Hallo, ich habe eine Idee wie man evtl. recht einfach den Wirkungsgrad einer LED messen könnte: Die Messung erfolgt indirekt über die Wärmeentwicklung. Die LED selbst ist der Temperatursensor. Die Messung erfolgt in mehreren Schritten. Die Temperatur wird anhand der Vorwärtsspannung gemessen. Mehrere kleiner Ströme werden eingespeist und die Spannungen gemessen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie gibt Auskunft über die Temperatur. Der Wert in °C ist nicht relevant. Es kann die Messung der Grundtemperatur (Umgebungstemperatur) erfolgen. Das ist aber nicht notwendig. Die LED erhält einen Betriebsstrom. Der Strom, bei dem der Wirkungsgrad gemessen werden soll. Strom und Spannung werden gemessen/gespeichert, die Leistung ermittelt. Nach einiger Zeit wird die Temperatur gemessen (aus der Strom-Spannungs-Kennlinie). Das abgestrahlte Licht trägt nicht zur Erwärmung bei. Im nächsten Schritt wird hochfrequente Wechselspannung an die LED angelegt. Die Spannung ist so niedrig, dass die LED nicht leuchtet. Durch dielektrische Verluste erwärmt sich der LED-Chip. Die eingebrachte Leistung wird gemessen und zyklisch wird auch die Temperatur über die Strom-Spannungs-Kennlinie indirekt gemessen. Der Pegel wird iterativ so angepasst, dass die gleiche Temperatur, d. h. die gleiche Strom-Spannungs-Kennlinie auftritt, wie im ersten Schritt, wo die LED leuchtete. Die Leistung wird abgespeichert. Nun haben wir zwei Leistungsangaben, also einmal mit Lichtabgabe und einmal ohne Lichtabgabe, die zur gleichen Temperatur führen. Daraus den Wirkungsgrad zu errechnen ist ja dann keine Kunst mehr. Ob das gut/genau klappt? Es müsste ja eine elegante Low-Cost-Methode sein? Hat das schon mal jemand versucht? Gibt es ein Patent dazu?
Stefan Helmert schrieb: > Durch dielektrische Verluste erwärmt sich der LED-Chip. Wahrscheinlich nicht, GaAs ist ein für Höchstfrequenzen geeignetes Material, das wäre sicher nicht so, wenn es merkliche dielektrische Verluste hätte. Ich schätze, so kann man allenfalls Wärme im Bereich µW zuführen, während es sich im Normalbetrieb um W handelt. Gruss Reinhard
OK, dann müsste man die LED rückwärts durchbrechen um sie zu erwärmen. Da ist der Wirkungsgrad deutlich geringer. Sie leuchtet zwar trotzdem, der Lichtstrom ist aber proportional zum elektrischen Strom. Beim Rückwärtsdurchbruch ist allerdings eine viel höhere Spannung nötig.
Halte ich für gewagt, aber man kann ja mal überlegen. Ein paar Punkte sind mir aufgefallen: 1. Du willst die Temperatur der LED messen, stationär, d.h. im thermodynamischen Gleichgewicht. Das wird verdammt schwierig und ungenau, da du jeden Luftzug berücksichtigen musst. (Peking Effekt: In Peking fliegt ein Schmetterling los und bei uns wirds deswegen schlecht Wetter) 2. im zweiten Schritt "Die Spannung ist so niedrig, dass die LED nicht leuchtet". Such' mal den Knick an einer Diodenkennlinie... 3. Mach mal eine Fehlerrechnung. D.h. stelle alle notwendigen Gleichungen etc. zusammen. So lange, bis du nur noch eine Formel hast: Wirkungsgrad = "Formel mit vielen Messwerten" Jetzt mach Annahmen, wie genau du die einzelnen Messwerte erfassen kannst, es ist z.B. nicht ganz einfach, Strom mit mehr als 10e-3 Fehler zu messen. Und schätze ab, welche Werte du wohl messen wirst. Jetzt zur Fehlerrechnung: Leite die Formal nach dem 1. Messwert ab. In die Ableitung setzt du jetzt deine angenommenen Messwerte ein und multiplizierst das dem entsprechenden Absolutfehler des Messwerts nach dem du abgeleitet hast. Das ergibt den absoluten Fehler, verursacht durch die Ungenauigkeit des ersten Messwerts. Genau genommen musst die möglichen Fehler nach oben und unten separat betrachten. Mach das mit jedem Messwert. Und zähle die absoluten Messfehler nach oben und unten jeweils zusammen. Was kommt raus?
