A pulsação de um LED com corrente mais alta produz maior brilho aparente?

Esta pergunta implica duas suposições:

1. A frequência de um driver de LED comutado é alta o suficiente para que a energia média, e não instantânea, seja usada para determinar a corrente máxima do inversor.
2. O fator limitante que determina a corrente máxima em qualquer ciclo de trabalho é a dissipação média de energia.

Após essas premissas, é óbvio que a corrente através de um LED com dissipação máxima de energia está inversamente relacionada ao ciclo de trabalho.

O brilho aparente (não necessariamente a luminosidade) aumenta, diminui ou não é afetado pela pulsação de um LED com corrente mais alta e ciclo de serviço mais baixo?

Não tenho em mente nenhum LED ou topologia de driver específico, mas gostaria de receber referências a peças reais, folhas de dados ou notas de aplicativo. Eu também estaria interessado em saber se isso varia entre LEDs indicadores de baixa potência (por exemplo, 20mA) e LEDs de iluminação de alta potência e alto brilho.

Eu observei isso com alguns detalhes no passado, ao projetar luzes com carga solar com base em LED e geralmente estou interessado em LEDs.

Em primeiro lugar, a percepção humana em potência constante e ciclo de trabalho variável pulsa. Um ciclo de trabalho de 10%, por exemplo, resultaria em 10 x a corrente na mesma tensão para que isso se mantivesse. Os LEDs reais terão tensões diretas um pouco mais altas quando a corrente for aumentada em 10x, mas não muito. Um teste justo provavelmente é Ipeak x tempo = constante.

• No passado distante, alegou-se que a resposta do olho humano era tal que os LEDs pulsantes em potência constante, mas em ciclos de trabalho baixos, resultavam em maior brilho aparente. AFAIR a referência estava em um documento da HP.

• Recentemente, li o oposto de uma fonte moderadamente autoritativa, mas não lembrada.

Provavelmente posso encontrar o documento recente, mas o da HP estará perdido nas brumas do tempo. No entanto, acredito que qualquer efeito fisiológico é pequeno. Dado que você precisa de uma alteração de 2: 1 no brilho do LED para que seja perceptível quando os LEDs são visualizados separadamente (um ou outro, mas não os dois juntos), pequenas diferenças certamente não serão perceptíveis. Onde, por exemplo, duas lanternas são acesas lado a lado em uma cena geral, para que seja possível fazer uma comparação direta, você pode precisar de cerca de 1,5: 1+ de diferença antes que a diferença seja perceptível - isso depende um pouco do observador. Quando duas luzes são usadas na "lavagem de parede" em uma parede lisa, diferenças lado a lado de até 20% podem ser discerníveis.

Em segundo lugar - brilho real.

Usando corrente média constante, a saída total de luz cai para operação pulsada e é mais baixa para um ciclo de trabalho cada vez mais baixo! O efeito é ainda pior para potência média constante !!

Ambos os efeitos podem ser vistos claramente examinando as folhas de dados dos LEDs de destino. A saída luminosa por curvas de corrente é próxima de linhas retas, mas curva em direção à diminuição da produção por mA à medida que a corrente aumenta. isto é, duplicar a corrente não é o dobro da saída luminosa. Essa taxa decrescente de retorno acelera à medida que a corrente aumenta. isto é, um LED operado bem abaixo de sua corrente nominal produz mais lúmen / mA do que a corrente nominal com eficiência crescente com mA decrescente.

A saída (lúmen) por Watt é ainda pior que o lúmen por mA. À medida que o aumento de mA, Vf também aumenta, o produto Vf x I aumenta a uma taxa mais rápida por lúmen do que apenas eu. Então, novamente, o lúmen máximo / Watt é alcançado em mA baixo em comparação com o mA nominal e a eficiência lúmen / Watt melhora com a diminuição da corrente.

Ambos os efeitos podem ser vistos nos gráficos a seguir.

