La pulsazione di un LED a corrente più elevata produce una maggiore luminosità apparente?

Questa domanda implica due ipotesi:

1. La frequenza di un driver LED commutato è abbastanza elevata da utilizzare la potenza media, non la potenza istantanea, per determinare la massima corrente del variatore.
2. Il fattore limitante che determina la massima corrente in qualsiasi ciclo di lavoro è la dissipazione di potenza media.

Dopo questi presupposti, è ovvio che la corrente attraverso un LED alla massima dissipazione di potenza è inversamente proporzionale al ciclo di lavoro.

La luminosità apparente (non necessariamente la luminosità) è aumentata, diminuita o non influenzata dalla pulsazione di un LED a corrente più elevata e ciclo di lavoro inferiore?

Non ho in mente particolari LED o topologie di driver, ma gradirei riferimenti a parti reali, schede tecniche o note. Sarei anche interessato a sapere se questo varia tra i LED indicatori a bassa potenza (diciamo, 20 mA) e i LED di illuminazione ad alta potenza e alta luminosità.

Ho esaminato questo aspetto in dettaglio in passato mentre progetto luci a carica solare basate su LED e sono generalmente interessato ai LED.

In primo luogo, percezione umana a potenza costante e impulsi del ciclo di lavoro variabile. Un ciclo di funzionamento del 10% comporterebbe un aumento di 10 volte la corrente alla stessa tensione. I LED reali avranno tensioni in avanti leggermente più elevate quando la corrente viene aumentata di 10 volte, ma non molto. Un test equo è probabilmente Ipeak x time on = costante.

• In un lontano passato si sosteneva che la risposta dell'occhio umano era tale che i LED pulsanti a potenza costante ma a cicli di servizio bassi provocavano una maggiore luminosità apparente. AFAIR il riferimento era in un documento HP.

• Recentemente ho letto il contrario da una fonte moderatamente autorevole ma non ricordata.

Posso probabilmente trovare il documento recente, ma quello HP andrà perso nella notte dei tempi. Tuttavia, credo che ogni effetto dell'etere fisiologico sia piccolo. Dato che è necessario un cambiamento di 2: 1 nella luminosità del LED per renderlo evidente quando i LED vengono visualizzati separatamente (uno o l'altro ma non entrambi insieme), le piccole differenze non saranno certamente evidenti. Laddove ad esempio due torce sono accese fianco a fianco su una scena generale in modo da poter effettuare un confronto diretto, potrebbe essere necessaria una differenza di circa 1,5: 1+ prima che la differenza sia evidente - ciò dipende in qualche modo dall'osservatore. Quando si usano due luci nel "lavaggio delle pareti" su una parete liscia, si possono distinguere differenze affiancate fino al 20% circa.

In secondo luogo - luminosità effettiva.

Utilizzando una corrente media costante, l'emissione luminosa totale diminuisce per il funzionamento a impulsi ed è inferiore per un ciclo di lavoro sempre più basso! L'effetto è ancora peggiore per una potenza media costante !!

Entrambi questi effetti possono essere visti chiaramente esaminando le schede tecniche dei LED target. L'uscita luminosa per le curve di corrente è vicina alle linee rette ma curva verso l'uscita decrescente per mA all'aumentare della corrente. cioè il raddoppio della corrente non raddoppia del tutto la potenza luminosa. Questo tasso di rendimento decrescente accelera all'aumentare della corrente. vale a dire un LED funzionante ben al di sotto della sua corrente nominale produce più lumen / mA rispetto alla corrente nominale con efficienza crescente con mA decrescente.

L'uscita (lumen) per Watt è persino peggiore del lumen per mA. All'aumentare di mA, anche Vf aumenta, quindi il prodotto Vf x I aumenta a una velocità più rapida per lumen rispetto a me. Quindi, ancora una volta, il massimo lumen / Watt si ottiene a bassi mA rispetto ai mA nominali e l'efficienza lumen / Watt migliora con la riduzione della corrente.

Entrambi questi effetti sono visibili nei seguenti grafici.

