optische und thermische Verluste LED

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Moderator: T.Hoffmann

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opramit
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Mo, 20.03.17, 10:43

Hallo zusammen,

aktuell beschäftige ich mich damit, wie die gesamt Verlustleistung einer LED entsteht.

Hier möchte ich es gerne in optische und thermische Verlustleistung unterscheiden. Dies brauche ich, da ich mit der thermischen Verlustleistung einen Kühlkörper konstruieren möchte.

kann ich sagen, das meine optische Verlustleistung wie folgt berechnet wird?
ϕ_e=(h*c)/(q*λ)*η*I_D mit η=Lichtleistung/(elektrische Leistung)

sind diese Formeln bei einer LED richtig?

Falls ja, kann ich nun einfach von der gesamtVerlustleistung die optische Verlustleistung abziehen und erhalte die Thermische Verlustleistung?

Vielen lieben dank im vorraus, sollte mir jemand weiterhelfen können.

Liebe Grüße

Johanna
Borax
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Mo, 20.03.17, 11:37

Hallo Johanna,
welcome on board!

Ich glaube, Du machst es da ein wenig zu kompliziert. Die Lichtleistung ist sowieso nur in den seltensten Fällen angegeben (meist nur bei UV LEDs). Bei weißen LEDs werden nur Lumen bei gegebenem Strom und die zum Strom gehörige typische(!) Spannung angegeben. Halbwegs präzise Daten gibt es auch nur für ein spezifisches Binning einer LED. Wir rechnen normalerweise bei guten weißen LEDs mit etwa 30-40% Wirkungsgrad, sprich 60-70% der eingespeisten Leistung werden zu themischen Verlusten. Nur bei massiver Unterbestromung von LEDs mit sehr hohem Wirkungsgrad sind rund 50% erreichbar.
opramit
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Mo, 20.03.17, 13:26

hey, danke für die Antwort.

Wie kommt man den auf die 30- 40 % Wirkungsgrad?

ist meine Herangehensweise den falsch?

Ich lese mich leider wirklich erst seit 2 tagen ein sorry falls ich etwas quatsch schreiben sollte. Doch ich meine das diese Berechnungen richtig sein müssten oder?

Wenn ich jetzt die Wirkungsgrade berechnet habe, wie verhält es sich, wenn ich einige LEDs in Reihe schalte?

Ich habe jetzt die optische Efficiency berechnet mit der Formel: flux operational per LED / (If * Uf)

und wenn ich dich nun richtig verstehe, muss ich jetzt nur noch 100% minus die optische Efficiency rechnen und ich habe meinen Prozentsatz der thermischen Verlustleistung?

hoffentlich kannst du mir sogut weiterhelfen wie ich hoffe ;)

Vielen Dank
Gruß

Johanna
Viele Grüße

Johanna
Borax
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Mo, 20.03.17, 14:18

Ich habe jetzt die optische Efficiency berechnet mit der Formel: flux operational per LED / (If * Uf)
Und woher nimmst Du den Wert für 'flux operational per LED' ?
Wenn ich jetzt die Wirkungsgrade berechnet habe, wie verhält es sich, wenn ich einige LEDs in Reihe schalte?
Grundsätzlich ändert sich der Wirkungsgrad überhaupt nicht. Der ist ja eine Eigenschaft einer bestimmten LED bei gegebener elektrischer Leistung. 'Mechanisch' kann sich aber durchaus was ändern. Der Wirkungsgrad bezieht sich ja immer auf den gesamten Lichtstrom (volle 360° gemessen mit Ulbricht-Kugel: https://de.wikipedia.org/wiki/Ulbricht-Kugel ). Wenn Du jetzt mehrerer LEDs mechanisch nebeneinander in eine Reihe schaltest, beleuchten die sich ja auch gegenseitig. Dieser Anteil am Lichtstrom einer einzelnen LED geht dann in der 'Reihenschaltung' verloren.

ustoni hat hier einiges zur Kühlkörperberechnung und Theorie zusammengestellt: viewtopic.php?f=23&t=21974
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Achim H
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Borax hat geschrieben:
opramit hat geschrieben:Ich habe jetzt die optische Efficiency berechnet mit der Formel: flux operational per LED / (If * Uf)
Und woher nimmst Du den Wert für 'flux operational per LED' ?