Essas curvas são para o LED maravilhosamente maravilhoso [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 mencionado abaixo. Embora este LED tenha uma classificação máxima absoluta de 60 mA e um máximo contínuo contínuo de 50 mA, a Nichia especificou seu desempenho até 150 mA. A longevidade nessas correntes "não é garantida". Trata-se do LED <= 50 mA mais eficiente disponível. Se alguém souber de um l / W superior a 50 mA e na mesma faixa de preço, informe-o!

Eu uso o LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 em vários produtos. Isso começou a vida como um LED de 30 mA, mas foi elevado para 50 mA por Nichia após o teste (com vida útil reduzida de 14.000 horas). A 50 mA fornece cerca de 120 l / W e a 20 mA cerca de 165 l / W. Este último número o coloca entre os melhores produtos do mundo real disponíveis, embora as ofertas recentes estejam excedendo esse valor bem abaixo das correntes nominais.

Um fator complicador é que os LEDs modernos de alta potência geralmente são classificados para valores de Iabsolute_max talvez 20% acima do Imax_operating. ou seja, não é possível operá-los em modo pulsado a menos de cerca de 90% do ciclo de trabalho e corrente média constante sem exceder suas correntes máximas absolutas nominais. Isso não significa que eles não possam ser pulsados ​​muitas vezes com suas correntes contínuas máximas nominais (pergunte-me como eu sei :-)) apenas que o fabricante não certifica os resultados. O LED Raijin é MUITO brilhante a 100 mA.

Caso especial.

Uma área em que a pulsação em correntes muito altas e ciclos de serviço baixos pode fazer sentido é onde o LED é classificado para esse tipo de serviço e a saída luminosa instantânea (brilho) é mais importante que o brilho médio. Um exemplo comumente encontrado é nos controladores de infravermelho (IR), onde o brilho de cada pulso individual é importante à medida que os pulsos individuais são detectados e o nível médio é irrelevante. Nesses casos, pulsos de 1 amp mais podem ser usados. A corrente limitadora nesses casos pode ser as correntes de fusão do fio de ligação. O efeito na matriz de LED será um encurtamento da vida útil, mas isso é (presumivelmente) permitido pelo fabricante na especificação - e a vida útil operacional total necessária geralmente é baixa. (por exemplo, um controle remoto de TV usado para 0.

Melhoria efetiva da iluminação de uma fonte de luz usando modulação de pulso e seu efeito psicofísico no olho humano. Universidade EHIME 2008

Enddolith citou um artigo que alegava um ganho visual verdadeiro substancial sob certas condições. Aqui está uma versão completa do artigo de Jinno Motomura citado
[link updated 1/2016]

Eles estão reivindicando um ganho de até 2: 1 de lúmen verdadeiro (como os lúmens se relacionam com a resposta ocular) no ciclo de trabalho de 5%, mas, apesar do grande cuidado que eles tomaram, existem algumas grandes incertezas ao traduzir isso para aplicações do mundo real.

• Eles parecem enfatizar muito rapidamente os tempos de subida e queda. Eles são encontrados ao iluminar cenas do mundo real, isso importa? e existem exemplos selecionados em que funcionará melhor que outros?

• Isso é olhar diretamente para os LEDs (com o olho bom restante?) E comparar o brilho aparente. Como isso se traduz em níveis de luz que atingem o observador após a reflexão da cena.

• Como isso se aplica quando os LEDs são usados ​​para iluminar alvos. Os níveis médios de luminância de um alvo em comparação com a observação direta por LED afetarão os resultados? Por quanto?

• Como os modernos LEDs brancos, por exemplo, têm Imax_max ~ = 110% de I_max_ contínuo, e como esse efeito parece depender de ~ 5% do ciclo de trabalho, isso tem implicações para LEDs similares do mundo real em grandes porcentagens da corrente nominal?

