • λ • 5,03 • 1015 [1 / (m2 • s)]) / (6,02 • 1017 [1 / µmol])
   = E • λ • 0,836 • 10-2 [µmol / (m2 • s)]
 

1 µMol fotonów 555 nm = 0,2234 watów
Fotopowa skuteczność świetlna przy 555 nm = 147,2

147,2 x 1,036508469 µmol / w = 152,574 lm
152,574 lm / 0,2234 w = 683 lm / w

REFERENCJE:

Light Emitting Diodes , 2nd Edition, E. Fred Schubert

kandela (cd): kandela to natężenie światła w danym kierunek źródła, które emituje monochromatyczne promieniowanie o częstotliwości 540 THz herców (555 nm) i ma w tym intensywność promieniowania kierunek 1/683 wata na steradian.
źródło The International System of Measuring Units

kalkulator kandeli na lumen
Fotopowa skuteczność świetlna, krzywa wrażliwości względnej dla C.I.E.Standardowy obserwator Współczynniki konwersji nasłonecznienia

Abe Karplus
2018-02-22 03:40:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To zależy od tego, jakie spektrum światła chcesz.Nasze oczy są najbardziej wrażliwe na zielone światło przy 555 nm, więc doskonale wydajne źródło światła, które emituje tylko ten kolor, osiąga 683 lm / W.Jeśli chcesz uwzględnić inne kolory (powiedzmy, aby uzyskać białe światło), będziesz potrzebować więcej mocy dla tej samej pozornej jasności.Wikipedia ma świetne podsumowanie pod adresem https://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy.W zależności od tego, jak dokładnie chcesz dopasować wygląd światła dziennego, teoretyczna maksymalna skuteczność wynosi od 251 do 348 lm / W.

1 kandela = 1/683 wata na steradian, a nie lumen.Zamiana kandeli na światło wymaga kąta wierzchołkowego steradianów.
@Misunderstood Nie sądzę, żeby to było poprawne.1 kandela jest rzeczywiście (dla światła 540 THz) równoważna 1/683 W / sr, a 1 lm = 1 cd * 1 sr, więc źródło 540 THz emitujące pod kątem bryłowym 1 sr z intensywnością 1 cd byłobyemitujące 1 lm i promieniujące (1/683 W / sr) * 1 sr = 1/683 W, dla skuteczności 683 lm / W.
1 wat = 683 cd, 1 cd przy 360 ° = 12,566 lm, 683 cd = 8583 lm.Zobacz kalkulator od kandeli do lumenów na https://www.rapidtables.com/calc/light/candela-to-lumen-calculator.html.Użyj 360 ° (4 x pi x r), aby uzyskać pełną sferyczną powierzchnię.Użyj 683 cd.
@Misunderstood Ale uzyskanie 683 cd na całej kuli wymaga 12,566 watów, więc jest anulowane.1 wat daje tylko 683 cd na 1 steradian.
Masz rację.Muszę znaleźć błędy w mojej matematyce.OK, znalazłem to.Odszedłem o 1 miejsce po przecinku dla liczby elektronów w kulombach.Pomnożyłem przez 12,566, co oznacza konwersję z luksów na lumenów, kiedy miałem już lumenów, gdzie powinienem podzielić przez 0,22, co jest liczbą watów w µMole @ 555 nm.To dało mi 693 lm / w, ale 0,22 było zaokrąglone.Moim wielkim błędem było przeliczanie luksów na strumień, kiedy już miałem strumień.Dzięki, że mnie wyprostowałeś.
Twoje stwierdzenie jest poprawne tylko w połowie.Nasze oczy są bardziej wrażliwe na 555 nm, jeśli mówimy o widzeniu FOTOPOWYM (ŚWIATŁO DZIENNE).Mówiąc o wizji SCOTOPIC (CZAS NOCY) to 507nm.A wizja MESOTOPIC długość fali wynosi 528nm.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...