Följ LED & LED

Faktorer och anpassningar som påverkar effektiviteten hos LED

Publicerat 2016-09-13 av Kristofer Blockhammar

	Fig. 1. Kurvorna skildrar den spektrala kraftdistributionen (SPD) för 80-CRI lysdioder för olika förhållanden till mänsklig visuell känslighet.

Tack vare deras olika förmåner, har lysdioder blivit en integrerad del av allmänna belysningstillämpningar som halvledareljuskällor. Under en tid har LED effektiviteten varit betydligt högre än för konventionell belysningsteknik. Men hur definierar vi effektiviteten i belysningssystemet? I vanligt vardagligt språk, när vi talar om effektiviteten av ljuskällor, menar vi allmänt deras ljusutbyte, som mäts i lumen per watt (lm/W), ett mått som tar hänsyn till känsligheten hos det mänskliga ögat. En annan åtgärd är effektivitet som kännetecknas av radiometrisk effekt. Låt oss överväga konsekvenserna av effekt och effektivitet, samt diskutera beslutsprocessen som produktutvecklare måste följa, vilket påverkar systemets totala effektivitet.

Ett effektmått innebär att bestämma det fotometriska ljusflödet av ljuskällan (lm) i förhållande till den elektriska tillförda effekten (W). Den alternativa motsvarande fotometriska strålningen däremot anger inte känsligheten för det mänskliga ögat men är en ren effektivitetsåtgärd. Den optiska radiometriska uteffekten (W) divideras med den elektriska tillförda effekten (W) för att ge en procenteffektivitet. Effektivitet av lysdioder är beroende av många olika faktorer. Vi kommer att titta på några av dessa i detalj.

Effektiviteten av lysdioder som en funktion av färgtemperaturen
Val av färgtemperatur har en stor påverkan på ljusutbyte och kan användas inom ramen för befintliga belysningsförordningar som en hävstång för effektiv planering av belysningslösningar. Lysdioder med en högt korrelerad färgtemperatur (CCT) (t.ex. 5000K) har generellt en högre verkningsgrad än de med en relativt låg CCT (t.ex. 3000K). Kurvorna i diagrammet i Fig. 1 visar spektrum (eller spektrala kraftdistributionen, SPD) av typiska lysdioder för olika CCT värden för allmän belysning med Color Rendering Index (CRI) för Ra>80. Kurvorna överförs på människors känslighetskurvan Vλ (V lambda).

För att producera vitt ljus med en LED, används ett semikonduktor chip som avger blått allmänt ljus. En del av detta ljus omvandlas till ljus med längre våglängder (grönt, gult och rött ljus) med hjälp av fosfor. Sedan resulterar alla dessa färger tillsammans i ett vitt ljus. Denna omvandlingsprocess innebär förluster, som ökar med våglängden av det konverterade ljuset. Denna ökning av förlust beror på skillnaden i energi mellan en högre energinivå (blått ljus) och ljus på en lägre energinivå (rött ljus) vilket omvandlas till värme. Att minimera förluster kräver exakt justering av absorption och emission våglängderna.

Ett förenklat scenario räcker dock för att förklara den grundläggande principen. För varma färgtemperaturer 3000K, till exempel, är det nödvändigt att konvertera en stor mängd rött ljus. Detta krav leder dock till större förluster, vilket minskar ljusutbytet jämfört med 4000K. För hög färgtemperatur på 5000K, behöver blått ljus bara omvandlas till grönt ljus och inte så mycket till rött ljus, vilket är varför ljusutbytet ökar i förhållande till 4000K. Effektjämförelsen är avbildad i Fig. 2.

Påverkan av färgåtergivning på effektiviteten av lysdioder
Som redan nämnts när det gäller färgtemperatur är sammansättningen av färgspektret baserat på valet av en lämplig konverterare, vilket är ett avgörande för LED effektiviteten. Konverterarmixen är utvecklad specifikt för olika CRI värden och är optimerad i synnerhet för CRI när det gäller effektivitet. Skillnaderna mellan CRI 70, 80, och >90 kan ses mycket tydligt i rendering av röda toner. För att återge dessa toner som krävs så troget som möjligt, behöver man en hög andel av långvågig ljus, med andra ord, ljus i den röda änden av färgspektret.

