¿Pulsando un LED a una corriente más alta produce mayor brillo aparente?

Esta pregunta implica dos supuestos:

1. La frecuencia de un controlador LED conmutado es lo suficientemente alta como para que se pueda usar la potencia promedio, no la instantánea, para determinar la corriente máxima del variador.
2. El factor limitante que determina la corriente máxima en cualquier ciclo de trabajo es la disipación de potencia promedio.

Después de estos supuestos, es obvio que la corriente a través de un LED a la máxima disipación de potencia está inversamente relacionada con el ciclo de trabajo.

¿El brillo aparente (no necesariamente la luminosidad) aumenta, disminuye o no se ve afectado por la pulsación de un LED a mayor corriente y menor ciclo de trabajo?

No tengo en mente ningún LED o topología de controlador en particular, pero agradecería referencias a partes reales, hojas de datos o notas de aplicación. También me interesaría saber si esto varía entre los LED indicadores de baja potencia (por ejemplo, 20 mA) y los LED de iluminación de alta potencia y alto brillo.

He analizado esto con cierto detalle en el pasado mientras diseño luces con carga solar basadas en LED y, en general, estoy interesado en los LED.

En primer lugar, la percepción humana a potencia constante y pulsos de ciclo de trabajo variable. Un ciclo de trabajo del 10% supondría 10 veces la corriente al mismo voltaje para que esto se mantenga. Los LED reales tendrán voltajes directos algo más altos cuando la corriente se incremente en 10x, pero no en gran medida. Una prueba justa es probablemente Ipeak x time on = constant.

• En el pasado distante se alegó que la respuesta del ojo humano era tal que los LED pulsantes a potencia constante pero a ciclos de trabajo bajos producían un mayor brillo aparente. AFAIR la referencia estaba en un documento de HP.

• Recientemente he leído todo lo contrario de una fuente moderadamente autorizada pero no recordada.

Probablemente pueda encontrar el documento reciente, pero el HP se perderá en las brumas del tiempo. Sin embargo, creo que cualquier efecto fisiológico del éter es pequeño. Dado que necesita un cambio de 2: 1 en el brillo del LED para que sea notable cuando los LED se ven por separado (uno u otro pero no ambos juntos), las pequeñas diferencias ciertamente no serán notables. Donde, por ejemplo, dos linternas se iluminan una al lado de la otra en una escena general, de modo que se pueda hacer una comparación directa, es posible que necesite aproximadamente 1.5: 1+ diferencia antes de que la diferencia sea notable, esto depende en cierta medida del observador. Cuando se usan dos luces en el "lavado de paredes" en una pared lisa, pueden distinguirse diferencias de lado a lado de hasta aproximadamente el 20%.

En segundo lugar, brillo real.

¡Usando corriente media constante, la salida de luz total cae para la operación pulsada y es más baja para un ciclo de trabajo cada vez más bajo! ¡El efecto es aún peor para la potencia media constante!

Ambos efectos pueden verse claramente al examinar las hojas de datos de los LED de destino. Las curvas de salida luminosa por corriente están cerca de las líneas rectas pero se curvan hacia una salida decreciente por mA a medida que aumenta la corriente. es decir, duplicar la corriente no duplica la salida luminosa. Esta tasa de retorno decreciente se acelera a medida que aumenta la corriente. es decir, un LED que funciona muy por debajo de su corriente nominal produce más luz / mA que a la corriente nominal con una eficiencia creciente con una disminución de mA.

La salida (lumen) por vatio es incluso peor que el lumen por mA. A medida que aumenta el mA, Vf también aumenta, por lo que el producto Vf x I aumenta a una velocidad más rápida por lumen que solo yo. Entonces, una vez más, se alcanza el máximo lumen / vatio a baja mA en comparación con mA nominal y la eficiencia del lumen / vatio mejora con la disminución de la corriente.

Ambos efectos se pueden ver en los siguientes gráficos.

