Minimale Energie, die erforderlich ist, damit das LED-Blinken sichtbar ist

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Ich habe einen 5-V-Schaltplan mit 15-n-Kondensator und frage mich, ob ich eine LED blinken kann, die von diesem Kondensator gespeist wird. Meine Berechnungen gehen davon aus, dass der Kondensator etwa 0,2 uJ Energie haben wird. Dies könnte ich in ungefähr 100 uSecs von 300 uA Strom umwandeln.

Die Fragen sind also:

Was ist die minimale Energie (Energie, nicht Strom, da ich ein sichtbares Blinken haben muss, kein konstantes Licht), die erforderlich ist, um das LED-Blinken unter normalen Bürobedingungen sichtbar zu machen (OK, ich werde die LED mit meiner Handfläche abdecken, um eine direkte Belichtung zu vermeiden: -D)?
Ist es wichtig, wie ich diese Energie rechtzeitig verteilen werde?
Gibt es einen Farbunterschied (möglicherweise gibt es einen Unterschied in der Reaktion des menschlichen Auges)?

— Roman Matveev
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Um eine LED zu sehen, benötigen Sie normalerweise etwas in der Größenordnung von zehn Milliampere für zehn Millisekunden - das sind 4 Größenordnungen mehr, als Sie sagen, dass Sie liefern können.

— Jan Dorniak

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Upvoting als eine der wenigen Fragen, die ich gesehen habe, wo das OP den Unterschied zwischen Energie und Kraft versteht! Grün ist die maximale Augenreaktion, aber nicht unbedingt die LED mit den meisten Lumen / mW. Flimmerphotometer scheinen darauf hinzudeuten, dass alle Impulse <10 ms äquivalent sind, aber ich könnte das falsch interpretieren, versuchen Sie eine Suche nach diesem Begriff.

— Neil_UK

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Nicht direkt verwandt, aber ich habe vor einigen Jahren einen experimentellen Bericht gesehen, dass die niedrigste Energie der menschlichen visuellen Reaktion (in einem "perfekt schwarzen" Raum) von einer Testperson erzielt wurde, die zuverlässig eine Emission von nur (IIRC) 3 Photonen von feststellen konnte Rotlicht. Die Anwendbarkeit hier besteht meiner Meinung nach darin, dass Energie für Energie bei ähnlicher Effizienz eine rote LED wahrscheinlich Ihre zuverlässigste Erkennung liefert. Die absolute Erkennungsschwelle hängt jedoch vom einzelnen Menschen ab und hängt sehr stark von der Helligkeit, Gleichmäßigkeit und Farbbalance des Umgebungslichts ab.

— Robherc KV5ROB

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@ JanDorniak: Das ist ein bisschen pessimistisch. Es gibt viele hocheffiziente LEDs, die bei weniger als 1 mA eine sehr auffällige Lichtmenge erzeugen. Und ein Blitz von 1 ms oder weniger ist immer noch sehr gut sichtbar. Die endgültige Antwort hängt sehr stark von den Umgebungslichtbedingungen ab, die das OP bestätigt hat.

— Dave Tweed

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Ich habe LEDs, die bei 1 mA hell sind und in einem halb beleuchteten Raum mit 100 Mikroampere sichtbar sind. Der Winkel ist wichtig, aber ich bin sicher, dass ich sie auf Dutzende von Mikroverstärkern reduzieren kann, und diese stammen von einer LED-Saite für den Verbrauchergarten. Nichts hochwertiges. @ Jandorniak

— Passant

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Also, Freunde, ich habe das Experiment gemacht.

Das Setup bestand aus zwei 5-mm-LEDs (ich bin mir nicht sicher, welcher Typ genau, aber höchstwahrscheinlich haben sie eine Lichtverteilung von 60 Grad und ein maximales Licht von 40 mcd - sie haben diese Intensität immer noch nicht so gemessen): Rot mit 330 Ohm Vorwiderstand und grün mit 160. Sowohl mit 5V-Versorgung als auch mit AVR-Mikrocontroller.

Mit diesem Setup konnte ich das Blinken so kurz wie 1 us für grüne und 2 us für rote LED sehen. Ich sollte darauf hinweisen, dass ich mich in einem gut beleuchteten Raum befand, aber ich legte meine Handflächen um die LEDs, um einen 3 Zoll tiefen Brunnen um die LEDs zu machen. Ich schaute direkt auf die LEDs und erwartete das Blinken. Dieses Licht reicht also definitiv nicht aus, um das Blinken zu bemerken, wenn Sie keines erwarten.

Der Strom kann auf 3,8 Volt / 330 Ohm = 11,5 mA für Rot und 23 mA für Grün geschätzt werden .

Die elektrische Leistung beträgt also 11,5 mAmps * 1,2 Volt = 14 mW für Rot und 28 mW für Grün.

In beiden Fällen betrug die elektrische Blinkenergie nacheinander nur 28 nJ (Nano-Joule !!!). Das ist ungefähr zehnmal mehr, als ich für einen Augenblick erwartet habe!

Ich teste dies an meiner Frau und meiner 7-jährigen Tochter. Gleiche Sache.

In Bezug auf die Energieverteilung über der Zeit:

Leider konnte ich die Widerstände nicht wechseln, deshalb habe ich nur eines gemacht: Ich habe die LED in einen Konstantlichtmodus mit 1% PWM versetzt. Und ich habe keinen Unterschied bemerkt, wenn ich die Frequenz ändere (1 us blinkt alle 100 us leuchtet gleich wie 100 us blinken alle 10 ms). Dies ist nicht genau das, was ich brauche, aber es sieht so aus, als wäre es keine große Sache, wie ich die Energie rechtzeitig verteilen werde.

