Wirkungsgradbestimmung einer Led

    Hallo allerseits,ich wollte eine Methode zeigen mit der man den Wirkungsgrad einer Highpower Led relativ genau messen kann.


    Das Prinzip ist eigentlich sehr leicht:Man verwendet einen Kühlkörper mit bekanntem Wärmewiderstand und misst wie stark eine Led mit genau bekannter Leistungsaufnahme den Kühlkörper erwärmt.Der Rest ist dann einfacher Dreisatz.


    Beispielrechnung: Kühlkörper mit 8K/W, Led mit Pled2,3W bei 700mA und einer Temperaturdifferenz (T1-T2) von 14°C.T1 ist die Anfangstemperatur und entspricht der Raumtemperatur,T2 die Endtemperatur der Kühlkörpers.


    Temperaturdifferenz Td=Wärmewiderstand Rtherm * Heizleistung Pheiz.
    Gleichung umgestellt: Pheiz=Td/Ttherm


    [1] Eingesetzt: 14°C/8 K/W=1,75W


    Strahlungsleistung=Pled-Pheiz


    [2] Eingesetzt: 2,3W-1,75W=0,55W.


    Wirkungsgrad:Nutzleistung/zugeführte Leistung


    [3] Eingesetzt: 0,55W/2,3W=23,9%



    Die Genauigkeit dieser Methode hängt hauptsächlich davon ab wie genau man die Temperatur und die Leistungsaufnahme messen kann. :!:
    Nebenbei empfielt es sich auch für diesen Test Kühlkörper mit schlechterem Wärmewiderstand zu wählen weil die Temperaturdifferenz so grösser ausfällt.Das gleicht die geringere Genauigkeit des Thermometers aus.


    Wenn man Thermometer mit 0,1°C Auflösung ankommt werde ich selber einige Test durchführen.Aber ich wollte schon mal eine Anleitung schreiben damit auch andere selber an Werk gehen können. \:D/

    So nach langer Zeit bin ich jetzt auch dazu gekommen eineden Wirkungsgrad einer Led zu bestimmen.
    Getestet wurde die Cree XR-E Bin P4 Warmweiss mit 2600K:


    Wärmewiderstand KK Rth= 6,86K/W
    Pled=3,71V*700mA =2,597W
    Raumtemp T1 =23,0°C
    Kühlkörpertemp T2= 37,75°C
    Temp.diff Td=14,75K


    Pheiz= Td/Rth -> 14,75K / 6,86K/W=2,15W


    Strahlungsleistung: Pled-Pheiz=2,597W-2,15W=0,447W


    Messung 2: 0,454W Strahlungsleistung.
    Messung 3: 0,450W Strahlungsleistung.


    Die Led war durch Wärmeleitklebepads an dem Kühlkörper befestigt.Bei der Fläche einer Cree XR-E hat so eine Wärmeleitklebepad einen Wärmewiderstand von 8,9K/W wie ich messen konnte.
    Zusammen mit den 8K/W der Led selber sind es 16,9K/W Wärmewiderstand.Bei 2,15W Verlustleistung wärmte sich der Chip damit um 16,9K/W*2,15W=36,34°C gegenüber dem Kühlkörper auf was dann einer Chimptemperatur von ~74°C entsprach.


    Bei dieser Temperatur hat die Led etwa 13% weniger Lichtausbeute als bei 25°C die man wieder raufaddieren muss um den Standardwert bei 25°C zu erhalten.
    Damit hat die Led bei 25°C eine Strahlungsleistung von 0,495W bei 700mA.


    Macht einen Wirkungsgrad von 0,495W/2,597W=19,1%


    So heute wieder getestet,2 XR-E R2.


    Led1:
    Ledleistung bei 700mA=2,4W
    Heizleistung =1,772W
    Strahlungsleistung =629mW bei 70°C Chiptemperatur.
    Strahlungsleistung =717mW bei 25°C Chiptemperatur.



    Led2:
    Ledleistung bei 700mA =2,415W
    Heizleistung =1,813W
    Strahlungsleistung =602mW bei 70°C
    Strahlungsleistung =686mW bei 25°C


    Für den Wert bei 350mA muss man dann dementsprechend die Strahlungsleistung durch 1,7 teilen.
    Der Faktor 1,7 kommt aus dem Datenblatt weil die Led bei 700mA 170% Strahlungsleistung von 350mA hat.

