Ergibt das Pulsen einer LED mit höherem Strom eine größere scheinbare Helligkeit?

Diese Frage impliziert zwei Annahmen:

1. Die Frequenz eines geschalteten LED-Treibers ist hoch genug, um die durchschnittliche Leistung und nicht die Momentanleistung zur Bestimmung des maximalen Antriebsstroms zu verwenden.
2. Der begrenzende Faktor, der den maximalen Strom bei jedem Arbeitszyklus bestimmt, ist die durchschnittliche Verlustleistung.

Nach diesen Annahmen ist es offensichtlich, dass der Strom durch eine LED bei maximaler Verlustleistung umgekehrt proportional zum Arbeitszyklus ist.

Wird die scheinbare Helligkeit (nicht unbedingt die Leuchtkraft) erhöht, verringert oder nicht durch das Pulsieren einer LED bei höherem Strom und niedrigerem Tastverhältnis beeinträchtigt?

Ich habe keine besonderen LEDs oder Treiber-Topologien im Sinn, würde mich aber über Verweise auf reale Teile, Datenblätter oder Hinweise freuen. Ich wäre auch daran interessiert zu wissen, ob dies zwischen Leuchtdioden mit niedriger Leistung (z. B. 20 mA) und Leuchtdioden mit hoher Leistung und hoher Helligkeit variiert.

Ich habe mir dies in der Vergangenheit genauer angesehen, als ich solarbasierte LED-Lampen entwarf und mich allgemein für LEDs interessierte.

Erstens die menschliche Wahrnehmung bei konstanter Leistung und variablen Tastverhältnisimpulsen. Ein Tastverhältnis von beispielsweise 10% würde dazu führen, dass der Strom das 10-fache der Spannung beträgt. Echte LEDs haben etwas höhere Durchlassspannungen, wenn der Strom um das 10-fache erhöht wird, jedoch nicht so stark. Ein fairer Test ist wahrscheinlich Ipeak x time on = constant.

• In der fernen Vergangenheit wurde vermutet, dass das menschliche Auge so reagierte, dass pulsierende LEDs mit konstanter Leistung, aber bei niedrigen Arbeitszyklen zu einer größeren scheinbaren Helligkeit führten. AFAIR die Referenz war in einem HP Dokument.

• Vor kurzem habe ich genau das Gegenteil von einer mäßig maßgeblichen, aber nicht in Erinnerung gebliebenen Quelle gelesen.

Ich kann das aktuelle Dokument wahrscheinlich finden, aber das HP-Dokument wird in den Nebeln der Zeit verloren gehen. Ich glaube jedoch, dass jeder physiologische Effekt ätherischer Art gering ist. Da Sie eine Änderung der LED-Helligkeit von etwa 2: 1 benötigen, damit diese beim Betrachten von LEDs separat wahrgenommen werden kann (die eine oder andere, aber nicht beide zusammen), sind kleine Unterschiede mit Sicherheit nicht erkennbar. Wenn z. B. zwei Taschenlampen nebeneinander in einer allgemeinen Szene leuchten, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen, benötigen Sie möglicherweise einen Unterschied von 1,5: 1+, bevor der Unterschied erkennbar wird - dies hängt etwas vom Betrachter ab. Wenn zwei Lichter beim "Wandwaschen" an einer glatten Wand verwendet werden, sind möglicherweise Unterschiede von bis zu etwa 20% nebeneinander erkennbar.

Zweitens - tatsächliche Helligkeit.

Bei konstantem Mittelstrom sinkt die Gesamtlichtleistung bei gepulstem Betrieb und ist bei immer geringerem Tastverhältnis geringer! Bei konstanter mittlerer Leistung ist der Effekt noch schlimmer !!

Beide Effekte lassen sich anhand der Datenblätter der Ziel-LEDs gut erkennen. Die Lichtleistung pro Stromkurve liegt nahe an geraden Linien, nimmt jedoch mit zunehmendem Strom pro mA ab. dh der doppelte Strom verdoppelt die Lichtleistung nicht ganz. Diese abnehmende Rendite beschleunigt sich mit zunehmendem Strom. Das heißt, eine LED, die weit unter ihrem Nennstrom betrieben wird, erzeugt mehr Lumen / mA als bei Nennstrom mit zunehmendem Wirkungsgrad bei abnehmendem mA.

