Apakah berdenyut LED pada arus lebih tinggi menghasilkan kecerahan tampak lebih besar?

Pertanyaan ini menyiratkan dua asumsi:

1. Frekuensi driver LED yang diaktifkan cukup tinggi sehingga daya rata-rata, bukan daya instan, harus digunakan untuk menentukan arus drive maksimum.
2. Faktor pembatas yang menentukan arus maksimum pada setiap siklus kerja adalah disipasi daya rata-rata.

Setelah asumsi-asumsi ini, jelaslah bahwa arus melalui LED pada disipasi daya maksimum berbanding terbalik dengan siklus kerja.

Apakah kecerahan yang tampak (belum tentu luminositas) meningkat, menurun, atau tidak terpengaruh oleh sinyal LED pada arus yang lebih tinggi dan siklus kerja yang lebih rendah?

Saya tidak memiliki LED atau topologi driver tertentu dalam pikiran, tetapi akan menyambut referensi untuk bagian nyata, lembar data, atau catatan aplikasi. Saya juga tertarik untuk mengetahui apakah ini bervariasi antara LED indikator daya rendah (katakanlah, 20mA) dan LED pencahayaan daya tinggi, kecerahan tinggi.

Saya telah melihat ini dalam beberapa detail di masa lalu ketika saya merancang lampu LED bermuatan surya dan umumnya tertarik pada LED.

Pertama, persepsi manusia tentang daya konstan dan pulsa siklus tugas variabel. Katakanlah 10% siklus kerja akan menghasilkan 10 x arus pada tegangan yang sama untuk ini. LED nyata akan memiliki voltase ke depan yang agak lebih tinggi ketika arus meningkat 10x tetapi tidak terlalu besar. Tes yang adil mungkin Ipeak x waktu pada = konstan.

• Di masa lalu yang jauh diduga bahwa respons mata manusia sedemikian rupa sehingga LED berdenyut pada daya konstan tetapi pada siklus tugas rendah menghasilkan kecerahan yang lebih jelas. AFAIR referensi ada dalam dokumen HP.

• Baru-baru ini saya telah membaca hal yang berlawanan dari sumber yang cukup otoritatif tetapi tidak diingat.

Saya mungkin dapat menemukan dokumen baru-baru ini, tetapi HP akan hilang dalam kabut waktu. Namun, saya percaya bahwa efek fisiologis apa pun cara kecil. Mengingat bahwa Anda memerlukan perubahan 2: 1 dalam kecerahan LED agar dapat terlihat ketika LED dilihat secara terpisah (satu atau lainnya tetapi tidak keduanya bersamaan), perbedaan kecil pasti tidak akan terlihat. Di mana misalnya, dua senter disorot berdampingan pada pemandangan umum sehingga perbandingan langsung dapat dibuat, Anda mungkin memerlukan perbedaan 1,5: 1+ sebelum perbedaannya terlihat - ini agak tergantung pada pengamat. Ketika dua lampu digunakan dalam "mencuci dinding" pada dinding yang halus, perbedaan berdampingan hingga sekitar 20% dapat terlihat.

Kedua - kecerahan aktual.

Menggunakan arus rata-rata konstan, output cahaya total turun untuk operasi berdenyut dan lebih rendah untuk siklus tugas yang semakin rendah! Efeknya bahkan lebih buruk untuk daya rata-rata konstan !!

Kedua efek ini dapat dilihat dengan jelas dengan memeriksa lembar data LED target. Output bercahaya per kurva arus dekat dengan garis lurus tetapi kurva menuju penurunan output per mA saat arus meningkat. yaitu menggandakan arus tidak cukup output bercahaya ganda. Tingkat pengembalian yang menurun ini semakin cepat seiring meningkatnya arus. yaitu LED yang dioperasikan pada jauh di bawah arus pengenalnya menghasilkan lebih banyak lumen / mA daripada arus pengenal dengan peningkatan efisiensi dengan penurunan mA.

Output (lumen) per Watt bahkan lebih buruk daripada lumen per mA. Seiring peningkatan mA, Vf juga meningkat, sehingga produk Vf x I meningkat pada laju yang lebih cepat per lumen daripada yang saya lakukan. Jadi, sekali lagi, lumen / Watt maksimum dicapai pada mA rendah dibandingkan dengan rating mA dan efisiensi lumen / Watt meningkat dengan berkurangnya arus.

Kedua efek ini dapat dilihat pada grafik berikut.

Kurva ini untuk [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED yang benar-benar luar biasa yang disebutkan di bawah ini. Meskipun LED ini memiliki nilai absolut maksimum 60 mA dan maks kontinyu 50 mA, Nichia telah menetapkan kinerja hingga 150 mA. Umur panjang pada saat ini "tidak dijamin". Ini adalah tentang LED <= 50 mA paling efisien yang tersedia. Jika ada yang tahu tentang apa pun dengan l / W superior pada 50 mA dan dalam kisaran harga yang sama, mohon saran!

Saya menggunakan LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 di beberapa produk. Ini mulai hidup sebagai LED 30 mA tetapi ditingkatkan menjadi 50 mA oleh Nichia setelah pengujian (dengan pengurangan masa pakai 14.000 jam). Pada 50 mA menghasilkan sekitar 120 l / W dan pada 20 mA sekitar 165 l / W. Angka terakhir menempatkannya di antara produk-produk dunia nyata terbaik yang tersedia, meskipun penawaran baru-baru ini sekarang melebihi nilai ini jauh di bawah nilai arus.

Faktor yang menyulitkan adalah bahwa LED daya tinggi modern sering dinilai untuk nilai Iabsolute_max mungkin 20% di atas Imax_operating. yaitu tidak mungkin untuk mengoperasikannya dalam mode berdenyut kurang dari sekitar 90% siklus tugas dan arus rata-rata konstan tanpa melebihi arus maksimum absolut pengenalnya. Ini tidak berarti bahwa mereka tidak dapat berdenyut berkali-kali nilai arus kontinu maksimum maksimum mereka (tanyakan kepada saya bagaimana saya tahu :-)) hanya saja pabrikan tidak mengesahkan hasilnya. LED Raijin SANGAT cerah pada 100 mA.

Kasus spesial.

Satu area di mana berdenyut pada arus yang sangat tinggi dan siklus tugas rendah mungkin masuk akal adalah di mana LED dinilai untuk jenis tugas ini dan output bercahaya sesaat (kecerahan) lebih penting daripada kecerahan rata-rata. Contoh yang umum dijumpai adalah pada pengontrol Infra Red (IR) di mana kecerahan masing-masing pulsa penting karena pulsa individual terdeteksi dan tingkat rata-rata tidak relevan. Dalam kasus seperti itu, pulsa 1 amp plus dapat digunakan. Arus pembatas dalam kasus-kasus seperti itu mungkin arus ikatan kawat ikatan. Efek pada die LED akan menjadi lebih pendek seumur hidup tetapi ini (mungkin) diizinkan oleh produsen th dalam spesifikasi - dan total masa operasi yang diperlukan biasanya rendah. (mis. remote control TV yang digunakan untuk 0.

Peningkatan penerangan sumber cahaya yang efektif dengan menggunakan modulasi pulsa dan efek psikofisiknya pada mata manusia. Universitas EHIME 2008

Enddolith mengutip sebuah makalah yang mengklaim perolehan visual sejati yang substansial dalam kondisi tertentu. Berikut adalah versi lengkap makalah Jinno Motomura yang dikutip
[tautan diperbarui 1/2016]

Mereka mengklaim mendapatkan lumen benar hingga 2: 1 (karena lumens berhubungan dengan respons mata) pada siklus tugas 5% tetapi meskipun mereka sangat berhati-hati, ada beberapa ketidakpastian utama ketika menerjemahkan ini ke aplikasi dunia nyata.

• Mereka tampaknya menempatkan penekanan yang sangat tinggi pada waktu naik dan turun yang cepat. Apakah ini dipenuhi ketika menerangi pemandangan dunia nyata, apakah itu penting? dan adakah contoh terpilih di mana ia akan bekerja lebih baik daripada yang lain?

• Ini melihat LED secara langsung (dengan sisa mata yang bagus?) Dan membandingkan kecerahan yang tampak. Bagaimana ini diterjemahkan ke tingkat cahaya yang mencapai pengamat setelah refleksi adegan.

• Bagaimana ini berlaku ketika LED digunakan untuk menerangi target. Apakah tingkat pencahayaan rata-rata dari target dibandingkan dengan pengamatan LED langsung akan mempengaruhi hasil? Seberapa banyak?

• Sebagai contoh modern, White LED memiliki Imax_max ~ = 110% dari I_max_ terus menerus, dan karena efek ini tampaknya tergantung pada ~ 5% siklus kerja, apakah ini punya implikasi untuk LED dunia nyata yang serupa dengan persentase besar dari nilai arus?