Estas curvas son para el totalmente maravilloso [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED mencionado a continuación. A pesar de que este LED tiene una potencia máxima de 60 mA y un máximo continuo de 50 mA, Nichia ha especificado amablemente su rendimiento de hasta 150 mA. La longevidad a estas corrientes "no está garantizada". Este es el LED más eficiente <= 50 mA disponible. Si alguien conoce a alguien con un nivel de potencia superior a 50 mA y en el mismo rango de precios, ¡por favor avise!

Uso el LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 en varios productos. Esto comenzó su vida como un LED de 30 mA, pero Nichia lo aumentó a 50 mA después de la prueba (con una vida útil reducida de 14,000 horas). A 50 mA entrega aproximadamente 120 l / W y a 20 mA aproximadamente 165 l / W. La última cifra lo coloca entre los mejores productos del mundo real disponibles, aunque las ofertas recientes ahora están excediendo este valor a corrientes muy por debajo de las clasificadas.

Un factor complicado es que los LED modernos de alta potencia a menudo están clasificados para valores de Iabsolute_max tal vez un 20% por encima de Imax_operating. es decir, no es posible operarlos en modo pulsado a menos de aproximadamente 90% del ciclo de trabajo y corriente media constante sin exceder sus corrientes máximas absolutas nominales. Esto no significa que no puedan ser pulsadas en muchas veces sus corrientes continuas máximas nominales (pregúnteme cómo lo sé :-)) solo que el fabricante no certifica los resultados. El LED Raijin es MUY brillante a 100 mA.

Caso especial.

Un área donde la pulsación a corrientes muy altas y ciclos de trabajo bajos puede tener sentido es donde el LED está clasificado para este tipo de trabajo y la salida luminosa instantánea (brillo) es más importante que el brillo medio. Un ejemplo comúnmente encontrado es en los controladores de infrarrojos (IR) donde el brillo de cada pulso individual es importante ya que se detectan pulsos individuales y el nivel medio es irrelevante. En tales casos, se pueden usar pulsos de 1 amp plus. La corriente limitante en tales casos puede ser la corriente de fusión del cable de enlace. El efecto en la matriz LED será un acortamiento de la vida útil, pero el fabricante lo permite (presumiblemente) en la especificación, y la vida útil total requerida generalmente es baja. (por ejemplo, un control remoto de TV que se usa para 0.

Mejora efectiva de la iluminancia de una fuente de luz mediante el uso de modulación de pulso y su efecto psicofísico en el ojo humano. Universidad EHIME 2008

Enddolith citó un artículo que afirmaba una ganancia visual verdadera sustancial bajo ciertas condiciones. Aquí hay una versión completa del documento de Jinno Motomura citado
[enlace actualizado 1/2016]

Afirman una ganancia de luz verdadera de hasta ~ 2: 1 (ya que los lúmenes se relacionan con la respuesta ocular) con un ciclo de trabajo del 5%, pero a pesar del gran cuidado que han tenido, existen algunas incertidumbres importantes al traducir esto a aplicaciones del mundo real.

• Parecen poner un énfasis muy alto en los tiempos de subida y caída rápidos. ¿Se cumplen cuando se iluminan escenas del mundo real? ¿Importa? ¿y hay ejemplos seleccionados donde funcionará mejor que otros?

• Esto está mirando directamente a los LED (¿con el buen ojo restante?) Y comparando el brillo aparente. ¿Cómo se traduce esto en niveles de luz que alcanzan al observador después de la reflexión de la escena?

• ¿Cómo se aplica esto cuando los LED se utilizan para iluminar objetivos? ¿Los niveles de luminancia promedio de un objetivo en comparación con la observación directa con LED van a afectar los resultados? ¿Por cuanto?

• Como modernos, por ejemplo, los LED blancos tienen Imax_max ~ = 110% de I_max_ continuo, y como este efecto parece depender de ~ 5% del ciclo de trabajo, ¿esto tiene alguna implicación para los LED similares del mundo real con grandes porcentajes de corriente nominal?

