Measuring efficiency of light-emitting diodes with integrating sphere and thermal measurements

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-31

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

30

Series

Abstract

Improving the efficiency of light emitting diodes (LEDs) is important from both technical and economical points of view. In order to improve the efficiency of LEDs, it should be well defined and accurately measured. Wall-plug efficiencies (defined as the ratio of the output optical power to the input electrical power) of modern LEDs have approached 80%. It is also predicted that LEDs may reach efficiencies above unity, when their ability to efficiently use thermal energy for photon emission is fully harnessed. As relatively small measuring errors become more significant when approaching the efficiencies near 100%, the measurement of the high efficiencies becomes more challenging. In this bachelor’s thesis, two different methods to measure the efficiency of an LED are compared through theory and practical measurements. The first method is the classical method, which includes measuring the output optical power with an integrating sphere and a spectrometer. This approach works well, but calibrating it for high accuracy is challenging. To simplify the measurement procedure for LEDs that do not directly fit the input port of the integrating sphere, a modified measurement technique, referred to as hemisphere efficiency measurement, was also tested and compared with the standard integrating sphere measurement. Additionally, the thesis studies a novel method to estimate the efficiency of LEDs. Originally developed for photoluminescence systems, the method is based on the energy balance of the LED: all input power injected into the LED will result in either optical power or heat. The heat produced by the LED is measured together with the optical output power, and energy conservation requirements are used to calibrate the measurement. The results indicate that the classical method with integrating sphere works as supposed, but is challenging to calibrate. It is also possible to use integrating hemisphere, but it complicates the calibration. The method based on energy balance needs further development, but the preliminary results are promising, and the method also produces the temperature measurement that can directly indicate crossing the boundary of 100% efficiency of the LED.

Valoa emittoivien diodien (LEDien) hyötysuhteen parantaminen on tärkeää sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta. Jotta hyötysuhdetta voidaan parantaa, sen on kuitenkin oltava hyvin määritelty ja tarkasti mitattavissa. Kaikkein kehittyneimpien LEDien kokonaishyötysuhteet (optisen tehon ja käytetyn sähkötehon suhde) ovat saavuttaneet 80%, ja LEDien hyötysuhteiden on ennustettu myös ylittävän sadan prosentin rajan, mikä vaatii ympäröivän lämmön käyttämistä energian lähteenä. Koska suhteellisen pienet mittausvirheet tulevat merkityksellisemmiksi, kun lähestytään sataa prosenttia, hyötysuhteen mittaus korkeissa arvoissa on haastavampaa. Tässä kandidaatintyössä vertaillaan kahta erilaista LEDin hyötysuhteen mittauksen menetelmää sekä kokeellisesti että teoreettisesti. Ensimmäinen menetelmä on klassisempi menetelmä, jossa tuotettu optinen teho mitataan integroivan pallon ja spektrometrin avulla. Kokonaisen integroivan pallon lisäksi työssä tarkastellaan ja verrataan myös koejärjestelyä, jossa käytetään integroivaa puolipalloa. Sen etuna on yksinkertaistaa mittausta niille LEDeille, jotka eivät mahdu kokonaisen pallon sisääntuloporttiin. Lisäksi toisena LEDin hyötysuhteen mittausmenetelmänä tutkitaan suhteellisen uutta menetelmää, joka perustuu energian säilymiseen: kaiken LEDiin syötetyn sähkötehon on muunnuttava joko optiseksi tehoksi tai lämmöksi. LEDin tuottamaa lämpötehoa mitataan yhdessä optisen tehon kanssa. Hyödyntäen tätä tietoa energian säilymisestä hyötysuhteen absoluuttiset arvot voidaan laskea ilman kalibrointia. Tulokset indikoivat, että klassinen menetelmä integroivalla pallolla toimii odotusten mukaisesti, mutta sen kalibrointi on haastavaa. Integroivan puolipallon käyttö on mahdollista, mutta se monimutkaistaa kalibrointia entisestään. Energian säilymiseen perustuva menetelmä tarvitsee vielä jatkokehitystä, mutta alustavat tulokset ovat lupaavia. Lisäksi menetelmä tuottaa lämpötilamittauksen, joka suoraan ilmaisee, onko LEDin 100% hyötysuhteen raja ylitetty.

Description

Supervisor

Halme, Janne

Thesis advisor

Radevici, Ivan

Keywords

LED, spectrometry, efficiency, integrating sphere, calorimetry

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406044094

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI