Дает ли импульсный светодиод при более высоком токе большую видимую яркость?

Этот вопрос подразумевает два предположения:

1. Частота переключаемого светодиодного драйвера достаточно высока, поэтому для определения максимального тока привода следует использовать среднюю мощность, а не мгновенную мощность.
2. Ограничивающим фактором, который определяет максимальный ток в любом рабочем цикле, является среднее рассеиваемая мощность.

После этих предположений становится очевидным, что ток, проходящий через светодиод при максимальном рассеянии мощности, обратно связан с рабочим циклом.

Увеличивается ли видимая яркость (не обязательно яркость), уменьшается или не зависит от пульсации светодиода при более высоком токе и меньшем рабочем цикле?

Я не имею в виду какие-либо конкретные светодиодные индикаторы или топологии драйверов, но приветствую ссылки на реальные детали, таблицы данных или дополнения. Мне также было бы интересно узнать, варьируется ли это между индикаторными светодиодами малой мощности (скажем, 20 мА) и светящимися светодиодами высокой яркости.

В прошлом я рассматривал это более детально, когда проектирую светодиодные фонари на солнечной батарее и вообще интересуюсь светодиодами.

Во-первых, восприятие человека при постоянной мощности и переменном рабочем цикле импульсов. Скажем, рабочий цикл 10% привел бы к 10-кратному току при том же напряжении для его удержания. Реальные светодиоды будут иметь несколько более высокие прямые напряжения, когда ток увеличивается в 10 раз, но не так сильно. Справедливый тест - это, вероятно, Ipeak x time on = constant.

• В далеком прошлом утверждалось, что реакция человеческого глаза была такой, что пульсирующие светодиоды при постоянной мощности, но при низких рабочих циклах приводили к большей видимой яркости. AFAIR ссылка была в документе HP.

• Совсем недавно я прочитал прямо противоположное из умеренно авторитетного, но не забытого источника.

Я, вероятно, могу найти недавний документ, но HP будет потерян в глубине веков. Однако я считаю, что любой физиологический эффект эфирного пути невелик. Учитывая, что вам нужно примерно 2: 1 изменение яркости светодиодов, чтобы это было заметно при просмотре светодиодов по отдельности (один или другой, но не оба вместе), небольшие различия, безусловно, не будут заметны. Например, если на общей сцене светятся два фонарика рядом друг с другом, чтобы можно было провести прямое сравнение, вам может потребоваться разница примерно 1,5: 1+, прежде чем разница станет заметной - это в некоторой степени зависит от наблюдателя. Когда при «стенной мойке» на гладкой стене используются два источника света, различия между ними могут составлять примерно до 20%.

Во вторых - актуальная яркость.

При постоянном среднем токе общая светоотдача падает для импульсного режима и ниже для все более низкого рабочего цикла! Эффект еще хуже для постоянной средней мощности!

Оба этих эффекта можно четко увидеть, изучив таблицы данных целевых светодиодов. Световой выход на кривые тока близок к прямым линиям, но изгибается в сторону уменьшения выхода на мА при увеличении тока. то есть удвоение тока не совсем удваивает световой поток. Эта уменьшающаяся норма прибыли ускоряется с увеличением тока. т. е. светодиод, работающий при значительно меньшем номинальном токе, вырабатывает больше люмен / мА, чем при номинальном токе, с увеличением КПД при уменьшении мА.

Выход (люмен) на ватт даже хуже, чем люмен на мА. По мере увеличения мА Vf также увеличивается, поэтому продукт Vf x I увеличивается с большей скоростью на люмен, чем просто I. Итак, опять же, максимальный люмен / ватт достигается при низких мА по сравнению с номинальным мА, а эффективность люмен / ватт улучшается с уменьшением тока.

Оба этих эффекта можно увидеть на следующих графиках.