    Diese Rechnung stimmt so nicht. Die Vorgehensweise impliziert, daß alles, was nicht als Verlustleistung zur Erwärmung des Kühlkörpers führe, als Photonen emittiert wird. Dabei wird nicht in Betracht gezogen, daß die übrige Leistung bei Weitem nicht zu 100% zur Erzeugung von Photonen führt. Die intrinsische Erzeugung von Photonen im Die erfolgt mit max. ca. 90% Wirkungsgrad. Aus dem Die effektiv ausgekoppelt werden wiederum nur 50-70% der intrinsisch generierten Photonen. Dies führt nicht zwangsläufig zu einer Erwärmung. Ferner gibt der Kühlkörper durch Wärmestrahlung & Konvektion im Laufe der Messung einen Teil der Energie ab. Die Messung müsste im thermisch eingeschwungenen Zustand in einem abgeschlossenen System durchgeführt werden.

    Zitat von greenland


    . Dabei wird nicht in Betracht gezogen, daß die übrige Leistung bei Weitem nicht zu 100% zur Erzeugung von Photonen führt.

    Sondern? Man steckt eine gewisse Leistung in die Led rein die sie irgendwie abgeben muss.Dazu hat die Led 2 Wege:Wenn die Led die Leistung nicht als Licht abstrahlt muss sie diese als Wärme abgeben,einen anderen Ausweg gibt es nicht ohne den Energieerhaltungssatz zu verletzen.
    Der interne Wirkungsgrad ist deswegen egal da nicht emittierte Photonen eben absorbiert und damit in Wärme umgewandelt werden und damit den Kühlkörper erwärmen.
    Zwar ist die Led heißer als der Kühlkörper und strahlt somit stärker Wärmestahlung aus als die selbe Fläche des Kühlkörpers aber dieser Betrag ist so gering dass er völlig vernachlässigbar ist.

    Zitat

    Ferner gibt
    der Kühlkörper durch Wärmestrahlung & Konvektion im Laufe der
    Messung einen Teil der Energie ab.

    Richtig,das drückt ja der Wärmewiderstand aus,wie heiß der Kühlkörper gegenüber der Umgebung werden muss um 1W Heizleistung abzuführen.Den bei der Temperatur gibt der Kühlkörper durch Konvektion+Wärmestrahlung exakt genauso viel Wärme ab wie er durch die Heizleistung erhält.
    Stellt man die Formel jetzt um kann man die Heizleistung bestimmen indem man die Temperaturdifferenz durch den Wärmewiderstand teilt.



    Zitat

    Die Messung müsste im thermisch
    eingeschwungenen Zustand in einem abgeschlossenen System durchgeführt
    werden.

    Genau das wurde doch gemacht. Die Raumtemperatur war konstant und es gab keinen Luftzug der das Ergebnis verfälschen würde.

    Also ich würde auch mit dem Energieerhaltungssatz argumentieren. Es ist das schlüssigste.
    Naja , man könnte eventuell argumentieren die Led erhält bei jedem Photon das den Die in einem Winkel von
    bis zu 90 Grad verlässt den doppelten Impuls als Rückstoß, somit würde die Led also
    ein kleines Bischen schwerer werden ..
    Irgend eine vage Idee dergleichen könnte man schon Erfinden.
    Qualitativ allerdings gibt es primär


    1. Wärme die in der Led entsteht und auf den Kühlkörper abgeleitet wird
    2. Wärme die permanent abgestrahlt wird , man braucht sich nur eine Led
    ans Gesicht halten schon spürt man die Wärme (nur von den sichtbaren Photonen ?? - zweifelhaft, nicht zu vergessen die Mykrometerstrahlung! )
    (dies wird nicht von Johns Messgeräten registriert) *Nachträgliche Anmerkung .. Ok das isses dann wohl doch nicht da extrem wenig Energi lt. Formel
    3. Diverse Spitzfindigkeiten (intrinsisch, bla bla)
    4. und eben die Strahlenleistung.


    Wobei die dritte Stelle hinter dem Komma wohl doch etwas zweifelhaft ist ;)
    John mag es eben so genau wie möglich.
    Es lebe die impirische Physik.
    Lg, WiA

    Also die Wärmestrahlung die die Led durch ihre Erhitzung abstrahlt ist wie schon gesagt extrem gering,die berechnet sich durch das Stefan Boltzmann-Gesetz,die Formel lautet so: [Blockierte Grafik: http://upload.wikimedia.org/math/a/6/5/a65186590da6b6ca80b3eaae887c582b.png] 
    Dabei kommt eine Strahlungsleistung raus von weit unterhalb eines mW die die Led durch ihre Erhitzung abstrahlt.
    Die Wärme die man auf der Haut spürt stammt damit zu mehr als 99,99% vom sichtbarem Licht.Das merkt man alleinschon daran dass das Wärmegefühl sofort weg ist wenn man das Licht aus macht.


