Czy pulsowanie diody LED przy wyższym prądzie daje większą pozorną jasność?

To pytanie zakłada dwa założenia:

1. Częstotliwość przełączanego sterownika LED jest na tyle wysoka, że ​​do ustalenia maksymalnego prądu napędu należy użyć średniej mocy, a nie mocy chwilowej.
2. Czynnikiem ograniczającym, który określa maksymalny prąd w dowolnym cyklu pracy, jest średnie rozpraszanie mocy.

Po tych założeniach oczywiste jest, że prąd przez diodę LED przy maksymalnym rozproszeniu mocy jest odwrotnie związany z cyklem roboczym.

Czy widoczna jasność (niekoniecznie jasność) jest zwiększana, zmniejszana lub nie ma na nią wpływu pulsowanie diody LED przy wyższym prądzie i niższym cyklu pracy?

Nie mam na myśli żadnych konkretnych diod LED ani topologii sterowników, ale chętnie przyjmę odniesienia do prawdziwych części, arkuszy danych lub aplikacji. Chciałbym również wiedzieć, czy różni się to między wskaźnikowymi diodami LED o niskiej mocy (powiedzmy 20mA) a diodami LED o dużej mocy i jasności.

Patrzyłem na to bardziej szczegółowo w przeszłości, kiedy projektuję światła na bazie LED ładowane energią słoneczną i ogólnie interesuję się diodami LED.

Po pierwsze, ludzka percepcja przy stałej mocy i zmiennych impulsach cyklu pracy. Powiedzmy, że 10% cykl roboczy spowodowałby 10-krotny prąd przy tym samym napięciu dla utrzymania tego. Rzeczywiste diody LED będą miały nieco wyższe napięcie przewodzenia, gdy prąd wzrośnie 10-krotnie, ale nie tak bardzo. Uczciwy test to prawdopodobnie Ipeak x czas włączenia = stała.

• W odległej przeszłości twierdzono, że reakcja ludzkiego oka była taka, że ​​pulsujące diody LED o stałej mocy, ale w cyklach o niskim obciążeniu skutkowały większą pozorną jasnością. AFAIR referencja znajdowała się w dokumencie HP.

• Całkiem niedawno przeczytałem coś wręcz przeciwnego z umiarkowanie autorytatywnego, ale niezapomnianego źródła.

Prawdopodobnie mogę znaleźć najnowszy dokument, ale HP zostanie zagubiony we mgle czasu. Uważam jednak, że jakikolwiek efekt fizjologiczny eteru jest niewielki. Biorąc pod uwagę, że potrzebujesz około 2: 1 zmiany jasności LED, aby była zauważalna, gdy diody LED są oglądane osobno (jedna lub druga, ale nie obie razem), małe różnice z pewnością nie będą zauważalne. Tam, gdzie np. Dwie lampy błyskowe świecą obok siebie na ogólnej scenie, aby można było dokonać bezpośredniego porównania, może być potrzebna różnica około 1,5: 1+, zanim różnica będzie zauważalna - zależy to w pewnym stopniu od obserwatora. Kiedy dwa światła są używane do „mycia ścian” na gładkiej ścianie, różnice między nimi wynoszące do około 20% mogą być zauważalne.

Po drugie - rzeczywista jasność.

Stosując stały średni prąd, całkowita moc świetlna spada dla pracy pulsacyjnej i jest niższa dla coraz mniejszego cyklu pracy! Efekt jest jeszcze gorszy dla stałej średniej mocy !!

Oba te efekty można wyraźnie zobaczyć, analizując karty danych docelowych diod LED. Charakterystyki świetlne na krzywe prądu są zbliżone do linii prostych, ale krzywa w kierunku malejącej mocy wyjściowej na mA wraz ze wzrostem prądu. tj. podwojenie prądu nie do końca podwaja moc świetlną. Ta malejąca stopa zwrotu przyspiesza wraz ze wzrostem prądu. tzn. dioda LED działająca znacznie poniżej prądu znamionowego wytwarza więcej lumenów / mA niż przy prądzie znamionowym ze wzrostem wydajności przy malejącym mA.

Moc wyjściowa (lumen) na wat jest jeszcze gorsza niż lumen na mA. Wraz ze wzrostem mA Vf również wzrasta, więc iloczyn Vf x I rośnie szybciej niż lumen. Zatem ponownie maksymalny lumen / wat osiąga się przy niskim mA w porównaniu do znamionowego mA, a wydajność lumen / wat poprawia się wraz ze spadkiem prądu.

Oba te efekty można zobaczyć na poniższych wykresach.