Die Leistung (Lumen) pro Watt ist noch schlechter als die Lumen pro mA. Wenn der mA-Anstieg von Vf ebenfalls zunimmt, nimmt das Vf x I-Produkt mit einer schnelleren Rate pro Lumen zu als nur ich. Somit wird wieder ein maximales Lumen / Watt bei niedrigem mA im Vergleich zum Nenn-mA erreicht, und der Lumen / Watt-Wirkungsgrad verbessert sich mit abnehmendem Strom.

Beide Effekte sind in den folgenden Diagrammen zu sehen.

Diese Kurven gelten für die im Folgenden erwähnte überaus hervorragende Nichia NSPWR70CSS-K1-LED. Obwohl diese LED für ein absolutes Maximum von 60 mA und ein kontinuierliches Maximum von 50 mA ausgelegt ist, hat Nichia freundlicherweise eine Leistung von bis zu 150 mA angegeben. Die Lebensdauer bei diesem Strom ist "nicht garantiert". Dies ist ungefähr die effizienteste <= 50 mA LED, die verfügbar ist. Wenn jemand etwas mit einem überlegenen L / W bei 50 mA und in der gleichen Preisklasse kennt, geben Sie uns bitte Bescheid!

Ich verwende die Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 LED in mehreren Produkten. Dies begann als 30-mA-LED, wurde aber nach dem Test von Nichia auf 50 mA erhöht (mit einer verkürzten Lebensdauer von 14.000 Stunden). Bei 50 mA liefert es ca. 120 l / W und bei 20 mA ca. 165 l / W. Mit letzterem Wert gehört es zu den allerbesten Produkten der realen Welt, obwohl die jüngsten Angebote diesen Wert bei weit unter den Nennströmen liegen.

Ein erschwerender Faktor ist, dass moderne Hochleistungs-LEDs häufig für Iabsolute_max-Werte bewertet werden, die möglicherweise 20% über Imax_operating liegen. dh es ist nicht möglich, sie in einem gepulsten Modus mit einem Tastverhältnis von weniger als etwa 90% und einem konstanten Mittelstrom zu betreiben, ohne ihre absoluten Maximalnennströme zu überschreiten. Dies bedeutet nicht, dass sie nicht mit einem Vielfachen ihrer maximalen Dauerströme gepulst werden können (fragen Sie mich, wie ich weiß :-)), nur dass der Hersteller die Ergebnisse nicht zertifiziert. Die Raijin LED ist bei 100 mA SEHR hell.

Besonderer Fall.

Ein Bereich, in dem das Pulsieren mit sehr hohen Strömen und niedrigen Tastverhältnissen sinnvoll sein kann, ist der Bereich, in dem die LED für diese Art von Tastverhältnis ausgelegt ist und die augenblickliche Lichtleistung (Helligkeit) von größerer Bedeutung ist als die mittlere Helligkeit. Ein häufig anzutreffendes Beispiel sind Infrarot (IR) -Regler, bei denen die Helligkeit jedes einzelnen Impulses wichtig ist, da einzelne Impulse erkannt werden und der mittlere Pegel irrelevant ist. In solchen Fällen können Impulse von 1 A plus verwendet werden. Der Grenzstrom in solchen Fällen kann der Schmelzstrom des Bonddrahtes sein. Die Auswirkung auf den LED-Chip ist eine Verkürzung der Lebensdauer, aber dies wird (vermutlich) vom Hersteller in der Spezifikation berücksichtigt - und die erforderliche Gesamtbetriebslebensdauer ist normalerweise gering. (zB eine TV - Fernbedienung, die für 0 verwendet wird.