Parece haver muita desinformação nessa área. Alguns dizem que há um efeito visual de que a luz pulsante é percebida mais brilhante do que seu nível médio. Tanto quanto posso dizer, há alguma discordância sobre isso, mas isso se aplica a flashes bastante lentos, de modo que a persistência da visão carrega o brilho entre os pulsos. Isso está no intervalo de alguns Hz a baixos 10s de Hz. Não tenho certeza se existe um consenso sobre se isso é realmente percebido como mais brilhante ou se é apenas mais atenção.

Piscar rápido de modo que a luz pareça estável (alguns 100 Hz) aparentemente não aumenta o brilho percebido. O que você percebe é o brilho médio. Isso significa que um LED piscando rapidamente é realmente menos brilhante na mesma potência média. O brilho do LED é aproximadamente proporcional à corrente, mas a corrente mais alta também causa uma queda de tensão direta maior. 10mA contínuo e 20mA para 50% a 1 kHz parecerão muito próximos do mesmo, mas este último consumirá mais energia, pois a queda de tensão em 20mA será maior que em 10mA.

O brilho dos LEDs é proporcional à corrente, mas não completamente. Geralmente cai um pouco com a corrente, mas para a maioria dos LEDs do tipo indicador esse efeito é tão pequeno que é imperceptível. Os seres humanos percebem a intensidade da luz logaritmicamente. Um fator 2 parece um passo pequeno, mas claramente perceptível. É impossível notar 10%, exceto na comparação direta.

Os LEDs de alta potência usados ​​para iluminação aumentam os limites de maneira diferente e exibem mais quedas com maior corrente. Máxima eficiência e brilho máximo não são a mesma coisa. Essa diferença é suficiente para importar em aplicativos exigentes. É aqui que você deve verificar cuidadosamente a folha de dados do LED. Os LEDs de iluminação de alta potência geralmente apresentam valores de brilho em função da corrente, e você verá essa cauda um pouco na extremidade alta. Observe também que, para esses LEDs, a corrente máxima instantânea está mais próxima da média máxima do que nos pequenos LEDs indicadores. Muito disso tem a ver com gerenciamento de temperatura e calor.

Eu sempre aprendi e me convenci de que a corrente do LED acima do nominal (geralmente em torno de 20mA para um LED comum) causará uma luminosidade mais alta, mas menos que proporcional, e que não vale a pena a corrente fazer isso. Se esse for o caso, o pulsar não terá mais brilho. Suponha um LED com 0.45mcd a 10mA e 0.9mcd a 40mA. Pulsado a 40mA com ciclo de trabalho de 25% fornecerá uma corrente média de 10mA e uma luminosidade média de 0,225mcd, que é apenas metade da luminosidade que obteríamos em 10mA contínuos.
Eu não inventei esses números. Eles podem ser encontrados na folha de dados da Panasonic LN222RPX :

Quero fazer duas anotações aqui:

1. metade do valor parece ser uma grande diferença, mas é preciso lembrar que nosso olho percebe intensidades de luz logaritmicamente; se duplicar a intensidade é de 1 passo, a diferença entre uma sala com pouca luz (10 lux) e luz solar intensa (100 000 lux) é de apenas 13 passos. Um passo será menos perceptível do que os números sugerem.
2. Há também o outro gráfico, corrente direta versus tensão direta. Como em qualquer outro diodo, a tensão aumenta com o aumento da corrente. Isso significa que a dissipação de energia no LED aumentará mais do que proporcionalmente com o aumento da corrente.

Se pararmos aqui, poderemos concluir que a corrente pulsada é pior que a corrente contínua, em termos de luminosidade e de potência. MAS!

Kevin veio com este gráfico de uma folha de dados da Kingbright :

Essa curva é malditamente reta! Para este LED (e outros da Kingbright I verificados), a luminosidade é perfeitamente linear com a corrente; portanto, a pulsação deve dar o mesmo resultado que a corrente contínua.

conclusão
Aparentemente, nem todos os LEDs são iguais. Embora não faça diferença se você pulsar ou não por alguns LEDs pulsando, pode apresentar desempenho pior para outros. No entanto, não encontrei LEDs em que o desempenho aumenta ao pulsar.