Te krzywe dotyczą całkowicie cudownego [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED wspomnianego poniżej. Pomimo tego, że ta dioda LED ma maksymalne natężenie 60 mA i ciągłe maks. 50 mA Nichia uprzejmie określiła jej działanie do 150 mA. Długowieczność przy tym prądzie nie jest „gwarantowana”. Jest to około najbardziej wydajnej dostępnej diody LED <= 50 mA. Jeśli ktoś wie coś o wyższej l / W przy 50 mA i w tym samym przedziale cenowym, proszę o poradę!

Używam diody Nichia „Raijin” NSPWR70CSS-K1 w kilku produktach. To zaczęło życie jako dioda 30 mA, ale po testach została podwyższona do 50 mA przez Nichię (ze skróconym czasem życia 14 000 godzin). Przy 50 mA dostarcza około 120 l / W, a przy 20 mA około 165 l / W. Ta ostatnia liczba stawia go wśród najlepszych dostępnych produktów na świecie, chociaż najnowsze oferty przekraczają obecnie tę wartość przy prądach znacznie poniżej prądu znamionowego.

Czynnikiem komplikującym jest to, że nowoczesne diody LED dużej mocy są często oceniane dla wartości Iabsolute_max, być może o 20% powyżej Imax_operating. tzn. nie jest możliwe działanie ich w trybie pulsacyjnym przy cyklu pracy mniejszym niż około 90% i stałym średnim prądzie bez przekraczania ich znamionowych maksymalnych prądów maksymalnych. Nie oznacza to, że nie mogą one pulsować wielokrotnie przy swoich znamionowych maksymalnych prądach ciągłych (zapytaj, skąd to wiem :-)), tylko że producent nie poświadcza wyników. Raijin LED jest BARDZO jasny przy 100 mA.

Szczególny przypadek.

Jednym z obszarów, w którym pulsowanie przy bardzo wysokich prądach i cyklach o niskim obciążeniu może mieć sens, jest to, że dioda LED jest oceniana dla tego rodzaju pracy, a chwilowa moc świetlna (jasność) ma większe znaczenie niż średnia jasność. Często spotykanym przykładem są sterowniki na podczerwień (IR), w których jasność każdego pojedynczego impulsu jest ważna, ponieważ pojedyncze impulsy są wykrywane, a średni poziom jest nieistotny. W takich przypadkach można zastosować impulsy o wartości 1 A plus. Prądem granicznym w takich przypadkach mogą być prądy bezpiecznikowe drutu wiążącego. Wpływ na matrycę LED będzie skracać żywotność, ale jest to (przypuszczalnie) dozwolone przez producenta w specyfikacji - a wymagany całkowity czas pracy jest zwykle niski. (np. pilot do telewizora, który jest używany do 0.

Skuteczna poprawa natężenia oświetlenia źródła światła poprzez zastosowanie modulacji impulsów i jej psychofizycznego wpływu na ludzkie oko. Uniwersytet EHIME 2008

Enddolith zacytował artykuł, który pod pewnymi warunkami twierdził, że ma znaczny prawdziwy zysk wizualny. Oto pełna wersja cytowanego artykułu Jinno Motomura
[link updated 1/2016]

Twierdzą, że rzeczywisty przyrost światła wynosi do ~ 2: 1 (ponieważ lumeny odnoszą się do reakcji oka) przy 5% cyklu pracy, ale pomimo dużej staranności są pewne poważne niepewności przy tłumaczeniu tego na rzeczywiste zastosowania.

• Wydaje się, że kładą bardzo duży nacisk na szybkie wzrosty i spadki. Czy są one spełnione przy oświetlaniu scen z prawdziwego świata, czy to ma znaczenie? i czy są wybrane przykłady, w których będzie działać lepiej niż inne?

• To patrzy bezpośrednio na diody LED (z dobrym okiem?) I porównuje pozorną jasność. Jak to się przekłada na poziomy światła docierające do obserwatora po odbiciu sceny.

• Jak to się stosuje, gdy diody LED służą do oświetlania celów. Czy średni poziom luminancji od celu w porównaniu z bezpośrednią obserwacją LED wpłynie na wyniki? O ile?

• Skoro nowoczesne, np. Białe diody LED mają Imax_max ~ = 110% ciągłości I_max_, a ponieważ wydaje się, że efekt ten zależy od ~ 5% cyklu pracy, czy ma to jakiekolwiek implikacje dla podobnych rzeczywistych diod LED przy dużych procentach prądu znamionowego?