Parece que hay mucha desinformación en esta área. Algunos dicen que hay un efecto visual de que la luz pulsante se percibe más brillante que su nivel promedio. Por lo que puedo decir, hay un cierto desacuerdo sobre esto, pero se aplica a un parpadeo bastante lento, de modo que la persistencia de la visión lleva el brillo entre los pulsos. Esto está en el rango de unos pocos Hz a 10s bajos de Hz. No estoy seguro de que haya un consenso sobre si esto realmente se percibe como más brillante, o si solo se está llamando más la atención.

Parpadeo rápido de tal manera que la luz se ve estable (unos pocos 100 Hz) aparentemente no aumenta el brillo percibido. Lo que percibes es el brillo promedio. Eso significa que un LED de parpadeo rápido en realidad es menos brillante a la misma potencia promedio. El brillo del LED es aproximadamente proporcional a la corriente, pero una corriente más alta también causa una mayor caída de voltaje directo. 10 mA continuos y 20 mA al 50% a 1 kHz se verán bastante parecidos, pero este último requerirá más energía ya que la caída de voltaje a 20 mA será mayor que a 10 mA.

El brillo de los LED es principalmente proporcional a la corriente, pero no completamente. Por lo general, se cae un poco con la corriente, pero para la mayoría de los LED de tipo indicador, este efecto es tan pequeño que no se puede notar. Los humanos perciben la intensidad de la luz de forma logarítmica. Un factor de 2 parece un paso pequeño pero claramente notable. Es imposible notar el 10% excepto en comparación directa.

Los LED de alta potencia utilizados para la iluminación superan los límites de una manera diferente y exhiben más caída con una corriente más alta. La máxima eficiencia y el máximo brillo no son lo mismo. Esta diferencia es suficiente para importar en aplicaciones exigentes. Aquí es donde debe verificar cuidadosamente la hoja de datos del LED. Los LED de iluminación de alta potencia generalmente tienen cifras de brillo en función de la corriente, y verá esta cola un poco en el extremo superior. También tenga en cuenta que para esos LED la corriente máxima instantánea está más cerca del promedio máximo que para los LED indicadores pequeños. Mucho de esto tiene que ver con la temperatura y la gestión del calor.

Siempre he aprendido y estoy convencido de que la corriente del LED por encima de la nominal (a menudo alrededor de 20 mA para un LED común) causará una mayor luminosidad, pero menos que proporcional, y que no vale la pena hacerlo. Si este es el caso, el pulso no le dará más brillo. Supongamos un LED con 0,45 mcd a 10 mA y 0,9 mcd a 40 mA. Pulsada a 40 mA con un ciclo de trabajo del 25% dará una corriente promedio de 10 mA, y una luminosidad promedio de 0.225 mcd, eso es solo la mitad de la luminosidad que obtendríamos a 10 mA continuos.
No inventé estas cifras. Se pueden encontrar en la hoja de datos de Panasonic LN222RPX :

Quiero hacer dos notas aquí:

1. la mitad del valor parece una gran diferencia, pero tendrá que recordar que nuestro ojo percibe las intensidades de luz de forma logarítmica; si duplicar la intensidad es 1 paso, entonces la diferencia entre una habitación con poca luz (10 lux) y la luz solar brillante (100 000 lux) es solo 13 pasos. Un paso será menos notable de lo que sugieren los números.
2. También está el otro gráfico, corriente directa vs voltaje directo. Al igual que para cualquier otro diodo, el voltaje aumenta al aumentar la corriente. Eso significa que la disipación de energía en el LED aumentará más que proporcionalmente con el aumento de la corriente.

Si nos detenemos aquí, podríamos concluir que la corriente pulsada es peor que la corriente continua, en cuanto a luminosidad y potencia. ¡PERO!