Tampaknya ada banyak informasi yang salah di area ini. Ada yang mengatakan ada efek visual bahwa cahaya yang berdenyut dianggap lebih terang daripada tingkat rata-rata. Sejauh yang saya tahu, ada beberapa ketidaksepakatan tentang ini tetapi ini berlaku untuk flashing yang agak lambat sehingga ketahanan penglihatan membawa kecerahan di antara pulsa. Ini berada dalam kisaran beberapa Hz hingga 10-an Hz yang rendah. Saya tidak yakin ada konsensus tentang apakah ini benar-benar dianggap lebih cerah, atau hanya mendapat lebih banyak perhatian.

Berkedip cepat sehingga cahaya tampak stabil (beberapa 100 Hz) tampaknya tidak meningkatkan kecerahan yang dirasakan. Apa yang Anda rasakan adalah kecerahan rata-rata. Itu berarti bahwa LED yang berkedip cepat sebenarnya kurang terang dengan daya rata-rata yang sama. Kecerahan LED kira-kira sebanding dengan arus, tetapi arus yang lebih tinggi juga menyebabkan penurunan tegangan maju yang lebih besar. 10mA kontinu dan 20mA untuk 50% pada 1 kHz akan terlihat cukup dekat dengan yang sama, tetapi yang terakhir akan mengambil lebih banyak daya karena penurunan tegangan pada 20mA akan lebih tinggi daripada pada 10mA.

Kecerahan LED sebagian besar sebanding dengan arus, tetapi tidak sepenuhnya. Itu jatuh sedikit biasanya dengan arus, tetapi untuk sebagian besar jenis indikator LED efek ini sangat kecil sehingga tidak terlihat. Manusia merasakan intensitas cahaya secara logaritma. Faktor 2 terlihat seperti langkah kecil tapi jelas terlihat. 10% tidak mungkin diperhatikan kecuali dalam perbandingan langsung.

LED daya tinggi yang digunakan untuk penerangan mendorong batas dengan cara yang berbeda dan menunjukkan lebih banyak rontok dengan arus yang lebih tinggi. Efisiensi maksimum dan kecerahan maksimum bukan hal yang sama. Perbedaan ini cukup penting dalam permintaan aplikasi. Di sinilah Anda harus memeriksa lembar data LED dengan hati-hati. LED pencahayaan daya tinggi biasanya memiliki angka untuk kecerahan sebagai fungsi saat ini, dan Anda akan melihat ekor ini sedikit keluar dari ujung yang tinggi. Juga perhatikan bahwa untuk LED tersebut, arus maks sesaat lebih dekat dengan rata-rata maks daripada untuk LED indikator kecil. Banyak dari ini berkaitan dengan manajemen suhu dan panas.

Saya selalu belajar dan diyakinkan bahwa arus LED di atas nominal (sering sekitar 20mA untuk LED umum) akan menyebabkan luminositas yang lebih tinggi, tetapi kurang proporsional, dan tidak sepadan dengan arus untuk melakukannya. Jika ini yang terjadi, pulsing tidak akan membuat Anda lebih cerah. Misalkan LED dengan 0,45mcd @ 10mA, dan 0,9mcd @ 40mA. Berdenyut pada 40mA dengan siklus tugas 25% akan memberikan arus rata-rata 10mA, dan luminositas rata-rata 0,225mcd, itu hanya setengah luminositas yang akan kita dapatkan di 10mA terus menerus.
Saya tidak mengarang angka-angka ini. Mereka dapat ditemukan di lembar data Panasonic LN222RPX :

Saya ingin membuat dua catatan di sini:

1. setengah nilainya tampak seperti perbedaan besar, tetapi Anda harus ingat bahwa mata kita merasakan intensitas cahaya secara logaritma; jika menggandakan intensitasnya adalah 1 langkah maka perbedaan antara ruangan yang temaram (10 lux) dan sinar matahari terang (100 000 lux) hanya 13 langkah. Satu langkah akan kurang terlihat dari angka yang disarankan.
2. Ada juga grafik lainnya, arus maju vs tegangan maju. Seperti halnya dioda lainnya, voltase bertambah dengan meningkatnya arus. Itu berarti bahwa disipasi daya pada LED akan meningkat lebih dari proporsional dengan meningkatnya arus.

Jika kita berhenti di sini, kita dapat menyimpulkan bahwa arus berdenyut lebih buruk daripada arus kontinu, bijaksana luminositas, dan bijaksana daya. TAPI!

Kevin datang dengan grafik ini dari lembar data Kingbright :

Kurva itu benar-benar lurus! Untuk LED ini (dan yang lainnya dari Kingbright yang saya periksa) luminositas sangat linier dengan arus, jadi berdenyut akan memberikan hasil yang sama dengan arus kontinu.