Эти кривые предназначены для совершенно удивительного светодиода Nichia NSPWR70CSS-K1 [tm], упомянутого ниже. Несмотря на то, что этот светодиод рассчитан на абсолютный максимум 60 мА и непрерывный максимум 50 мА, Nichia любезно указала его мощность до 150 мА. Долговечность при этих течениях "не гарантируется". Это самый эффективный светодиод <= 50 мА. Если кто-нибудь знает что-либо с превосходной л / Вт при 50 мА и в том же ценовом диапазоне, пожалуйста, сообщите!

Я использую светодиод Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 в нескольких продуктах. Это начало жизни в качестве светодиода 30 мА, но после тестирования Nichia его повысили до 50 мА (с уменьшенным сроком службы 14 000 часов). При 50 мА он обеспечивает около 120 л / Вт, а при 20 мА - около 165 л / Вт. Последняя цифра ставит его в число самых лучших доступных продуктов реального мира, хотя последние предложения в настоящее время превышают это значение значительно ниже номинальных токов.

Осложняющим фактором является то, что современные мощные светодиоды часто рассчитаны на значения Iabsolute_max, возможно, на 20% выше Imax_operating. то есть невозможно использовать их в импульсном режиме с рабочим циклом менее 90% и постоянным средним током без превышения их номинальных абсолютных максимальных токов. Это не означает, что они не могут быть импульсными во много раз превышающими их номинальные максимальные постоянные токи (спросите меня, откуда я знаю :-)), просто что производитель не подтверждает результаты. Светодиод Raijin ОЧЕНЬ яркий при 100 мА.

Особый случай.

Одной из областей, в которых может иметь смысл пульсация при очень высоких токах и низких рабочих циклах, является то, где светодиод рассчитан на такую ​​нагрузку, а мгновенный световой выход (яркость) имеет большее значение, чем средняя яркость. Наиболее распространенный пример - это инфракрасные (IR) контроллеры, где яркость каждого отдельного импульса важна, так как отдельные импульсы обнаруживаются, а средний уровень не имеет значения. В таких случаях могут использоваться импульсы плюс 1 ампер. Ограничивающим током в таких случаях могут быть токи плавления соединительного провода. Влияние на светодиодную матрицу приведет к сокращению срока службы, но это (предположительно) разрешено производителем в спецификации, а требуемый общий срок службы обычно невелик. (например, пульт дистанционного управления телевизором, который используется для 0.

Эффективное улучшение освещенности источника света за счет использования импульсной модуляции и ее психофизического воздействия на человеческий глаз. EHIME университет 2008

Энддолит процитировал документ, который требовал существенного истинного визуального усиления при определенных условиях. Вот полная версия цитируемой статьи
Jinno Motomura [ссылка обновлена ​​1/2016]

Они утверждают, что до ~ 2: 1 истинного усиления в люменах (поскольку люмены связаны с реакцией глаз) при рабочем цикле 5%, но, несмотря на большую заботу, которую они проявили, есть некоторые серьезные неопределенности при переводе этого в реальные приложения.

• Кажется, они уделяют большое внимание быстрому росту и падению. Встречаются ли они при освещении сцен реального мира, имеет ли это значение? и есть ли отдельные примеры, где это будет работать лучше, чем другие?

• Это смотрит на светодиоды напрямую (с оставшимся хорошим глазом?) И сравнивает видимую яркость. Как это переводится на уровни света, достигающие наблюдателя после отражения сцены.

• Как это применимо, когда светодиоды используются для освещения целей. Повлият ли средние уровни яркости от цели по сравнению с прямым наблюдением светодиодов на результаты? На сколько?

• Как современные, например, белые светодиоды имеют Imax_max ~ = 110% от I_max_ непрерывного, и, поскольку этот эффект, похоже, зависит от ~ 5% рабочего цикла, имеет ли это какое-либо значение для аналогичных реальных светодиодов при больших процентах номинального тока?