Queste curve sono per il meraviglioso [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED menzionato di seguito. Anche se questo LED ha una potenza nominale massima di 60 mA e max 50 mA continui Nichia ha gentilmente specificato che ha prestazioni fino a 150 mA. La longevità in queste correnti non è "garantita". Si tratta del LED <= 50 mA più efficiente disponibile. Se qualcuno ne conosce qualcuno con un L / W superiore a 50 mA e nella stessa fascia di prezzo, si prega di avvisare!

Uso il LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 in diversi prodotti. Questo ha iniziato la sua vita come un LED da 30 mA, ma è stato aggiornato a 50 mA da Nichia dopo il test (con una durata ridotta di 14.000 ore). A 50 mA eroga circa 120 l / W e a 20 mA circa 165 l / W. Quest'ultima cifra lo colloca tra i migliori prodotti disponibili nel mondo reale, sebbene le offerte recenti stiano superando questo valore a correnti molto inferiori.

Un fattore complicante è che i moderni LED ad alta potenza sono spesso classificati per valori Iabsolute_max forse del 20% superiori rispetto a Imax_operating. cioè non è possibile farli funzionare in modo pulsato con un ciclo di lavoro inferiore a circa il 90% e corrente media costante senza superare le loro correnti massime assolute nominali. Ciò non significa che non possano essere pulsati molte volte rispetto alle loro correnti continue massime nominali (chiedetemi come so :-)) solo che il produttore non certifica i risultati. Il LED Raijin è MOLTO luminoso a 100 mA.

Caso speciale.

Un'area in cui pulsare a correnti molto elevate e cicli di lavoro bassi può avere senso è quella in cui il LED è valutato per questo tipo di servizio e l'uscita luminosa istantanea (luminosità) è più importante della luminosità media. Un esempio comunemente riscontrato è nei controller a infrarossi (IR) in cui la luminosità di ogni singolo impulso è importante poiché vengono rilevati singoli impulsi e il livello medio è irrilevante In tali casi è possibile utilizzare impulsi di 1 amp più. La corrente limite in tali casi può essere la corrente di fusione del filo di legame. L'effetto sulla matrice LED sarà una riduzione della durata, ma ciò è (presumibilmente) consentito dal produttore nelle specifiche - e la durata operativa totale richiesta è generalmente bassa. (ad es. un telecomando del televisore utilizzato per 0.

Efficace miglioramento dell'illuminamento di una sorgente luminosa utilizzando la modulazione del polso e il suo effetto psicofisico sull'occhio umano. Università EHIME 2008

Enddolith ha citato un documento che affermava un sostanziale vero guadagno visivo in determinate condizioni. Ecco una versione completa del documento di Jinno Motomura citato
[collegamento aggiornato 1/2016]

Stanno sostenendo un guadagno di lumen fino a ~ 2: 1 (dato che i lumen si riferiscono alla risposta oculare) al ciclo di lavoro del 5%, ma nonostante la grande cura che hanno preso ci sono alcune incertezze importanti quando si traducono in applicazioni del mondo reale.

• Sembrano porre un'enfasi molto alta sui tempi di salita e discesa rapidi. Si incontrano quando si illuminano scene del mondo reale, importa? e ci sono esempi selezionati in cui funzionerà meglio di altri?

• Questo sta guardando direttamente i LED (con un buon occhio?) E confrontando la luminosità apparente. Come si traduce in livelli di luce che raggiungono l'osservatore dopo la riflessione della scena.

• Come si applica quando i LED vengono utilizzati per illuminare gli obiettivi. I livelli di luminanza media di un target rispetto all'osservazione diretta a LED influiranno sui risultati? Di quanto?

• Poiché i moderni LED bianchi hanno Imax_max ~ = 110% di I_max_ continui e poiché questo effetto sembra dipendere da un ciclo di funzionamento di ~ 5%, ciò ha implicazioni per simili LED del mondo reale con grandi percentuali di corrente nominale?

Sembra esserci molta disinformazione in quest'area. Alcuni dicono che c'è un effetto visivo che la luce pulsante è percepita più luminosa del suo livello medio. Per quanto ne so, c'è un certo disaccordo su questo, ma si applica al lampeggiamento piuttosto lento in modo tale che la persistenza della visione porta la luminosità tra gli impulsi. Questo è nell'intervallo da pochi Hz a bassi 10 s di Hz. Non sono sicuro che ci sia consenso sul fatto che questo sia davvero percepito come più luminoso o che sia solo più attenzione.