Tilo Renz schrieb: > 2. im zweiten Schritt "Die Spannung ist so niedrig, dass die LED nicht > leuchtet". Such' mal den Knick an einer Diodenkennlinie... Falsch, das war ja nur zum hochheizen gedacht, hochfrequent. Gemessen wird ja mit normalem Strom. Tilo Renz schrieb: > 1. Du willst die Temperatur der LED messen, stationär, d.h. im > thermodynamischen Gleichgewicht. Man kann ja auch den Gradienten zu Beginn der Erwärmung messen.
Stefan Helmert schrieb: > Tilo Renz schrieb: >> 2. im zweiten Schritt "Die Spannung ist so niedrig, dass die LED nicht >> leuchtet". Such' mal den Knick an einer Diodenkennlinie... > > Falsch, das war ja nur zum hochheizen gedacht, hochfrequent. Gemessen > wird ja mit normalem Strom. schon klar. Aber bei welcher Spannung leuchtet eine LED nicht mehr? Wenn Vorwärtsstrom fließt leuchtet sie. Wenn du negativ vorspannst wird der intrinsiche Bereich größer. Die dabei sinkende Sperrschichtkapazität hilft nicht wirklich beim Heizen. > > Tilo Renz schrieb: >> 1. Du willst die Temperatur der LED messen, stationär, d.h. im >> thermodynamischen Gleichgewicht. > > Man kann ja auch den Gradienten zu Beginn der Erwärmung messen. Könnte man machen, aber jetzt rechne das erst mal durch, mit der Fehlerrechnung. Dann sehen wir ja ob das überhaupt was werden kann. Ich erinnere mich gut an ein Physik-Praktikum. Da gabs öfter so Ergebnisse wie Ergebnis 0.3 Fehler +/- 1 An der Fehlerrechnung sieht man auch sehr schön, welche Ungenauigkeiten wie stark zum Fehler beitragen, wo man also mit besseren Messgeräten nachbessern könnte und wo das vergebens ist.
Vielleicht mit einem Kalorimeter? 1. Die LED befindet sich in der Mitte eines mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes, das als Kalorimeter dient. 2. Die Flüssigkeit wie auch die Gefäßwände sollten das sichtbare Licht weitgehend ungeschwächt passieren lassen. Die Gefäßwände sollten thermisch gut isolieren. Dieses Kalorimeter muß in einer nicht reflektierenden Umgebung (bspw. einem genügend großen, innen schwarzen Kasten) betrieben werden, um zu verhindern, daß reflektiertes sichbares Licht zurück in Gefäß nud Flüssigkeit geworfen wird (und so zur Erwärmung beiträgt). 3. Entsprechend den üblichen kalorimetrischen Verfahren kann über die Messung der Erwärmung der Flüssigkeit die von der LED abgegebene Wärmemenge bestimmt werden. Das ist die thermische Verlustleistung der LED. Die Leistung des sichtbaren Lichtes geht in diese Messung NICHT wesentlich mit ein, dieses Licht durchdringt die Flüssigkeit und das Gefäß ohne (nennenswert) zur Erwärmung der Flüssigkeit beizutragen. 4. Unter der Annahme, das die Leistung sämtlicher anderer elektomagnetischer Strahlung, andere als Infrarotstrahlung und sichtbares Licht, vernachlässigbar klein sind, muß die Leistung des die LED verlassenden sichtbaren Lichtes der Differenz: (Elektrische Leistung) - (kaliometrisch bestimmte Wärmeleistung) entsprechen. 5. Zur Verifikation des Punkt 4. kann gezeigt werden, daß die Summe der abgestrahlten thermischen Leistung und der Leistung im Bereich des sichtbaren Lichtes (weitgehend) der zugführten elektischen Leistung entspricht. Auf zwei Arten: 5a. Die Flüssigkeit wird einfach undurchlässig für sichtbares Licht gemacht (Chemiker fragen - die schütteln bestimmt geeignete "Tröpfchen" oder "Pülverchen" locker aus dem Ärmel). Dann muß die kaliometrische Messung eine größere Wärmemenge ergeben - gemäß dem Gesetz der Energieerhaltung muß die Leistung im Bereich des sichtbaren Lichtes jetzt vollständig "zu Wärme(menge) umgesetzt" werden! 5b. Alternativ kann alles des Gefäß verlassende Licht zurückreflektiert werden - bspw. durch Umwicklung mit Alufolie. Oder durch Anbringung der Alufolie innen auf den Gefäßwänden, um den Meßfehler durch eine veränderte Wärmeabstrahlung des Gefäßes zu verringern.