Вокруг этой области, похоже, много дезинформации. Некоторые говорят, что есть визуальный эффект, что пульсирующий свет воспринимается ярче, чем его средний уровень. Насколько я могу сказать, есть некоторые разногласия по этому поводу, но это относится к довольно медленному миганию, так что устойчивость зрения несет яркость между импульсами. Это в диапазоне от нескольких Гц до низких 10 с Гц. Я не уверен, что есть согласие относительно того, действительно ли это воспринимается как более яркое, или что это только привлекает больше внимания.

Быстрое мигание, при котором свет выглядит устойчивым (несколько сотен Гц), очевидно, не увеличивает воспринимаемую яркость. То, что вы воспринимаете, это средняя яркость. Это означает, что быстро мигающий светодиод на самом деле менее яркий при той же средней мощности. Яркость светодиода приблизительно пропорциональна току, но более высокий ток также вызывает большее падение прямого напряжения. Непрерывные 10 мА и 20 мА для 50% при 1 кГц будут выглядеть примерно одинаково, но последний будет потреблять больше энергии, поскольку падение напряжения при 20 мА будет выше, чем при 10 мА.

Яркость светодиодов в основном пропорциональна току, но не полностью. Обычно он немного падает с током, но для большинства светодиодных индикаторов этот эффект настолько мал, что его невозможно заметить. Люди воспринимают интенсивность света логарифмически. Коэффициент 2 выглядит как маленький, но явно заметный шаг. 10% невозможно заметить, кроме как в прямом сравнении.

Светодиоды высокой мощности, используемые для освещения, по-разному расширяют границы и демонстрируют большее падение при более высоком токе. Максимальная эффективность и максимальная яркость - это не одно и то же. Этого различия достаточно, чтобы иметь значение в требовательных приложениях. Здесь вы должны тщательно проверить таблицу данных светодиодов. Светодиоды высокой мощности, как правило, имеют показатели яркости в зависимости от тока, и вы увидите этот хвост немного на верхнем уровне. Также обратите внимание, что для этих светодиодов мгновенный максимальный ток ближе к среднему максимальному, чем для маленьких светодиодных индикаторов. Многое из этого связано с управлением температурой и теплом.

Я всегда учился и был убежден, что ток светодиода выше номинального (часто около 20 мА для обычного светодиода) вызовет более высокую яркость, но менее пропорциональную, и что это не стоит того, чтобы сделать это. В этом случае пульсация не даст вам больше яркости. Предположим, светодиод с 0,45 мкд при 10 мА и 0,9 мкд при 40 мА. Импульс при 40 мА с рабочим циклом 25% даст средний ток 10 мА и среднюю яркость 0,225 мкд, то есть только половину яркости, которую мы получили бы при непрерывной 10 мА.
Я не составлял эти цифры. Их можно найти в техническом описании Panasonic LN222RPX :

Я хочу сделать две заметки здесь:

1. половина значения кажется большой разницей, но вы должны помнить, что наш глаз воспринимает интенсивность света логарифмически; если удвоение интенсивности составляет 1 шаг, тогда разница между плохо освещенной комнатой (10 люкс) и ярким солнечным светом (100 000 люкс) составляет всего 13 шагов. Один шаг будет менее заметен, чем предполагают цифры.
2. Есть также другой график, прямой ток против прямого напряжения. Как и для любого другого диода, напряжение увеличивается с увеличением тока. Это означает, что рассеиваемая мощность в светодиоде будет увеличиваться более чем пропорционально с ростом тока.

Если мы остановимся здесь, мы можем заключить, что импульсный ток хуже, чем непрерывный ток, по яркости и мощности. НО!

Кевин пришел с этим графиком из таблицы данных Kingbright :

Эта кривая чертовски прямая! Для этого светодиода (и других из проверенных Kingbright I) светимость совершенно линейна с током, поэтому импульс должен давать тот же результат, что и постоянный ток.