Zum Beispiel von einer Produktseite hier bei Lumitronix.
Der Output bei einem gewissen Strom ist dort angegeben. Auch wie hoch die Vorwärtsspannung der Led ist.

flux operational per LED / (If * Uf) ist nichts anderes als Lumen pro Watt (lm/W).

Die Effizienz aller hier bei Lumitronix angebotenen Leds ist im Kurzdatenblatt angegeben und braucht daher nicht noch einmal berechnet werden.


Der Output für Leuchtdioden mit nicht sichtbarem Licht (Strahlungsleistung genannt, für UV + IR, manchmal auch bei Leds, dessen Farbe an UV bzw. IR angrenzen) erfolgt in mW (Milliwatt). Die Berechnung der Strahlungsstärke (mW/sr --> Milliwatt pro Steradiant) ist weitaus komplizierter, da hierfür der Öffnungswinkel der Led mit in die Rechnung einfließen muss.
ustoni hat geschrieben:Die Strahlstärke kannst Du nicht so einfach berechnen, da kein linearer Zusammenhang zwischen Leistung und Winkel besteht.
Hierfür suche ich ebenfalls noch eine Berechnung, auch auf die Gefahr hin, dass das Ergebnis nur annähernd genau sein wird (zum Beispiel mit +/-10%, vorzugsweise geringer).
ustoni
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Mo, 20.03.17, 20:08

flux operational per LED / (If * Uf) ist nichts anderes als Lumen pro Watt (lm/W)

Das ist so nicht richtig. Johanna bezieht sich auf den "radiant flux", also den Strahlungsfluss bzw. die Strahlungsleistung. Diese wird in der Einheit Watt (W) angegeben. Nur mit dieser Angabe kann im Zusammenhang mit der aufgenommenen Leistung auf den elektrischen Wirkungsgrad der LED zurückgeschlossen werden.

Der elektrische Wirkungsgrad darf nicht mit der Effizienz verwechselt werden. Der Lichtstrom in Lumen ist die mit der V-Lambda-Kurve (Empfindlichkeitskurve des Auges) bewertete Strahlungsleistung. Je nach spektraler Verteilung der Strahlungsleistung können hierbei bei unterschiedlichen LEDs völlig unterschiedliche Ergebnisse herauskommen. So kann eine LED mit z.B. 160 lm/W bei einem CRI von 70 bei Betonung des grünen Wellenlängenbereichs (was der Normalfall bei LEDs mit geringem CRI ist) einen deutlich schlechteren elektrischen Wirkungsgrad haben, als eine LED gleicher Farbtemperatur und einer Effizienz von 120 lm/W bei einem CRI von 90. Für einen CRI von 90 sind u.a. deutlich höhere Anteile der Strahlungsleistung im roten Spektralbereich notwendig. In diesem Bereich ist das Auge aber deutlich unempfindlicher als im grünen Spektralbereich, dieser Anteil der Strahlungsleistung wirkt sich deshalb nur wenig auf den Lichtstrom und damit die Effizienz aus.

Umgekehrt lässt die Effizienz einer weissen LED ohne Analyse der Spektralverteilung keinerlei Rückschluss auf die Strahlungsleistung zu.