Wydaje się, że w tym obszarze jest dużo dezinformacji. Niektórzy twierdzą, że istnieje efekt wizualny, że pulsujące światło jest postrzegane jaśniej niż jego średni poziom. O ile mi wiadomo, istnieje pewna różnica zdań, ale dotyczy to raczej powolnego migania, tak że utrwalenie widzenia przenosi jasność między impulsami. Jest to w zakresie od kilku Hz do niskich 10 Hz. Nie jestem pewien, czy istnieje konsensus co do tego, czy tak naprawdę jest to postrzegane jako jaśniejsze, czy też przyciąga tylko więcej uwagi.

Szybkie miganie, dzięki czemu światło wygląda stabilnie (kilka 100 Hz), najwyraźniej nie zwiększa postrzeganej jasności. Dostrzegasz średnią jasność. Oznacza to, że szybko migająca dioda LED jest faktycznie mniej jasna przy tej samej średniej mocy. Jasność diody LED jest w przybliżeniu proporcjonalna do prądu, ale wyższy prąd powoduje również większy spadek napięcia przewodzenia. 10 mA ciągły i 20 mA dla 50% przy 1 kHz będzie wyglądać bardzo blisko tego samego, ale ten ostatni będzie wymagał większej mocy, ponieważ spadek napięcia przy 20 mA będzie wyższy niż przy 10 mA.

Jasność diod LED jest w większości proporcjonalna do prądu, ale nie do końca. Zwykle odpada nieco przy prądzie, ale dla większości diod LED typu wskaźnik ten efekt jest tak mały, że jest niezauważalny. Ludzie postrzegają natężenie światła logarytmicznie. Współczynnik 2 wygląda jak mały, ale wyraźnie zauważalny krok. 10% jest niemożliwe do zauważenia, z wyjątkiem bezpośredniego porównania.

Diody LED dużej mocy stosowane do oświetlenia przekraczają granice w inny sposób i wykazują większy spadek przy wyższym prądzie. Maksymalna wydajność i maksymalna jasność to nie to samo. Ta różnica wystarcza, by mieć znaczenie w wymagających aplikacjach. W tym miejscu należy dokładnie sprawdzić arkusz danych LED. Diody LED o dużej mocy zwykle mają wartości jasności w funkcji prądu, a na górnym końcu zobaczysz nieco ten ogon. Należy również pamiętać, że w przypadku tych diod chwilowy maksymalny prąd jest bliższy średniej maks. Niż w przypadku małych diod wskaźnikowych. Wiele ma to związek z zarządzaniem temperaturą i ciepłem.

Zawsze nauczyłem się i byłem przekonany, że prąd LED powyżej wartości nominalnej (często około 20 mA dla zwykłej diody LED) spowoduje większą jasność, ale mniej niż proporcjonalną, i że nie warto tego robić. W takim przypadku pulsowanie nie zapewni większej jasności. Załóżmy, że dioda LED ma 0,45 mA przy 10 mA i 0,9 mA przy 40 mA. Impulsowo przy 40 mA z 25% cyklem pracy da średni prąd 10 mA i średnią jasność 0,225 mcd, to tylko połowa jasności, którą uzyskalibyśmy przy 10 mA ciągłej.
Nie wymyśliłem tych liczb. Można je znaleźć w arkuszu danych Panasonic LN222RPX :

Chcę tutaj zrobić dwie notatki:

1. połowa wartości wydaje się być dużą różnicą, ale musisz pamiętać, że nasze oko postrzega natężenia światła logarytmicznie; jeśli podwojenie intensywności wynosi 1 stopień, różnica między słabo oświetlonym pokojem (10 luksów) a jasnym światłem słonecznym (100 000 luksów) wynosi tylko 13 kroków. Jeden krok będzie mniej zauważalny niż sugerują liczby.
2. Jest też inny wykres, prąd przewodzenia vs napięcie przewodzenia. Jak w przypadku każdej innej diody napięcie rośnie wraz ze wzrostem prądu. Oznacza to, że rozproszenie mocy w diodzie LED wzrośnie bardziej niż proporcjonalnie wraz ze wzrostem prądu.

Jeśli się tu zatrzymamy, możemy dojść do wniosku, że prąd pulsacyjny jest gorszy niż prąd ciągły, jeśli chodzi o jasność i moc. ALE!

Kevin przyszedł z tym wykresem z arkusza danych Kingbright :

Ta krzywa jest cholernie prosta! Dla tej diody LED (i innych sprawdzonych przez Kingbrighta) jasność jest idealnie liniowa z prądem, więc pulsowanie powinno dawać taki sam wynik jak prąd ciągły.

wniosek
Najwyraźniej nie wszystkie diody LED są równe. Chociaż nie ma znaczenia, czy pulsujesz dla niektórych diod LED, pulsowanie może dać gorszą wydajność dla innych. Nie znalazłem jednak diod LED, w których wydajność wzrasta podczas pulsowania.