Supondo que um LED esteja aceso por um período constante de tempo, o brilho é proporcional à corrente que flui através do diodo (linear ou exponencial). Para esse argumento, suponha que ele seja linear (você precisa encontrar as características de tensão versus corrente nas folhas de dados do fabricante para determinar qual será o seu intervalo de operação específico).

Além disso, para o argumento deste argumento, assumirei que a frequência do PWM é alta o suficiente para que você não note nenhuma oscilação visível em qualquer ciclo de trabalho.

Você também pode alterar o brilho de um LED em uma corrente constante variando o ciclo de serviço. Uma redução de 50% no ciclo de trabalho é uma redução de 50% no brilho. Isso também significa que o LED está aceso apenas pela metade do tempo que estava e, assumindo que sua fonte de corrente / tensão não é afetada pelo carregamento / comutação, a corrente média que o LED usa em um determinado intervalo também será diretamente reduzida pela metade.

O brilho é aumentado, diminuído ou não é afetado pela pulsação de um LED com corrente mais alta e menor ciclo de trabalho?

Tudo isso depende, pois existe uma contradição inerente. Ao pulsar o LED em um ciclo de trabalho mais baixo, você reduz efetivamente a corrente média. Se você apenas diminuísse seu resistor limitador de corrente para permitir que mais corrente fluísse e não modificasse o ciclo de trabalho, o brilho aumentaria. Assim, a mudança no brilho seria uma função do ciclo atual e da mudança .

Você pode calcular o novo brilho como:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

ou em outras palavras

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

Como você está diminuindo o ciclo de trabalho do PWM, mas aumentando a corrente, o novo PWM Duty Cycledeve ser menor que 1, mas maior que 0 (convertê-lo implicitamente de uma porcentagem em decimal) e as proporções em corrente devem ser um número positivo maior que 1.

Portanto, se você reduzir pela metade o ciclo de trabalho, mas manter a mesma corrente média, seu brilho permanecerá o mesmo (às custas de um fluxo instantâneo de corrente mais alto através do LED, o que pode não ser desejável).

Uma análise completamente subjetiva:

Ao tentar maximizar a saída de um LED infravermelho a 38 kHz, experimentei um led vermelho visível de 5 mm com classificação de 3500 mcd, 1,85 V a 20mA (3,7 mW). A comutação foi feita com dois MOSFETs 2N7000 em paralelo, com uma tensão de porta de aproximadamente 3,0 V.

1 / Freq = dentro do horário + fora do horário

Eu variei o tempo de operação de 10% a 50% enquanto alimentava primeiro 3,3 V e 5,0 V. O brilho observado aumentou com o aumento do ciclo de trabalho e da tensão.

Houve um aumento perceptível no brilho usando dois MOSFET acima de um, além de dois serem necessários a 5,0 V, dada a quantidade de calor gerada ao usar apenas um.

As tensões e correntes de LED medidas nessa frequência e ciclo de trabalho não são confiáveis ​​com o meu DMM, mas consegui obter uma leitura de 2 Volts a 120 mA (240 mW), embora leve isso com um enorme grão de sal.

Sinto-me confortável executando esses LEDs continuamente indefinidamente a 5 Volts e ciclo de trabalho de 40% a 38 kHz. Com ciclo de trabalho de 5 V e 50%, ficam um pouco tostados demais para a longevidade.

Sim. Uma vez que o LED esteja suficientemente longe (ou imagem aparente ocluída) para que a variação caia perto do ruído, não. (E não se preocupe, Shockley se você tiver um excelente modelo de mecânica quântica incluído na folha de especificações!) Ninguém tirou uma foto sua com o flash LED (por exemplo, câmera vintage 2006 ou posterior) ativo?