Effektive Verbesserung der Beleuchtungsstärke einer Lichtquelle durch Pulsmodulation und deren psychophysische Wirkung auf das menschliche Auge. EHIME Universität 2008

Enddolith zitierte ein Papier, das unter bestimmten Bedingungen einen wesentlichen echten visuellen Gewinn versprach . Hier ist eine Vollversion des zitierten Papiers von Jinno Motomura
[Link aktualisiert 1/2016]

Sie behaupten einen bis zu 2: 1 wahren Lumengewinn (da Lumen sich auf die Augenreaktion beziehen) bei einem Tastverhältnis von 5%, aber trotz der großen Sorgfalt, die sie angewendet haben, gibt es einige große Unsicherheiten bei der Umsetzung in reale Anwendungen.

• Sie scheinen sehr viel Wert auf schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten zu legen. Werden diese beim Beleuchten von Szenen der realen Welt erfüllt, spielt es eine Rolle? und gibt es ausgewählte beispiele, bei denen es besser funktioniert als andere?

• Hierbei werden LEDs direkt (mit noch gutem Auge?) Betrachtet und die scheinbare Helligkeit verglichen. Wie bedeutet dies, dass die Lichtpegel den Betrachter nach der Reflexion der Szene erreichen?

• Wie trifft dies zu, wenn die LEDs zum Beleuchten von Zielen verwendet werden? Beeinflusst die durchschnittliche Leuchtdichte eines Ziels im Vergleich zur direkten LED-Beobachtung die Ergebnisse? Um wie viel?

• So modern wie zB weiße LEDs sind Imax_max ~ = 110% von I_max_ stetig, und da dieser Effekt von ~ 5% Einschaltdauer abzuhängen scheint, hat dies Auswirkungen auf ähnliche reale LEDs bei großen Prozentsätzen des Nennstroms?

In diesem Bereich scheint es viele Fehlinformationen zu geben. Einige sagen, dass es einen visuellen Effekt gibt, dass pulsierendes Licht heller wahrgenommen wird als sein durchschnittlicher Pegel. Soweit ich das beurteilen kann, gibt es diesbezüglich einige Meinungsverschiedenheiten, aber dies gilt für ein eher langsames Blinken, so dass die Sehbeständigkeit die Helligkeit zwischen den Impulsen überträgt. Dies liegt im Bereich von einigen Hz bis zu niedrigen 10s von Hz. Ich bin nicht sicher, ob es einen Konsens darüber gibt, ob dies wirklich als heller empfunden wird oder ob es nur mehr Aufmerksamkeit gibt.

Schnelles Blinken, so dass das Licht gleichmäßig aussieht (einige 100 Hz), erhöht anscheinend nicht die wahrgenommene Helligkeit. Was Sie wahrnehmen, ist die durchschnittliche Helligkeit. Das bedeutet, dass eine schnell blinkende LED bei gleicher Durchschnittsleistung weniger hell ist. Die LED-Helligkeit ist in etwa proportional zum Strom, aber ein höherer Strom verursacht auch einen größeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung. 10mA kontinuierlich und 20mA für 50% bei 1 kHz sehen ziemlich ähnlich aus, aber letztere verbrauchen mehr Strom, da der Spannungsabfall bei 20mA höher ist als bei 10mA.

Die Helligkeit der LEDs ist zum größten Teil proportional zum Strom, jedoch nicht vollständig. Es fällt normalerweise mit Strom etwas ab, aber bei den meisten LEDs vom Anzeigetyp ist dieser Effekt so gering, dass er nicht wahrgenommen wird. Der Mensch nimmt die Lichtintensität logarithmisch wahr. Ein Faktor von 2 sieht aus wie ein kleiner, aber deutlich wahrnehmbarer Schritt. 10% sind nur im direkten Vergleich zu bemerken.