Zakładając, że dioda LED świeci przez stały czas, wówczas jasność jest proporcjonalna do prądu przepływającego przez diodę (liniowego lub wykładniczego). Dla celów tego argumentu przyjmijmy, że jest on liniowy (musisz znaleźć charakterystykę napięcia w funkcji prądu z kart danych producenta, aby określić, jaka będzie ona dla twojego określonego zakresu roboczego).

Ponadto, ze względu na ten argument, założę, że częstotliwość PWM jest na tyle wysoka, że ​​nie zauważysz żadnego widocznego migotania w żadnym cyklu pracy.

Możesz także zmienić jasność diody LED przy stałym prądzie, zmieniając cykl pracy. 50% zmniejszenie cyklu pracy to 50% zmniejszenie jasności. Oznacza to również, że dioda LED świeci tylko przez połowę czasu, a przy założeniu, że obciążenie / przełączanie nie wpływa na źródło prądu / napięcia, średni prąd, jaki dioda LED zużywa w danym przedziale, zostanie również bezpośrednio zmniejszony o połowę.

Czy pulsowanie diody LED przy wyższym prądzie i niższym cyklu pracy zwiększa się, zmniejsza lub nie wpływa na jasność?

To wszystko zależy, ponieważ istnieje tam nieodłączna sprzeczność. Pulsując diodę LED przy niższym cyklu pracy, skutecznie obniżasz średni prąd. Jeśli po prostu zmniejszyłeś rezystor ograniczający prąd, aby umożliwić przepływ większego prądu, i nie zmodyfikowałeś cyklu pracy, jasność by się zwiększyła. Zatem zmiana jasności byłaby funkcją zarówno prądu, jak i zmiany cyklu pracy .

Możesz obliczyć nową jasność jako:

nowa_jasność = stara_jasność * nowa_średnia_średnia / stara_średnia_środkowa

lub innymi słowy

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

Ponieważ obniżasz cykl pracy PWM, ale zwiększasz prąd, nowy PWM Duty Cyclepowinien być mniejszy niż 1, ale większy niż 0 (domyślnie przelicz go z wartości procentowej na dziesiętną), a stosunki w prądzie powinny być liczbą dodatnią większą niż 1.

Tak więc, jeśli zmniejszysz o połowę cykl pracy, ale utrzymasz ten sam średni prąd, jasność pozostanie taka sama (kosztem wyższego chwilowego przepływu prądu przez diodę LED, co może nie być pożądane).

Całkowicie subiektywna analiza:

Próbując zmaksymalizować moc diody podczerwieni przy 38 kHz, eksperymentowałem z 5 mm widoczną czerwoną diodą o mocy 3500 mcd, 1,85 V przy 20 mA (3,7 mW). Przełączenia dokonano równolegle z dwoma tranzystorami MOSFET 2N7000, przy napięciu bramki około 3,0 V.

1 / Freq = czas włączenia + czas wyłączenia

Zmieniłem czas włączenia od 10% do 50%, zasilając najpierw napięciem 3,3 V, a następnie 5,0 V. Obserwowana jasność wzrosła wraz ze wzrostem cyklu pracy i napięcia.

Nastąpił zauważalny wzrost jasności przy użyciu dwóch MOSFET-ów w porównaniu z użyciem jednego, plus dwa były wymagane przy 5,0 V, biorąc pod uwagę ilość ciepła wytworzonego przy użyciu tylko jednego.

Zmierzone napięcia i prądy LED przy tej częstotliwości i cyklu pracy są niewiarygodne z moim DMM, ale udało mi się uzyskać jeden odczyt 2 woltów przy 120 mA (240 mW), chociaż weź to z ogromnym ziarnem soli.

Czuję się komfortowo, pracując z tymi diodami LED w sposób ciągły w nieskończoność przy 5 woltach i 40% cyklu pracy przy 38 kHz. Przy 5 V i 50% cyklu pracy stają się nieco zbyt prażone dla długowieczności.

Tak. Gdy dioda LED znajduje się wystarczająco daleko (lub widoczny obraz jest zasłonięty), wariancja zbliża się do szumu, nie. (I nieważne Shockley, jeśli akurat masz doskonały model kwantowo-mechaniczny zawarty w arkuszu danych!) Czy nikt nie zrobił ci zdjęcia z lampą błyskową LED (tj. Aparat z rocznika 2006 lub nowszy)?