Kesimpulan
Ternyata tidak semua LED dibuat sama. Meskipun tidak ada bedanya apakah Anda melakukan pulse atau tidak untuk beberapa denyut LED mungkin memberikan kinerja yang lebih buruk bagi orang lain. Namun, saya belum menemukan LED di mana kinerja meningkat ketika berdenyut.

Dengan asumsi LED menyala untuk jumlah waktu yang konstan, maka kecerahan sebanding dengan arus yang mengalir melalui dioda (baik linier atau eksponensial). Demi argumen ini, mari kita asumsikan linier (Anda perlu menemukan karakteristik tegangan vs arus dari lembar data pabrikan untuk menentukan seperti apa jadinya untuk rentang operasi khusus Anda).

Juga, demi argumen ini, saya akan mengasumsikan bahwa frekuensi PWM cukup tinggi sehingga Anda tidak akan melihat adanya flicker yang terlihat pada siklus tugas apa pun.

Anda juga dapat mengubah kecerahan LED pada arus konstan dengan memvariasikan siklus tugas. Pengurangan 50% dalam siklus tugas adalah pengurangan 50% dalam kecerahan. Ini juga berarti bahwa LED hanya menyala selama setengah dari waktu itu, dan dengan asumsi bahwa sumber arus / tegangan Anda tidak terpengaruh oleh pemuatan / switching, arus rata - rata yang digunakan LED selama interval tertentu juga akan langsung berkurang setengahnya.

Apakah kecerahan meningkat, menurun, atau tidak terpengaruh oleh denyut LED pada arus yang lebih tinggi dan siklus kerja yang lebih rendah?

Itu semua tergantung, karena ada kontradiksi yang melekat di sana. Dengan membuat LED pada siklus tugas yang lebih rendah, Anda secara efektif menurunkan arus rata-rata. Jika Anda hanya mengurangi resistor pembatas arus Anda untuk memungkinkan lebih banyak arus mengalir, dan tidak mengubah siklus tugas, kecerahan akan meningkat. Dengan demikian, perubahan kecerahan akan menjadi fungsi dari arus dan perubahan dalam siklus tugas .

Anda dapat menghitung kecerahan baru sebagai:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

atau dengan kata lain

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

Karena Anda menurunkan siklus tugas PWM tetapi menaikkan arus, yang baru PWM Duty Cycleharus kurang dari 1 tetapi lebih besar dari 0 (secara implisit mengonversikannya dari persentase ke desimal), dan rasio pada saat ini harus menjadi angka positif lebih besar dari 1.

Jadi, jika Anda membagi dua siklus tugas tetapi mempertahankan arus rata-rata yang sama, kecerahan Anda tetap sama (dengan mengorbankan aliran arus sesaat yang lebih tinggi melalui LED Anda, yang mungkin tidak diinginkan).

Analisis yang sepenuhnya subjektif:

Dalam mencoba memaksimalkan output dari LED inframerah pada 38 kHz, saya bereksperimen dengan led merah terlihat 5 mm dengan nilai 3.500 mcd, 1,85 V @ 20mA (3,7 mW). Switching dilakukan dengan dua MOSFET 2N7000 secara paralel, dengan tegangan gerbang sekitar 3,0 V.

1 / Frekuensi = tepat waktu + tidak aktif

Saya memvariasikan waktu-waktu dari 10% hingga 50% sementara didukung pertama oleh 3,3 V kemudian 5,0 V. Kecerahan yang diamati meningkat dengan meningkatnya siklus tugas dan tegangan.

Ada peningkatan kecerahan yang terlihat menggunakan dua MOSFET lebih dari menggunakan satu, ditambah dua diperlukan pada 5.0 V mengingat jumlah panas yang dihasilkan ketika menggunakan hanya satu.

Tegangan dan arus LED terukur pada frekuensi dan siklus tugas ini tidak dapat diandalkan dengan DMM saya, tetapi berhasil mendapatkan satu pembacaan 2 Volts @ 120 mA (240 mW), meskipun demikian dengan butiran garam yang sangat besar.

Saya merasa nyaman menjalankan LED ini terus menerus tanpa batas pada 5 Volts dan 40% duty cycle @ 38 kHz. Pada siklus kerja 5 V dan 50%, mereka menjadi agak terlalu bakar untuk umur panjang.

Iya. Setelah LED cukup jauh (atau gambar yang terlihat tersumbat) variansnya mendekati noise, tidak. (Dan jangan pernah Shockley jika kebetulan Anda memiliki model mekanika kuantum yang sangat baik yang disertakan dalam specsheet!) Apakah tidak ada yang mengambil foto Anda dengan lampu kilat LED (mis. Kamera vintage 2006 atau lebih baru) aktif?