    Und die dritte stelle hinter Komma?Tja die ist echt zweifelhaft ist aber andererseits schon ein ganzer Miliwatt also gar nicht so wenig.


    Die einzige Fehlerquelle liegt darin dass die Led durch direkten Luftkontakt der Ledoberseite mehr Wärme abgibt als gedacht aber das bezweifel ich.Zur Not könnte man diese Fläche t isolieren,die Linse selber gibt nämlich sogut wie nichts an Wärme ab....


    Das Wichtigste ist eigentlich dass die Messergebnisse mit der Integration des Spektrums gut übereinstimmen bzw. mit der Angabe der Strahlungsleistung bei Royalblauen Leds und damit kann diese Methode gar nicht so falsch sein.
    Falls gewünscht werde ich nochmal eine vermessen die ich nicht benutze und die Messwerte veröffentlichen.


    Naja nächste Woche gehe ich zu meinem Professor und frage ihn was er von meinem Ansatz hält. ;)

    Der Ansatz ist unterm strich nicht wirklich schlecht.


    Trotzdem wäre mir das mit dem kühlkörper zu ungenau. z.B. sind 8K/W eine Angabe, die sehr stark von den äußeren Bedingungen abhängt.
    Hier würde ich mittels kalibrierung ansetzen. Dafür wird einfach ein Widerstand bze eine heizung auf der messeinrichtung plaziert mit welchem man den Wärmewiderstand bzw das kühlvermögen für gerade herschende bedingungen festlegt bzw bestimmt.
    Das ist normal bei jedem Kalorimetrischem messgerät (was hier auch mehr oder weniger vorliegt) pflicht.


    Aber als Anregung will hier noch folgendes geben:
    Wer sich für dieses gebiet interessiert sollte sich in der Laser-rubrik mal schlau machen!
    Hier gibt es schon seit geraumer Zeit Eigenbaumessgerät mit extrem guter genauigkeit. Diese sind einfach und recht günstig zu bauen. es existieren auch komplette Bauanleitungen.
    Zwar sind diese für viel kleinere strahlendurchmesser entwickelt, sind aber ganz sicher ohne Probleme auf größere flächen modifizierbar.
    Diese arbeiten Mittels Peletierelementen. Die eine Seite wird dabei auch mit einem Kühlkörper gekühlt (vor jeder messung wird dieser mittels heizung kalibriert) und die andere seite wird bestrahlt. Zur besseren absorbtion sind diese meißt noch mit ruß beschichtet (Ruß hat aufgrund der farbe und der feinen struktur ein sehr gutes absorbtionsverhalten). Die Spannung die Dabei am Peltierelement entsteht wird mittels OpAMP und µC ausgewertet und in Strahlenleistung umgerechnet.
    Vergleiche mit käuflichen und geeichten Messgeräten stellten erstaunlich gute ergebnisse da!


    Das wäre auch mein Bau der Wahl. Man misst ier wirklich die abgestrahlte leistung. Und zudem kann man auch noch die effizienz von Optiken mitbestimmen. Optimale Fokuseinstellungen etc wären damit auch machbar.
    mit einergrößeren kupferscheibe die beschichtet ist, sollte man auch gut LED#s mit großem abstrahlwinkel ausmessen können bzw alle abgestrahlten strahlen einfangen.
    Oder alternativ auch mittel z.B. einer Irisblende eine Leistungsverteilung von optik oder ähnlichem bestimmen!
    wenn ich Die Zeit dazu finde, werde ich mir auch ein entsprechendes Messgerät bauen. Würde mich auch mal interessieren was die LED's WIRKLICH abstrahlen. Und nicht nur was die Hersteller da in ihre Datenblätter schreiben. Damit wäre endlich mal ein direkter vegleich möglich (bei umrechnung in Lumen muss man natürich die Farbspektren berücksichtigen!!!)




    Gruß, max

    Also den Wärmewiderstand des Kühlkörpers habe ich folgendermassen bestimmt:Habe einen kleinen Leistungstrasistor auf den Kühlkörper aufgeklebt mittels Wärmeleitfolie und oben mit Wattepads isoliert damit seine Heizleistung sogut es geht an den Kühlkörer abgibt.
    Dann habe ich den Transistor mit einem Messgerät mit dem ich den Strom überwachte kurzgeschlossen und eine bestimmte Heizleistung gegeben.
    Die Heizleistung berechnet sich durch Spannungsabfall am Transistor*Strom.