In Bezug auf die Empfindlichkeit der verschiedenen Bereiche eines Auges : Ich konnte das Blinken nur sehen, wenn ich genau auf die LEDs schaute. Wenn ich die Sehachse ein wenig verschiebe, kann ich nichts sehen. Das gleiche habe ich bei ständiger Beleuchtung bemerkt.

— Roman Matveev
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Joule sind Energieeinheiten, keine Kraft. 1 Joule = 1 Volt * 1 Ampere * 1 Sekunde. Ich gehe davon aus, dass Sie dies wissen, da Sie es richtig berechnet haben, aber Ihr Text beschreibt es dann als "blinkende elektrische Energie", was "blinkende elektrische Energie" sein sollte.

— JRE

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@ JRE natürlich hast du recht! Mein Tippfehler. Ich habe die Korrektur vorgenommen :)

— Roman Matveev

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Wikipedia schlägt etwas in der Größenordnung von 100 Photonen vor, um unter den idealsten Bedingungen eine sichtbare Reaktion zu erzielen .

Die Energie in einem Photon kann berechnet werden durch:

E. = \frac{h c}{λ}

$E = {hc \over \lambda }$

Wo:

h ist die Planck-Konstante, ungefähr 6,6 × 10 ^–34 J⋅s,
c ist die Lichtgeschwindigkeit von etwa 3 × 10 ⁸ m / s und
λ ist die Wellenlänge des Photons.

Die Stabzellen des menschlichen Auges sind bei einer Wellenlänge von 510 nm am empfindlichsten . Die Energie dieser Photonen beträgt also etwa 3,9 × 10 ^–19 Joule pro Photon.

Multiplizieren Sie dies mit den etwa 100 Photonen, die für die Detektion durch ein menschliches Auge erforderlich sind, und Sie erhalten 3,9 × 10 ^–17 Joule. Nach dem Gesetz der Energieeinsparung benötigen Sie mindestens so viel elektrische Energie, um etwas sichtbar zu machen.

Natürlich sind LEDs nicht 100% effizient. Nicht alle Farben haben die gleiche Lichtausbeute , daher kann es sein, dass die effizienteste LED zur Erzeugung von für Menschen sichtbarem Licht nicht unbedingt bei der Wellenlänge liegt, bei der das Auge am empfindlichsten ist. Ich lasse diese Forschung als Übung und sagen wir einfach, eine LED hat eine Lichtausbeute von 25%. Das erhöht den Energiebedarf um den Faktor vier auf:

1,6 × 10 ^–16 Joule

Das ist nach meiner groben Schätzung die absolute Mindestenergie, die erforderlich ist, um eine visuelle Reaktion mit einer LED in einem Menschen zu registrieren.

In Ihrem Kondensator ist um Größenordnungen mehr Energie gespeichert. Unter idealen Bedingungen ist es daher wahrscheinlich, dass Sie eine visuelle Reaktion registrieren können, selbst wenn Sie Ineffizienzen bei der Energieversorgung des Kondensators in die LED berücksichtigen.

In der Praxis wird der Raum natürlich nicht perfekt dunkel sein, der Betrachter wird nicht ideal akklimatisiert und das Licht der LED wird nicht auf einen winzigen Punkt fokussiert. Sie benötigen also möglicherweise mehr Energie. Vielleicht viel mehr.

— Phil Frost
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Es fängt an, interessant zu klingen, ein Relais anzuschließen, um einen Kondensator abwechselnd aufzuladen und es dann durch eine typische LED abzulassen, um zu sehen, welche Kapazität die kleinste ist, die einen sichtbaren Blitz ergeben kann (für 5 V oder was auch immer aufgeladen wird).

— Chris Stratton

Wir haben bereits festgestellt, dass die LED in "normaler Bürobeleuchtung" sichtbar sein muss, wobei höchstens eine Hand etwas Schatten spendet.

— Dave Tweed

Soll 1,5 * 10-17 3,9 * 4 = 15,6 * 10-17 Joule sein? Ich denke, dass Sie die Lichtenergie mit Effizienz teilen müssen - nicht multiplizieren.

— Roman Matveev

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Einige gute Tipps zum Blinken einer LED bei geringem Stromverbrauch finden Sie auf dem veralteten LED-Blinker-Chip LM3909 . Beachten Sie, wie die Spannung von der Kappe mit der Spannung von einer 1,5-V-Zelle "gestapelt" wird, um genügend Durchlassspannung für die LED zu erhalten.

Normalerweise verwendete man mit diesem Chip einen Kondensator im Bereich von zehn µF (nicht zehn nF), um einen sehr gut sichtbaren Blitz auf einer LED mit nur mäßigem Wirkungsgrad zu erzeugen. Ich würde schätzen, dass dies ungefähr 50 µJ pro Blitz liefert, also sind Sie wahrscheinlich ein oder zwei Größenordnungen weniger als nötig.

— Dave Tweed
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Möglicherweise können Sie mit 100 ms 30uA Strom ein sichtbares Blinken (bei Bürobeleuchtung, wobei der Optik besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird, um den Kontrast zu erhöhen) erhalten.

Es macht keinen besonderen Sinn, die Blinkdauer unter etwa 100 ms zu reduzieren - normalerweise ist die LED-Effizienz bei höherem Strom nicht besser und das Auge sieht die gleiche Energie wie etwa die gleiche Helligkeit. Ein 100us-Impuls erscheint ungefähr so hell wie ein 100ms-Impuls mit 1/1000 des Stroms, also eher 300nA-Äquivalent.

Das könnte mit einer guten LED, dunkel eingestellten Augen und in einem dunklen Raum sichtbar sein.

— Spehro Pefhany
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