Da bei weissen LEDs aber im Datenblatt nur der Lichtstrom angegeben ist, kann damit nicht auf den Anteil der Wärmeleistung zurückgeschlossen werden.
Die Annahme eines elektrischen Wirkungsgrades von z.B. 33% ist nur ein "educated guess", mit dem man bei LEDs von Markenherstellern auf der sicheren Seite bei der Berechnung von Kühlkörpern ist. Je nach Bestromung kann der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad deutlich höher liegen. Das merkt man dann ganz einfach daran, dass die Kühlkörpertemperatur niedriger liegt, als berechnet, was natürlich nicht weiter tragisch ist.

Edit:
Siehe hierzu auch im Grundlagenartikel "Lumen, Lux & Co"
viewtopic.php?f=32&t=21793
im Teil 2 das Kapitel "Die Effizienz". Dort habe ich das ganze anhand einiger Spektralverteilungen grafisch verdeutlicht.
opramit
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Di, 21.03.17, 06:59

hallo zusammen,
danke für die Antworten. Ich würde euch meine Gedanken gerne an einer roten LED vorrechnen:
ich habe einfach mal folgende LED als Beispiel genommen: http://www.osram-os.com/osram_os/en/pro ... /index.jsp

Typ Nr. Tj [°C] Binning flux [lm] Rth [K/W] Current per LED [A] Uf [V] Lichtleistung [lm/A*V] Wirkungsgrad [%] Thermical power loss [%] Flux operational per LED [lm]
KR DMLS31.23 120 140 6,3 1 2,61 24,78 4,00 96,00 65
opramit
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Di, 21.03.17, 07:08

hallo zusammen,
danke für die Antworten. Ich würde euch meine Gedanken gerne an einer roten LED vorrechnen:
ich habe einfach mal folgende LED als Beispiel genommen: http://www.osram-os.com/osram_os/en/pro ... /index.jsp

im Datenblatt gegeben (ich weiß schon, dass im Datenblatt alles bei 25°C angegeben ist, deshalb muss ich jeweils die Faktoren für die gewünschte Temperatur mit einrechnen)
Tj [°C]: 120
Binning flux [lm]: 140
Rth [K/W]: 6,3
Current per LED [A]: 1
Uf [V]:2,61

berechnet:
Flux operational per LED [lm]:65 -> weil binning flux multipliziert mit beiden faktoren
Lichtleistung [lm/A*V]: 24,78 --> weil (flux operational per led)/(current per LED x Uf)
Wirkungsgrad [%]: 4 -->weil (gewünschte lm Output / lichtleistung)/(Uf * current per LED)
thermische Verlustleistung [%]:96 --> weil 100% subrahiert von dem Wirkungsgrad

auf diese Rechnungen bin ich durch Recherche im Internet gekommen, kann mir jemand sagen, ob ich richtig gerechnet habe und falls nicht, wo der Fehler ist...

Ich wäre euch super dankbar, wenn ihr mir weiter so toll helfen könntet, ich taste mich langsam aber sicher an das richtige Ergebnis hoffe ich.

Liebe Grüße

Johanna
ustoni
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Di, 21.03.17, 08:16

Sorry, aber Deine Überlegungen sind noch nicht einmal ansatzweise korrekt.
In meinem letzten Post habe ich den Grundlagenartikel "Lumen, Lux & Co" verlinkt.
Diesen solltest Du erstmal versuchen zu verstehen.
Der Lichtstrom in Lumen hat nichts mit der Strahlungsleistung in Watt zu tun. Ohne den Wert der Strahlungsleistung kannst Du den elektrischen Wirkungsgrad der LED nicht berechnen.

Der nächste Fehler: alle Angaben in den Tabellen des Datenblatts außer der Tabelle auf Seite 3 des Datenblatts beziehen sich auf den Nennstrom von 700 mA.

So nebenbei bemerkt: der typische elektrische Wirkungsgrad der LED ist in der Tabelle auf Seite 4 des Datenblatts mit 30% angegeben. :lol:

Dass ein Ergebnis von 4% nicht stimmen kann, sollte eigentlich sofort klar sein. Das entspräche in etwa dem Wirkungsgrad einer Halogenlampe.
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