Manche schreiben: „90% der elektrischen Energie wird in Licht umgewandelt und damit ist die LED fundamental besser als jedes andere Leuchtmittel!“
Ist die LED wirklich so effizient wie alle behaupten?
Nein, denn 90% der elektrischen Energie in Licht umzuwandeln ist physikalisch gar nicht möglich! Theoretisch ist es möglich eine grüne LED mit einer Wellenlänge von 555nm mit einer Effizienz von 683 Lumen/Watt zu betreiben. Das aber auch nur in der Theorie, bei der die gesamte elektrische Energie in Licht umgewandelt wird. In der Realität sieht das Ganze etwas anders aus.
Wer wissen möchte, wie eine LED aufgebaut ist, dem empfehle ich dieses Video sich anzuschauen.
Je dünner die Schicht, desto mehr blaues Licht kommt hindurch und desto kälter wird die Led. die Effizienz steigt dadurch. je dicker die Schicht, desto mehr Licht wird in gelbe Photonen umgewandelt, desto wärmer wird das abgestrahlte Licht. Allerdings verliert die LED dadurch an Effizienz.
Wer sich dieses Video angeschaut hat wird feststellen, dass innerhalb der LED Verluste durch die Filterschicht entstehen. Je dünner die Filterschicht ist, desto mehr Licht kommt hindurch und desto weniger Wärme entsteht. Die Firma CREE hat es am 13.2.2013 geschafft eine LED zu entwickeln, die 276 Lumen/Watt schafft. Das ist bis Dato der Rekord. Die Pressemitteilung ist hier zu finden.
Wenn also aktuell im Labor 276 Lumen das Maximum sind, dann kann man eine einfache Rechnung aufstellen wie viel Energie nun in Wärme und wie viel in Licht umgewandelt wird. 683 Lumen ist das Maximum, also 100% wenn wir nun die 276 durch die 683 teilen, erhalten wir den realen Wirkungsgrad einer LED. In diesem Fall sind es unter Laborbedingungen 40%. Bei handelsüblichen LEDs ist das allerdings noch ziemliches Wunschdenken. Eine meiner favorisierten LEDs ist die CREE MKR. Für meine Eigenbaulösungen habe ich bereits öfters Cree MKR von led-tech.de bestellt.
Sie erreicht im normalen Betrieb in etwa 130 Lumen pro Watt. Bei der maximalen Lichtausbeute von 1769 Lumen und 15W sowie einer Temperatur von 85°C sind es immerhin satte 118 Lumen/Watt. Je niedriger die Temperatur sowie der Strom, desto mehr steigt die Effizienz dieser LED an. Die Farbtemperatur spielt hier ebenfalls eine entscheidende Rolle. Da die LEDs ohne Farbfilter blau wären, muss man viel Licht Filtern um ein schönes warmweißes Licht zu bekommen. Je kälter das Licht, also je bläulicher, desto höher ist wiederum der Wirkungsgrad. Bei voller Lichtausbeute, also bei 15W wandelt die MKR LED 17% der Energie in Licht um und 83% in Wärme. Hier wird klar, warum eine Kühlung so enorm wichtig ist! Jeder kann sich nun ausrechnen, wie effizient nun No-Name-China LEDs sind. Teilweise erreichen sie nur 50-60 Lumen/Watt. Was einem Wirkungsgrad von unter 10% entsprechen würde. Also ein zehntel der Energie wird in Licht und neun zehntel in Wärme umgewandelt.
Wie Effizient ist eine LED im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln?
Wie ich schon eben geschrieben habe, wird der Wirkungsgrad bei LEDs in Lumen pro Watt gemessen. (Lumen ist eine Einheit für die Lichtmenge, die ein Körper abstrahlt. Weitere Infos zu Lumen kann man unter Wikipedia nachlesen oder in den Zahlreichen Physik Blogs, welche unter Google zu finden sind) Also die Lichtmenge, die man erhält, wenn man sie mit einem Watt elektrischer Leistung betreiben würde.
Um jetzt eine LED mit einer Glühlampe zu vergleichen, nehmen wir nun zwei Systeme und vergleichen ihre Vor- und Nachteile.
Zum einen das System Glühlampe (40W Leistung). Eine normale 40W Glühlampe strahlt in etwa 400 Lumen an Licht ab und kann damit einen Schreibtisch ohne Probleme mit Licht versorgen. Der Nachteil wird allerdings spürbar, wenn man an den Lampenschirm oder sogar an die Lampe selbst fasst. Neben Licht strahlt die Glühbirne auch eine enorme Hitze ab, da das licht durch einen glühenden Draht emittiert wird.
Das sieht bei einer LED etwas anders aus. Hier emittiert kein Glühdraht das licht, sondern ein Kristall, durch den Strom fließt und zum leuchten angeregt wird. Nun möchten wir eine 40W Glühlampe mit einer LED vergleichen, welche genauso viel Licht abstrahlt wie eben genau diese Glühlampe. Hierzu habe ich eine LED der Firma CREE rausgesucht, welche bei 3,1V und 1,6A genau 400 Lumen an Licht abstrahlt.
Schauen wir auf die Glühlampe, sehen wir einen Wirkungsgrad von 400 Lumen/40W=10 Lumen pro Watt.Nun die LED: Die elektrische Leistung der LED beträgt 3,1V*1,6A=4,96W. Um es zu vereinfachen, nehmen wir den Wert 5W. Demnach ist der Wirkungsgrad der LED: 400 Lumen/5W=80 Lumen pro Watt.
Wir können also Festhalten, dass bei gleichem Lichtstrom eine LED deutlich weniger elektrische Leistung benötigt, als eine Glühlampe.
Auf der Seite energie-bewusstsein.de gibt es eine sehr gute Lumen-Tabelle.
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Christian
Wer beim Bau von LED-Lösungen Hilfe benötigt oder eine Idee hat, was Christian als nächsten bauen sollte, kann ihn auf Google+ finden oder per Email kontaktieren.
Die Effizienzbetrachtung hinkt etwas. Bei einer rein grünen LED ist sie richtig, bei einer andersfarbigen LED nicht ganz korrekt. Durch die Bewertung der Strahlung mit der Empfindlichkeitskurve V(lamdba) für die Lumen-Berechnung ist eine Gewichtung der Strahlung vorgenommen. D.h. eine 1W grüne LED könnte theoretisch tatsächlich maximal die 683lm erreichen und hatte dann 100% Strom in Licht umgewandelt. Bei einer 1W blauen LED (450nm) sieht es schon anders aus. Hier kommen max. 34lm bei 100% Effizienz raus. Da dies mickrig klingt wird bei blauen LED die Lichtleistung in mW angegeben. Für rot bzw. andere Wellenlängenbereiche ist es ähnlich. Bei monochromen LEDs kann als Fausformel für den Lichtstrom Phi = 683lm/W * Strahlungsleistung * V(lamda) genommen werden, wobei V(lamda) der Wert der Lambdakurve an der entsprechenden Wellenlängen ist. Z.B. hat dann eine 910mW LED bei 447nm und V(447nm)=0,0335 ca. 21lm max., bei 100% (dann wären nämlich elektr. Leistung und Strahlungsleistung identisch). Fazit: zur Bewertung der theor. max. möglichen Lichtströme einer breitbandigen LED ist der spektrale Verlauf (z.B. gemessen mit einem Spektroradiometer) über V(Lambda) zu integrieren.