Hochleistungs-LEDs, die für die Beleuchtung verwendet werden, setzen andere Maßstäbe und weisen bei höheren Strömen einen höheren Abfall auf. Maximale Effizienz und maximale Helligkeit sind nicht dasselbe. Dieser Unterschied ist für anspruchsvolle Anwendungen ausreichend. Hier müssen Sie das LED-Datenblatt sorgfältig prüfen. Hochleistungsbeleuchtungs-LEDs haben normalerweise Werte für die Helligkeit als Funktion des Stroms, und Sie werden diesen Nachlauf am oberen Ende ein wenig sehen. Beachten Sie auch, dass für diese LEDs der momentane Maximalstrom näher am durchschnittlichen Maximalstrom liegt als für kleine Anzeige-LEDs. Vieles hat mit Temperatur- und Wärmemanagement zu tun.

Ich habe immer gelernt und war davon überzeugt, dass ein LED-Strom über dem Nennwert (häufig um 20 mA für eine herkömmliche LED) eine höhere, aber nicht proportionale Leuchtkraft verursacht und dass dies den Strom nicht wert ist. Wenn dies der Fall ist, erhalten Sie durch das Pulsieren nicht mehr Helligkeit. Angenommen, eine LED mit 0,45 mcd bei 10 mA und 0,9 mcd bei 40 mA. Gepulst bei 40 mA mit 25% Einschaltdauer ergibt sich ein durchschnittlicher Strom von 10 mA und eine durchschnittliche Leuchtkraft von 0,225 mcd, das ist nur die Hälfte der Leuchtkraft, die wir bei 10 mA Dauerbetrieb erhalten würden.
Ich habe diese Zahlen nicht erfunden. Sie finden sie im Panasonic LN222RPX Datenblatt :

Ich möchte hier zwei Notizen machen:

1. Der halbe Wert scheint ein großer Unterschied zu sein, aber Sie müssen bedenken, dass unser Auge Lichtintensitäten logarithmisch wahrnimmt. Wenn die Intensität um 1 Stufe verdoppelt wird, beträgt der Unterschied zwischen einem schwach beleuchteten Raum (10 Lux) und hellem Sonnenlicht (100 000 Lux) nur 13 Stufen. Ein Schritt wird weniger auffallen als die Zahlen vermuten lassen.
2. Es gibt auch den anderen Graphen, Vorwärtsstrom gegen Vorwärtsspannung. Wie bei jeder anderen Diode steigt die Spannung mit zunehmendem Strom. Das heißt, die Verlustleistung in der LED steigt mit steigendem Strom überproportional an.

Wenn wir hier aufhören, können wir den Schluss ziehen, dass gepulster Strom in Bezug auf Leuchtkraft und Leistung schlechter ist als kontinuierlicher Strom. ABER!

Kevin kam mit dieser Grafik aus einem Kingbright Datenblatt :

Diese Kurve ist verdammt gerade! Für diese LED (und andere von Kingbright, die ich geprüft habe) ist die Leuchtstärke perfekt linear zum Strom, daher sollte das Pulsieren dasselbe Ergebnis wie der Dauerstrom liefern.

Fazit
Anscheinend sind nicht alle LEDs gleich gemacht. Während es keinen Unterschied macht, ob Sie für einige LEDs pulsieren oder nicht, kann das Pulsieren für andere eine schlechtere Leistung ergeben. Ich habe jedoch keine LEDs gefunden, bei denen die Leistung beim Pulsieren steigt.

Unter der Annahme, dass eine LED für eine konstante Zeitdauer leuchtet, ist die Helligkeit proportional zum durch die Diode fließenden Strom (entweder linear oder exponentiell). Nehmen wir für dieses Argument an, dass es linear ist (Sie müssen die Spannungs-Strom-Eigenschaften aus den Datenblättern des Herstellers ermitteln, um zu bestimmen, wie sie für Ihren speziellen Betriebsbereich aussehen werden).

Um dieses Argument zu verdeutlichen, gehe ich davon aus, dass die PWM-Frequenz so hoch ist, dass Sie bei keinem Arbeitszyklus ein sichtbares Flimmern bemerken.