    So um möglichst genau zu messen habe ich alle Fenster und Türen zugemacht und bin auch nicht ständig rumgelaufen damit kein Luftstrom entsteht.
    Um dann sicher zu gehen dass die Endtemperatur die wirkliche Endtemperatur ist habe ich kurz vorm Ende den Kühlkörper mit einem Feuerzeug leicht erhitzt,um 1-2°C mehr.Danach fiel die Temperatur,habe solange gewartet bis sich die Kühlkörpertemperatur 10min lang nicht mehr ändert!




    Genau das selbe dann mit den Leds.


    Naja jetzt ist grad eine Royalblaue XR-E an und in ca. ner halben Stunde werde ich berichten was ich gemessen habe.


    Zum Vorschlag:klingt echt interesant,danke!


    Gruss John.

    Ist nicht meine Idee, kenn diese Methode nur aus dem laserbereich (hab mich eine weile mit eigenbau-lasern beschäftigt. Die planungen wurden aber eben wegen einem Lampenprojekt aufgegeben)


    Eine Weitere Möglichekti wäre auch die verwendung von 2 Peltierelementen.
    Das eine zur leistungsbestimmung wie beschrieben, aber anstatt eines kühlkörper könnte man mittels eines 2. Peltierelementes die eine Seite des Mess-elementes auf eine konstante Temperatur bringen. Damit ließen sich dann auch die Fehler durch Luftzug etc entfernen. Hierbei währe dann nurnoch eine kurze kalibrierung vor der Messung nötig. Bzw nichtmal das, wenn die Umgebungsbedingungen etwa gleich sind, da das Peltierelement lediglich den temperaturunterschied misst.
    Wenn man sich den Umstand mit µC Sparen will, dann man dann auch einfach eine entsprechende Excel-tabelle o.ä. erstellen. Mit einigen Messpunkten und der entsprechenden funktion (falls sie nicht ganz linear ausfällt) lassen sich dann auch ganz sicher ergebnisse enormer genauigkeit erzielen.



    Vorallem zur leistungsbestimmung von High-pwer LED's gäbde es weiterhin noch die (wirklich) kalorimetrische bestimmung.
    Also mittels der Strahlung wasser erwärmen.
    Diese methode würde allerdings eine recht gute auswertung erfordern und unterm strich wohl umständlicher ausfallen, als andere methoden. Hier wären dann recht präziese Temperaturfühler und vorallem eine sehr gute Kalibrierung ("wasserwertsbestimmung") nötig.



    Zu deiner Methode John S.
    Ich habe nichts anderes erwartet. Ich denke deine Messungen werden recht genau sein.
    Das einzigste was mich daran eben stören würde ist, dass man keine Optik-Wirkungsgradbestimmungen machen kann. Und dort sehe ich noch ein großes Problem in der LED-technik. Diese ganzen gammligen TIR-optiken etc. Des weiteren würde es mich wirklich mal interessieren, was aus den ganzen lampen wirklich rauskommt. wenn ich meine Lampe baue will ich nicht utopische werte angeben, die nix mit der realität zu tun haben. Auch was die ganzen LED's wirklich halten. Subjektiv knnman da ja fast nur sagen "hell".
    Falls du Probleme hast gute Infos zu finden, kontaktier mich einfach, ich finde die Links sicher wieder. Nur ich müsste auch erstmal ein bisschen suchen.
    Falls du dich an ein soclhes projekt machst bin ich selbstverstänr´dlich Brennend an ergebnissen etc interessiert! (wenn du die zeit hast mir eins mitzubauen können wir selbstverständlich gegen eine "arbeitsentschädigung drüber reden!


    Gruß, max

    Also an dem Projekt wäre ich schon interesiert wenn dann aber nur in den Semesterferien sprich ab mitte Juli.


    Bin jetzt fertig mit der versprochenen Messung,laut Cree hat sie bei 700mA und 25°C Chimptemperatur zwischen 595-723mW Strahlungsleistung.
    Ich habe der Led konstant 700mA gegeben und am Ende des Versuches eine Leistungsaufnahme von 2,33W gemessen.
    Die Temperaturdifferenz war 12,9°C,der Wärmewiderstand des Kühlkörpers beträgt 7,34K/W damit betrug die Heizleistung 1,758W und die Strahlungsleistung wäre bei 573mW.Durch den hohen Wärmewiderstand des Wärmeleitklebepads war der Chip bei guten 70°C wo er 5% weniger Lichtausbeute hat. Damit müsste die Led bei 25°C 602mW haben.