Lampeggiamento rapido tale che la luce sembra stabile (alcuni 100 Hz) apparentemente non aumenta la luminosità percepita. Ciò che percepisci è la luminosità media. Ciò significa che un LED che lampeggia velocemente è in realtà meno luminoso alla stessa potenza media. La luminosità del LED è approssimativamente proporzionale alla corrente, ma una corrente più elevata provoca anche una caduta di tensione diretta maggiore. 10 mA continui e 20 mA per il 50% a 1 kHz sembreranno abbastanza vicini allo stesso, ma quest'ultimo richiederà più potenza poiché la caduta di tensione a 20 mA sarà superiore a 10 mA.

La luminosità dei LED è per lo più proporzionale alla corrente, ma non completamente. Di solito diminuisce un po 'con la corrente, ma per la maggior parte dei LED di tipo indicatore questo effetto è così piccolo da essere impercettibile. Gli umani percepiscono logaritmicamente l'intensità della luce. Un fattore 2 sembra un passaggio piccolo ma chiaramente evidente. Il 10% è impossibile da notare se non nel confronto diretto.

I LED ad alta potenza utilizzati per l'illuminazione stanno spingendo i limiti in un modo diverso e mostrano una maggiore caduta con corrente più elevata. La massima efficienza e la massima luminosità non sono la stessa cosa. Questa differenza è sufficiente per le applicazioni impegnative. Qui è necessario controllare attentamente la scheda tecnica LED. I LED di illuminazione ad alta potenza di solito hanno cifre per la luminosità in funzione della corrente e vedrai questa coda un po 'alta. Si noti inoltre che per quei LED la corrente massima istantanea è più vicina al massimo medio rispetto ai LED di piccole dimensioni. Molto di ciò ha a che fare con la gestione della temperatura e del calore.

Ho sempre imparato e sono stato convinto che la corrente del LED al di sopra del valore nominale (spesso intorno a 20 mA per un LED comune) causerà una luminosità più elevata, ma meno che proporzionale, e che non vale la corrente per farlo. In questo caso pulsare non ti darà più luminosità. Supponiamo un LED con 0,45 mcd @ 10 mA e 0,9 mcd @ 40 mA. Impulso a 40 mA con duty cycle del 25% darà una corrente media di 10 mA e una luminosità media di 0,225 mcd, questa è solo metà della luminosità che otterremmo a 10 mA continui.
Non ho inventato queste cifre. Si possono trovare nella scheda tecnica Panasonic LN222RPX :

Voglio prendere due note qui:

1. metà del valore sembra una grande differenza, ma dovrete ricordare che il nostro occhio percepisce le intensità della luce logaritmicamente; se raddoppiando l'intensità è di 1 gradino, la differenza tra una stanza scarsamente illuminata (10 lux) e la luce solare intensa (100000 lux) è di soli 13 gradini. Un passaggio sarà meno evidente di quanto suggeriscano i numeri.
2. C'è anche l'altro grafico, corrente diretta e tensione diretta. Come per qualsiasi altro diodo, la tensione aumenta all'aumentare della corrente. Ciò significa che la dissipazione di potenza nel LED aumenterà più che proporzionalmente con l'aumento della corrente.

Se ci fermassimo qui, potremmo concludere che la corrente pulsata è peggiore della corrente continua, dal punto di vista della luminosità e del potere. MA!

Kevin è venuto con questo grafico da una scheda tecnica Kingbright :

Quella curva è dannatamente dritta! Per questo LED (e altri di Kingbright I controllati) la luminosità è perfettamente lineare con la corrente, quindi gli impulsi dovrebbero dare lo stesso risultato della corrente continua.

conclusione
Apparentemente non tutti i LED sono uguali. Anche se non fa alcuna differenza se pulsare o meno per alcuni LED pulsare può dare prestazioni peggiori per altri. Tuttavia, non ho trovato LED in cui le prestazioni aumentano quando pulsano.