Заключение
Видимо, не все светодиоды выполнены одинаковыми. Хотя не имеет значения, пульсируете вы или нет для одних светодиодов, пульсация может ухудшить производительность для других. Тем не менее, я не нашел светодиодов, где производительность увеличивается при пульсации.

Предполагая, что светодиод включен на постоянное количество времени, яркость пропорциональна току, протекающему через диод (линейный или экспоненциальный). Для этого аргумента предположим, что он линейный (вам нужно найти характеристики напряжения и тока в технических характеристиках изготовителя, чтобы определить, каким он будет для вашего конкретного рабочего диапазона).

Кроме того, ради этого аргумента я буду предполагать, что частота ШИМ достаточно высока, чтобы вы не заметили никакого видимого мерцания в любом рабочем цикле.

Вы также можете изменять яркость светодиода при постоянном токе, изменяя рабочий цикл. Снижение рабочего цикла на 50% - это уменьшение яркости на 50%. Это также означает, что светодиод включается только на половину времени, в течение которого он был, и при условии, что нагрузка / переключение не влияет на ваш источник тока / напряжения, средний ток, который светодиод использует в течение заданного интервала, также будет напрямую уменьшен вдвое.

Увеличивается ли яркость, уменьшается или она не зависит от пульсации светодиода при более высоком токе и меньшем рабочем цикле?

Это все зависит, поскольку там есть внутреннее противоречие. Импульсный светодиод при меньшем рабочем цикле эффективно снижает средний ток. Если вы просто уменьшите резистор, ограничивающий ток, чтобы пропускать больше тока, и не изменили коэффициент заполнения, яркость увеличится. Таким образом, изменение яркости будет зависеть как от тока, так и от изменения коэффициента заполнения .

Вы можете рассчитать новую яркость как:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

или другими словами

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

Поскольку вы понижаете коэффициент заполнения ШИМ, но повышаете ток, новый PWM Duty Cycleдолжен быть меньше 1, но больше 0 (неявно преобразуйте его из процентного значения в десятичное), а коэффициенты тока должны быть положительным числом, большим 1.

Таким образом, если вы вдвое сокращаете коэффициент заполнения, но сохраняете тот же средний ток, ваша яркость остается неизменной (за счет более высокого мгновенного тока, протекающего через светодиод, что может быть нежелательно).

Полностью субъективный анализ:

Пытаясь максимизировать мощность инфракрасного светодиода при 38 кГц, я экспериментировал с 5 мм видимым красным светодиодом с номиналом 3500 мкд, 1,85 В при 20 мА (3,7 мВт). Переключение осуществлялось двумя параллельными полевыми МОП-транзисторами 2N7000 с напряжением затвора примерно 3,0 В.

1 / Freq = время включения + время выключения

Я изменил время включения с 10% до 50%, в то время как питание сначала составляло 3,3 В, а затем 5,0 В. Наблюдаемая яркость увеличивалась как с увеличением рабочего цикла, так и напряжения.

Было заметно увеличение яркости при использовании двух полевых МОП-транзисторов по сравнению с одним, плюс два потребовались при 5,0 В с учетом количества тепла, выделяемого при использовании только одного.

Измеренные напряжения и токи светодиодов на этой частоте и в рабочем цикле ненадежны с моим цифровым мультиметром, но ему удалось получить одно значение 2 В при 120 мА (240 мВт), хотя и с огромной долей соли.

Я чувствую себя комфортно, постоянно работая с этими светодиодами при 5 Вольт и 40% -ном рабочем цикле при 38 кГц. При напряжении питания 5 В и 50% они становятся слишком жаркими для долголетия.

Да. Как только светодиод находится достаточно далеко (или видимое изображение закрыто), что дисперсия приближается к шуму, нет. (И не обращайте внимания на Шокли, если у вас есть отличная квантово-механическая модель, включенная в спецификацию!) Разве никто не сфотографировал вас с активной светодиодной вспышкой (то есть, фотоаппарат 2006 года выпуска или позже)?