Fig. 2. Diagrammet avbildar det relativa ljusutbytet för CRI Ra80.

Fig. 3 visar typiska SPD för 4000K lysdioder för olika CRI värden. Den stora röda andelen av CRI 90 version kan ses tydligt. Som redan förklarats, producerandet innebär denna höga andel höga förluster. Mycket av det röda som produceras ligger väsentligt utanför känslighetskurvan för det mänskliga ögat Vλ, vilket leder till en ytterligare minskning av ljusutbytet. Påverkan av olika färgtemperaturer på ljusutbytet för LED är i regionen av ±5%, påverkan av CRI för olika värden ligger vanligtvis mer i regionen i ±15% (Fig. 4).

Frihet att välja färgtemperatur och CRI är en fördel med LED, men detta begränsas av specifikationer, riktlinjer och de särskilda kraven för ett visst program. Liknande effekter kan även ses med konventionell belysningsteknik.

LED som ljuskälla med justerbar effektivitet
Jämfört med konventionella ljuskällor erbjuder LED dock en ytterligare dimension där effektiviteten eller ljusutbytet kan justeras och som är inställt på programspecifik basis av armaturtillverkaren, nämligen strömtätheten.

	Fig. 3. Kurvorna skildrar SPDEN för typiska 4000K, CCT lysdioder för olika CRI värden.

Lysdioder är vanligtvis grupperade när det gäller deras ljusstyrka och färg för ett visst operativsystem som är aktuellt. För särskilda grupperingsvillkor finns det därför en typisk effektivitet som kan justeras för att passa tillämpningen och önskad nivå på ljuseffekten genom att variera strömtätheten.

Om vi tar exempelvis en LED som har ett ljusutbyte på 130 lm/W vid den angivna grupperingen som är aktuell, kan vi minska driftströmmen till 40 procent, vilket i slutändan leder till en ökning på 20% ljusutbyte till 156 lm/W. Om driftströmmen ökas till 140%, blir den lysande effekten reducerad med 10% och levererar 117 lm/W. Tabell 1 sammanfattar det variabla strömtäthetsscenariot.

Effektivitet beror också på andra parametrar, såsom den operativa temperaturen eller maximal driftsförhållanden som måste uppfyllas. Det absoluta LED ljusflödet förändras naturligtvis av båda dessa operativa förhållanden. Vi tar en närmare titt på denna effekt i nästa avsnitt.

Användning av effektivare lysdioder minskar systemkostnaderna
Under sin utveckling, har lysdioder blivit ljusare och därmed mer effektiva. Så varför är det sådan enorm efterfrågan för ljusare och ljusare lysdioder med allt större effektivitet? Utan tvekan, är en anledning att effektivare lysdioder kan leda till betydande kostnadsminskningar.

Fig. 4. Diagrammet avbildar det relativa ljusutbytet för olika färgvärden (CRI Ra) vid 4000K.

Låt oss betrakta ett exempel. För följande jämförelse antar vi att vi vill skapa ett system eller en produkt med en effektivitet och ljusflöde på 100%. Vi har ett val här av två led: LED 1 med en ljusstyrka på 100% och en mer effektiv LED 2 med en ljusstyrka på 110%. Figurerna 5 och 6 skildrar grafiskt systemnivådriftsförhållandena baserat på de två LED alternativen.

Systemet med LED 1 används som referens. Med den normala driftströmmen på 100%, har detta system en relativ effektivitet på 100% och ett relativt ljusflödevärde på 100%. Det relativa antalet lysdioder som krävs i systemet är också 100%.

Om vi använder LED 2, kan vi förverkliga system B i Fig. 5. I detta system drivs lysdioderna på samma sätt och använder samma antal lysdioder. System B är därför 10% mer effektiv och ljusare.

Sammanfattningsvis innebär att högre färgtemperatur, desto större är ljusutbytet. I detta sammanhang är det en avgörande skillnad mellan LED och konventionella ljuskällor, då effektiviteten i lysdioder kan justeras via driftströmmen.

Fig. 5.	Fig. 6.