¿Cuál es el límite teórico de lumen / vatio para sistemas de iluminación?

Depende del espectro de luz que quieras. Nuestros ojos son más sensibles a la luz verde a 555 nm, por lo que una fuente de luz perfectamente eficiente que solo emitió ese color alcanzaría los 683 lm / W. Si desea incluir otros colores (por ejemplo, para obtener luz blanca), necesitará más potencia para el mismo brillo aparente. Wikipedia tiene un gran resumen en enlace . Dependiendo de la precisión con la que desee igualar la luz diurna en apariencia, la eficacia máxima teórica se sitúa entre 251 y 348 lm / W.

  

Hoy en día vemos LED con una eficacia luminosa de 300 lúmenes por vatio.

Tal vez en el laboratorio. En este momento, los LED blancos disponibles comercialmente son de aproximadamente 200 lm / w. 400 lm / w es el límite teórico superior práctico. El DOE de EE. UU. Estimó más de 250 lm / w para 2025.

LosLEDazulescomercialestienenhastaaproximadamenteun80%deeficacia(CreeXP-3GyOSRAMOslonSSL).
LosLEDblancosusanLEDazulescubiertosconunfósforoamarillo.
Enteoría,losfósforospodríanproducirmásdel100%deeficacia.

SielcostodefabricacióndeunLEDUVseredujodrásticamente,laeficaciapodríadispararse.SehanreportadoLEDsqueemitencercade400nmconeficienciasnotablementealtas(Moritaetal.,2004)

  

¿Cuáleseltechoteóricoquegolpearíamosenunfuturolejano?

1fotónporelectróneslaeficienciacuánticaidealdelaunidad.

Interna,extracción,externaypotenciasonlascuatroeficienciasdeLEDbásicas.

Interno:númerodefotonesemitidosdesdelaregiónactivaporcadaelectrónquecruzaelintervalodebanda.Dependiendodelosmaterialesylatemperatura.

Extracción:fotonesemitidosporlaregiónactivaqueseescapandeldadoLED.Sitodoslosfotonesemitidosporlaregiónactivatambiénseemitenalespaciolibre,laeficienciadeextraccióneslaunidad.

Externo:larelacióndelnúmerodepartículasdeluzútilesemitidasalaNúmerodeelectronesquecruzanlabanda.

Laeficienciaenergéticaeslaeficienciadel"enchufe de pared". El número de fotones emitidos por vatio utilizado.

Si la tecnología alcanzó el máximo teórico de un fotón por electrón La eficacia lm / w teórica se basa únicamente en la salida espectral.

Hay tres unidades de medida comunes para el flujo de LED. Luminoso (lúmenes), radiométrico (vatios) y cuántico (número de fotones, unidad SI = Moles).

El espectro visible es de 380 nm (770 THz) a 770 nm (390 THz)
Un fotón violeta de 380 nm lleva la mayor potencia radiométrica.
Obtendrá la mayoría de los lúmenes de un vatio de fotones verdes de 555 nm (540 THz).

602,214,085,700,000,000 electrones en 1 vatio.
624,200,000,000,000,000 fotones en 1 µMole.
el cual da 1.036508469 µmol / w

Conversión de Photon Energy a Photon Flux

Un fotón tiene una cantidad de energía Ep que se define por:

Ep= h•f 

donde h = Plancks constante 6.63 x 10 ^ -34, y

f = Frequency = c/λ
where c = speed of light = 299,800,000 m/s and <br>
λ = wavelength in meters<br>

Por lo tanto

Ep = h•(c/λ)

El número de fotones , Np, se puede calcular mediante

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)]   (with Irradiance[W/m²])  

NOTA: arriba λ está en nm

El flujo de fotones se puede determinar mediante:

Ef = Np/NA 

donde NA = número de Avogadro 6.022 • 10 ^ 23 / mol)

Juntos da la ecuación para convertir la irradiancia [W / m2] a flujo cuántico [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 de fotones de 555 nm = 0.2234 vatios
Eficacia luminosa fotópica a 555 nm = 147.2

147.2 x 1.036508469 µmol / w = 152.574 lm
152.574 lm / 0.2234 w = 683 lm / w

REFERENCIAS:

Diodos emisores de luz , 2ª edición, E. Fred Schubert

  

candela (cd): la candela es la intensidad luminosa, en un determinado   Dirección, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia.   540 THz hertz (555 nm) y que tiene una intensidad radiante en eso   Dirección de 1/683 vatios por esterilizador.
source El Sistema Internacional de Unidades de Medición

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Eficacia luminosa fotópica, curva de sensibilidad relativa para el CIE Observador estándar Factores de conversión de irradiancia