    Ist also der untere Rand des Binnings was mich aber nicht wundert den die Led ist schon gute 1000h auf 700mA gelaufen.


    Zum Wirkungsgrad der Optiken: Da hast du recht,jedoch interesiert mich der Wirkungsgrad im Hinblick auf die Eignung als Pflanzenlampe und da benutze ich keine Optiken. ;)

    Zitat

    Naja nächste Woche gehe ich zu meinem Professor und frage ihn was er von meinem Ansatz hält. ;)

    Du kriegst ne Schelle und "setzen ! sechs !" :)


    Oh ja das is des Boltzmann Gesetz oh mai du bist aber echt fit in Physik.
    Na gut dann halt eben nicht .. war ja nur ne Idee. :rolleyes:

    Hi John.


    Eine Thermoskanne randvoll mit einem halbwegs dünnflüssigen Öl. Die zu testende LED inkl. Kühlkörper so in einen geeignet angefertigten Stopfen verbauen dass lediglich ihre Optik unbehindert (in die Luft) abstrahlen kann. Den Stopfen dann auf die Thermoskanne montieren. Wenn Öl dabei überläuft, gut. Dann weiß man wenigstens das die LED plus Kühlkörper komplett getaucht ist!


    Den Aufbau dann eine bestimmte Zeit laufen lassen. Danach die Erwärmung der Ölmenge messen. Zusätzlich noch einmal die genaue Ölmenge nach Demontage des Stopfens und Bergen von LED plus Kühlkörper auslitern. Dann die Differenztemperatur korreliert mit tatsächlich erwärmter Ölmenge in über den Versuchszeitraum hineingesteckte Wärmearbeit umrechnen. Mit der in den Versuch hineingegebenen elektrischen Gesamtarbeit vergleichen.


    Die Differenz sollte dann dem entsprechen was als Photonen in die Luft "verloren" wurde?


    Peter

    so in etwa funktioniert eine kalorimetrische leistungsmessung bzw energiemessung.
    Wird ganz gerne in der schule im chemie-praktikas gemacht. Funktioniert auch für chemische reaktionen wie Fe und S zu FeS oder so.


    Um die genauigkeit der messung zu erhöhen empfehle ich aber die eichung des apperats ("wasserwert"). so ne thermoskanne is ned ideal und wenn man den faktor der verluste noch mit einbezieht, wird das ganze auch recht genau.


    Alledings sind das messungen die doch recht umständlich und zeitaufwändig sind.
    Da finde ich gibt es bessere methoden (ich glaube hatte ich mal erwähnt).


    Eine andere möglichkeit die recht ähnlich funktioniert ist, den bekannten wärmeüberganswert eines KK zur luft zu nutzen (kalibrierung mittels widerstand).
    (oder hat das John so gemacht. bin zu faul nachzugucken).


    Eine weitere möglicheit sollte es sein die erwärmung eines beliebigen materials (vorzugsweise alu oder kupfer) über der zeit zu bestimmen und daraus rückschlüsse auf die leistung zu machen.
    Also z.B. einen aluklotz bekannten gewichts gut isoliert nur mit einem kontakt zur LED-kühlfläche. Über ein eingebautes thermometer nimmt man nun messwerte in gewissen zeitintervallen auf und trägt diese grafisch auf. Über eine ausgleichskurve wird man hier sicher recht gute ergebnisse erzielen, da die wärmekapazität sich nich so drastisch mit der temperatur ändert.
    Mittels eines Kalibrierwiderstandes kann man zudem noch die Isolierung als korreckturfaktor mit einbeziehen.



    Viel interessanter finde ich aber die bestimmung der lcihtmenge und nicht der verlustwärme. Damit könnte man dann reelle aussagen über die abgestrahle lichtleistung nach optiken und so machen.




    Gruß, Max

    Ja ich habe den Kehrwert der Wärmeübergangszahl, also den Wärmewiderstand benutzt.


    Naja ich habe probeweise die Peltiermethode ausprobiert und dabei eine Abhängigkeit der Peltierspannung von 15,96 W/V gemessen.
    Eine Cree XR-E auf 700mA die etwa 1mm von der Russchicht entfernt war erzeugte dabei eine Peltierspannung von 42mV was dann 15,96W/V * 0,042V= 0,67W Strahlungsleistung entspricht. Dann noch mit dem Kehrwert von 0,96 multiplizieren weil dass der Absorptionskoeffizient von Ruß im sichtbaren Bereich ist und man hat 0,698mW.
    Kommt in etwa gut hin, die paar fehlenden mW kriegt man sicher rein wenn man die Randemission der Led mit berücksichtigt.