Hmm, ist das nicht alles recht kompliziert? Erwärmung durch einige Watt Leistung im Bastelkeller messen... Der klassische Weg ist doch die Messung in einer Ulbrichtkugel. Fassen wir das mal zusammen: - eine leere Kugel mit zweckmässigem Durchmesser (sagen wir 20cm) - innen weiss gestrichen (ideal: mit Bariumsulfat) - 3 Löcher: einmal für Photozelle (hier würde ich halt ein einfaches Luxmeter verwenden), einmal für Hilfslampe (hier eine 5W Halogenlampe mit stabilisierter Versorgung z.B. Lab-NT-Hilfsspannung), einmal für Prüfling - 2 Blenden im inneren: 1. vor der Hilfslampe sodass kein Direktlicht auf die Messzelle und auf den Prüfling fällt, 2. vor der Messzelle, sodass kein direktlicht vom Prüfling auf die Messzelle fällt. 2 Möglichkeiten des Messaufbaus: - Variante a: der Prüfling befindet sich aussen und gemessen wird das was in die Kugel reinleuchtet - Variante b: der Prüfling befindet sich in der Kugel (hängt am Kabel) und die Prüflingsöffnung wird verschlossen. Ablauf der Messung Variante b (a sparen wir uns): 1. Ohne Prüfling wird bei verschlossener Kugel der Wert mit eingeschalteter Hilfslampe gemessen ($wert_leer). 2. Prüfling plazieren und NICHT einschalten, dann Wert mit Hilfslampe messen ($wert_voll). 2a. $Substitutionsfehler = $wert_leer - $wert_voll (ergibt das durch den Prüfling und dessen Gehäuse etc. absorbierte Licht) 3. Prüfling einschalten, Hilfslampe ausschalten, Prüfling messen ($wert_prüfling) 4. $wert_prüfling - $Substitutionsfehler = $Zwischenergebniss Das Zwischenergebniss entspricht im Grossen und ganzen dem gesuchten Lichtstrom. Wichtig ist diese Messung einmal mit einer bekannten Lampe ($phi_normal) als Strahlungsnormal zu kalibrieren. $kaliber = $phi_normal / $zwischenergebniss_mit_normallampe beim eigentlichen Prüfling: $phi_prüfling = $zwischenergebniss * $kaliber Im Bastelkeller könnte man das nun einfach in nem weis angestrichenen Schuhkarton und eben einem Luxmeter als Messzelle bewerkstelligen. Fertig ist die Laube. Wichtig ist eben die Hilfslampe und die Messzelle mit einer kleinen Pappscheibe abzublenden. Das problematischste ist wohl das Normal zu beschaffen. Vielleicht reicht da erstmal einfach eine 12V Halogenlampe mit 10W am Lab_NT. Dürfte um 30% Absolutfehler sein und für Vergleichsmessungen um 10% daneben liegen. Wenn man die Radiometrische Strahlungsleistung des Prüflings kennt, müsste man bei vergleichbarem Spektrum mit Luxmeter als Messzelle auch halbwegs auf die Radiometrischen Werte kommen (wegen des vorhandenen v_Lambda-Filters). Bei Erwärmung misst mal ja abgestrahltes IR mit als Emission. bye uwe
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