Sie können auch die Helligkeit einer LED bei konstantem Strom ändern, indem Sie das Tastverhältnis ändern. Eine Verringerung des Arbeitszyklus um 50% ist eine Verringerung der Helligkeit um 50%. Dies bedeutet auch, dass die LED nur für die Hälfte der Zeit leuchtet, die sie war. Unter der Annahme, dass Ihre Strom- / Spannungsquelle nicht durch Laden / Schalten beeinflusst wird, wird der durchschnittliche Strom, den die LED in einem bestimmten Intervall verbraucht, ebenfalls direkt halbiert.

Wird die Helligkeit erhöht, verringert oder nicht beeinträchtigt, wenn eine LED mit höherem Strom und niedrigerem Tastverhältnis gepulst wird?

Das hängt alles davon ab, da es dort einen inhärenten Widerspruch gibt. Durch Pulsen der LED zu einem niedrigeren Tastverhältnis, Sie effektiv senken den durchschnittlichen Strom. Wenn Sie nur Ihren Strombegrenzungswiderstand verringern, um mehr Strom fließen zu lassen, und das Tastverhältnis nicht ändern, wird die Helligkeit erhöht. Somit wäre die Änderung der Helligkeit eine Funktion sowohl des Stroms als auch der Änderung des Arbeitszyklus .

Sie können die neue Helligkeit wie folgt berechnen:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

oder mit anderen Worten

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

Da Sie das PWM-Tastverhältnis verringern, aber den Strom erhöhen, sollte der neue PWM Duty CycleWert kleiner als 1, aber größer als 0 sein (implizit von einem Prozentwert in einen Dezimalwert umwandeln), und die Verhältnisse im Strom sollten eine positive Zahl größer als 1 sein.

Wenn Sie also das Tastverhältnis halbieren, aber den gleichen Durchschnittsstrom beibehalten, bleibt Ihre Helligkeit gleich (auf Kosten eines höheren momentanen Stromflusses durch Ihre LED, was möglicherweise nicht wünschenswert ist).

Eine völlig subjektive Analyse:

Beim Versuch, die Leistung einer Infrarot-LED bei 38 kHz zu maximieren, experimentierte ich mit einer 5-mm-sichtbaren roten LED mit einer Nennleistung von 3500 mcd, 1,85 V bei 20 mA (3,7 mW). Das Schalten wurde mit zwei 2N7000-MOSFETs parallel mit einer Gate-Spannung von ungefähr 3,0 V durchgeführt.

1 / Frequenz = Einschaltdauer + Ausschaltdauer

Ich habe die Einschaltdauer von 10% auf 50% variiert, während ich zuerst mit 3,3 V und dann mit 5,0 V versorgt wurde. Die beobachtete Helligkeit stieg sowohl mit zunehmendem Arbeitszyklus als auch mit zunehmender Spannung.

Bei Verwendung von zwei MOSFETs war eine deutliche Helligkeitssteigerung gegenüber der Verwendung von einem zu verzeichnen, und zwei waren bei 5,0 V erforderlich, da bei Verwendung nur eines MOSFETs eine Wärmemenge erzeugt wurde.

Gemessene LED-Spannungen und -Ströme bei dieser Frequenz und diesem Tastverhältnis sind mit meinem DMM unzuverlässig, haben es jedoch geschafft, einen Messwert von 2 Volt bei 120 mA (240 mW) zu erhalten, obwohl dies mit einem großen Salzkorn angenommen wurde.

Ich fühle mich wohl, wenn ich diese LEDs ununterbrochen auf unbestimmte Zeit bei 5 Volt und 40% Tastverhältnis bei 38 kHz laufen lasse. Bei 5 V und 50% Einschaltdauer werden sie für eine lange Lebensdauer etwas zu geröstet.

Ja. Sobald die LED weit genug entfernt ist (oder das sichtbare Bild verdeckt ist), dass die Varianz nahe am Rauschen liegt, nein. (Und vergiss Shockley, wenn du zufällig ein exzellentes quantenmechanisches Modell im Datenblatt hast!) Hat nicht jemand ein Foto von dir gemacht, dessen LED-Blitz (dh Kamera-Jahrgang 2006 oder später) aktiv war?