Supponendo che un LED sia acceso per un periodo di tempo costante, la luminosità è proporzionale alla corrente che fluisce attraverso il diodo (lineare o esponenziale). Per amor di questo argomento, supponiamo che sia lineare (è necessario trovare le caratteristiche di tensione e corrente dai fogli dati del produttore per determinare quale sarà per il proprio intervallo operativo).

Inoltre, per amor di questo argomento, assumerò che la frequenza PWM sia abbastanza alta da non notare alcuno sfarfallio visibile in nessun ciclo di lavoro.

È inoltre possibile modificare la luminosità di un LED a una corrente costante variando il ciclo di lavoro. Una riduzione del 50% nel ciclo di lavoro è una riduzione del 50% della luminosità. Ciò significa anche che il LED è acceso solo per metà del tempo che era, e supponendo che la tua sorgente di corrente / tensione non sia influenzata dal caricamento / commutazione, anche la corrente media che il LED utilizza in un determinato intervallo verrà dimezzata direttamente.

La luminosità è aumentata, diminuita o non è influenzata dalla pulsazione di un LED a corrente più elevata e ciclo di lavoro inferiore?

Tutto dipende, dal momento che c'è una contraddizione intrinseca lì. Impulso il LED a un ciclo di lavoro inferiore, si abbassa efficacemente la corrente media. Se si riduce semplicemente la resistenza di limitazione corrente per consentire un flusso maggiore di corrente e non si modifica il ciclo di lavoro, la luminosità aumenterebbe. Pertanto, il cambiamento di luminosità sarebbe una funzione sia della corrente che del cambiamento nel ciclo di lavoro .

È possibile calcolare la nuova luminosità come:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

o in altre parole

new_brightness = old_brightness * (new_peak_current * new_PWM_duty_cycle) / (old_peak_current * old_PWM_duty_cycle)

Dato che stai abbassando il ciclo di lavoro PWM ma aumentando la corrente, il nuovo PWM Duty Cycledovrebbe essere inferiore a 1 ma maggiore di 0 (convertirlo implicitamente da una percentuale in decimale) e i rapporti in corrente dovrebbero essere un numero positivo maggiore di 1.

Pertanto, se si dimezza il ciclo di lavoro ma si mantiene la stessa corrente media, la luminosità rimane invariata (a scapito di un flusso di corrente istantaneo più elevato attraverso il LED, il che potrebbe non essere desiderabile).

Un'analisi completamente soggettiva:

Nel tentativo di massimizzare l'uscita di un LED a infrarossi a 38 kHz, ho sperimentato un led rosso visibile da 5 mm valutato 3500 mcd, 1,85 V @ 20 mA (3,7 mW). La commutazione è stata effettuata con due MOSFET 2N7000 in parallelo, con una tensione di gate di circa 3,0 V.

1 / Freq = in orario + fuori orario

Ho variato il tempo di funzionamento dal 10% al 50% mentre ero alimentato prima da 3,3 V e 5,0 V. La luminosità osservata è aumentata con l'aumento del ciclo di lavoro e della tensione.

Si è verificato un notevole aumento della luminosità utilizzando due MOSFET rispetto a uno, più due erano necessari a 5,0 V data la quantità di calore generato quando si utilizzava solo uno.

Le tensioni e le correnti dei LED misurate a questa frequenza e ciclo di lavoro non sono affidabili con il mio DMM, ma sono riusciti a ottenere una lettura di 2 Volt a 120 mA (240 mW), sebbene lo prendano con un enorme granello di sale.

Mi sento a mio agio a far funzionare questi LED continuamente a tempo indeterminato a 5 Volt e 40% di ciclo di lavoro a 38 kHz. A 5 V e 50% di ciclo di lavoro, diventano un po 'troppo tostati per la longevità.

Sì. Una volta che il LED è abbastanza lontano (o immagine apparente occlusa) che la varianza si avvicina al rumore, no. (E non pensate mai a Shockley se vi capita di avere un eccellente modello quantico-meccanico incluso nel foglio delle specifiche!) Qualcuno non vi ha mai fatto una foto con il suo flash LED (vale a dire la fotocamera vintage del 2006 o successiva)?