Bestimmen des Wirkungsgrades einer LED

John.S · Anmeldungsdatum: 05.07.2007 Beiträge: 19

Hallo Allerseits,

mir ist eine Idee gekommen wie man den Wirkungsgrad einer Highpower Led messen kann ohne teuere optische Geräte kaufen zu müssen.

Eine Highpower Led ist sozusagen die moderne und vor allem stärkere Version der normalen Leds.Sie hat hinten eine Kühlfläche an der sie ihre Abwärme wie eine Leistungstransistor abgibt.

Ich habe mir jetzt gedacht ich plaziere die Led auf einen Alublock einer bestimmten Masse und gebe dann auf die Led eine genau gemessene Leistung und zwar 60s lang.

Daraus kann ich ja die Energie errechnen die die Led aufnimmt,durch die Erwärmung des Alublockes kann ich den Anteil bestimmen der in Wärme umgewandelt wird.Der Rest muss dann Strahlung sein.

Da der Alublock während der 60s ja Wärme abgibt habe ich mir gedacht ich messe nach dem Ausschalten der Led die Wärmeabgabe und addiere die paar Kelvin zur Temperaturdifferenz des Alublockes um die Wärmeabgabe wieder auszugleichen.

Hier meine Messwerte:
-Led Leistungsaufnahme 2,254W
-Alublock 5,5g
-Betriebszeit 60s
-Gemessene Temperaturdifferenz zwischen aus und an= 14°C
-Gemesse Tempdifferenz 60s nach dem Ausschalten=3°C

Energieaufnahme ==135,24J
Energie im Alublock 17°C*5,5g*0,9J/K*g=84,15J

135,24-84,15=51,09J

Strahlungsleistung 51,09J/60s=0,8515W

Die Led müsste aber laut Datenblatt nur 0,678125W bei dem Betriebstrom abstrahlen.

Bei einer anderen,roten Led habe ich auch ein zu hohes Ergebnis rausbekommen auch nach mehrmaligen Messen immer das selbe zu hohe Ergebnis.
Diese Blaue Led oben aus der Rechnung habe ich nur als Kontrolle benutzt,ob die Methode funktioniert.Gedacht ist es nur für andere Leds wo nur die Lumenangabe steht und keine Strahlungsleistung.

Wo ist mein Fehler?

schnudl · Moderator Anmeldungsdatum: 15.11.2005 Beiträge: 6979 Wohnort: Wien

Du berücksichtigst nicht, dass ein Kühlkörper irgendwann eine stationäre Temperatur erreicht. Das ist der Fall wenn die hineingesteckte thermische Leistung gleich der durch Konvektion abgegebenen Leistung ist. Das mit den 3K verstehe ich erstens nicht, und bezweifle auch, dass man es überhaupt so rechnen darf.

Der Zusammenhang wie ich ihn aus der Halbleitertechnik gelernt habe ist

Dabei ist

R(K-U) ... der Wärmewiderstand vom Kühlkörper zur Umgebung in W/K
T(K) ... die Temperatur des Kühlkörpers
T(U) ... die Umgebungstemperatur

Um R(K-U) zu bestimmen, würde ich eine bekannte Wärmeleistung über einen rein ohmschen Widerstand einspeisen und über die Temperaturdifferenz den Wärmewiderstand bestimmen. Du musst aber warten, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist, und es nicht mehr wärmer wird. Ausserdem musst du für einen guten Kontakt sorgen, so dass der Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper klein ist im Vergleich zum Widerstand Kühlkörper-Luft, sodass keine Leistung vom Messobjekt direkt abgestrahlt wird. Am besten du packst das Messobjekt zwischen zwei zusammengeschraubten Backen ein.

Danach weisst du R(K-U) und kannst den Versuch mit der Diode wiederholen. Aus der Formel kannst du dann ihre thermische Leistung ermitteln. Nur darfst du die Diode eben nicht ganz einpacken, da ansonsten die Lichtleistung ebenso zur Erwärmung beiträgt. Ganz trivial ist das ganze sicher nicht...

John.S · Anmeldungsdatum: 05.07.2007 Beiträge: 19

Hallo,
danke für die Antwort erstmal.

Das mit den 3K hab ich mir so überlegt:Während der 60s Betrieb gibt der Kühlkörper einen Teil der Wärme an die Umgebung ab die ich während des Betriebes aber nicht messen kann.Aber nach dem Aschalten kann ich die Wärmemenge messen indem ich gucke wie weit sich der Alublock in 60s wieder abkühlt und diese Temperaturdifferenz mal der Wärmekapazität des Alublockes müsste der verlorene Energiebetrag während der 60s sein. grübelnd

Logischerweise müsste ich ihn ja zur gespeicherten Wärmemenge im Alublock addieren.

Das mit der Wärmebestimmung werde ich so machen aber mit einem Leistungstransistor den auf den Block klebe,kurschliesse und dann einen bestimmten Strom fliessen lasse.
Währe ja das selbe?

Andererseits könnte ich auch einfach einen Kühlkörper bekannten Wärmewiderstandes nehmen aber dummerweise habe ich so einen nicht.

schnudl · Moderator Anmeldungsdatum: 15.11.2005 Beiträge: 6979 Wohnort: Wien

Also die Differenzialgleichung ist

Daraus ergibt sich T sec nach dem Einschalten

Nach 2T, wenn man bei T ausschaltet

Das theoretische Lambda ist

Aus der zweiten Gleichung kann man Lambda sofort ausrechnen, ich komme auf

=0,004/s

Aus der ersten Gleichunh hat man dann

Daraus ergibt sich ein

wenn man mit c=4,95J/K rechnet.

Das ist zwar richtiger gerechnet, aber leider noch weiter vom erwünschten Resultat als dein Ergebnis.
Klo

Vielleicht ist die Wärmekapazität etwas grösser, da ja die LED auch dabei ist. Mit einem Wert c , der um einen Faktor 1,2 grösser ist kommt man auf das richtige Ergebnis...

Aber die Differenzialgleichungen sind ja auch nur Näherungen...

Vor allem hast du keine wohldefinierte Abstrahlungsbedingung, da ja sicher ein Teil der LED freiliegt, und somit nicht alles über den Kühlkörper abgestrahlt wird. Darüberhinaus hat die LED eine höhere Gehäusetemperatur als der Kühlkörper. Auch wenn die Wärmekapazität der LED kleiner ist als jene des Kühlkörpers, kann dies aufgrund der höheren Temperatur wohl ins Gewicht fallen. Mit so einem groben Ansatz in erster Näherung kann man sich halt auch nur ein Resultat in erster Näherung erwarten. Big Laugh

John.S · Anmeldungsdatum: 05.07.2007 Beiträge: 19

Hmm,also die Wärmeabgabe über das Gehäuse der Led müsste minimal sein,bzw könnte ich es ja noch reduzieren wenn ich alles ausser der Linse mit Wattepads oder Taschentuchstreifen isoliere.