Kevin vino con este gráfico de una hoja de datos de Kingbright :

¡Esa curva es malditamente recta! Para este LED (y otros de Kingbright que verifiqué) la luminosidad es perfectamente lineal con la corriente, por lo que la pulsación debería dar el mismo resultado que la corriente continua.

conclusión
Aparentemente, no todos los LED son iguales. Si bien no importa si pulsas o no para algunos LED, el pulso puede dar un peor rendimiento para otros. Sin embargo, no he encontrado LED donde el rendimiento aumenta al pulsar.

Suponiendo que un LED esté encendido durante una cantidad de tiempo constante, el brillo es proporcional a la corriente que fluye a través del diodo (ya sea lineal o exponencial). En aras de este argumento, supongamos que es lineal (necesita encontrar las características de voltaje vs. corriente de las hojas de datos del fabricante para determinar cuál será para su rango operativo particular).

Además, en aras de este argumento, supondré que la frecuencia PWM es lo suficientemente alta como para que no note ningún parpadeo visible en ningún ciclo de trabajo.

También puede alterar el brillo de un LED a una corriente constante variando el ciclo de trabajo. Una reducción del 50% en el ciclo de trabajo es una reducción del 50% en el brillo. Esto también significa que el LED solo está encendido durante la mitad del tiempo que estuvo, y suponiendo que su fuente de corriente / voltaje no se ve afectada por la carga / conmutación, la corriente promedio que usa el LED durante un intervalo dado también se reducirá a la mitad directamente.

¿El brillo aumenta, disminuye o no se ve afectado por la pulsación de un LED a mayor corriente y menor ciclo de trabajo?

Todo eso depende, ya que hay una contradicción inherente allí. Al pulsar el LED en un ciclo de trabajo más bajo, efectivamente reduce la corriente promedio. Si acaba de disminuir su resistencia limitadora de corriente para permitir que fluya más corriente, y no modificó el ciclo de trabajo, el brillo aumentaría. Por lo tanto, el cambio en el brillo sería una función tanto de la corriente como del cambio en el ciclo de trabajo .

Puede calcular el nuevo brillo como:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

o en otras palabras

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

Como está bajando el ciclo de trabajo PWM pero elevando la corriente, la nueva PWM Duty Cycledebería ser menor que 1 pero mayor que 0 (implícitamente convertirla de un porcentaje a decimal), y las relaciones en la corriente deberían ser un número positivo mayor que 1.

Por lo tanto, si reduce a la mitad el ciclo de trabajo pero mantiene la misma corriente promedio, su brillo sigue siendo el mismo (a expensas de un mayor flujo de corriente instantánea a través de su LED, lo que puede no ser deseable).

Un análisis completamente subjetivo:

Al intentar maximizar la salida de un LED infrarrojo a 38 kHz, experimenté con un LED rojo visible de 5 mm con capacidad nominal de 3500 mcd, 1.85 V @ 20 mA (3.7 mW). La conmutación se realizó con dos MOSFET 2N7000 en paralelo, con un voltaje de puerta de aproximadamente 3.0 V.

1 / Freq = tiempo de encendido + tiempo de apagado

Varié el tiempo de encendido del 10% al 50% mientras se alimentaba primero con 3,3 V y luego con 5,0 V. El brillo observado aumentó al aumentar el ciclo de trabajo y el voltaje.

Hubo un aumento notable del brillo usando dos MOSFET sobre el uso de uno, más dos fueron requeridos a 5.0 V dada la cantidad de calor generado cuando se usa solo uno.

Los voltajes y corrientes LED medidos a esta frecuencia y ciclo de trabajo no son confiables con mi DMM, pero lograron obtener una lectura de 2 voltios a 120 mA (240 mW), aunque tomé eso con un gran grano de sal.

Me siento cómodo con el funcionamiento continuo de estos LED de forma indefinida a 5 voltios y 40% de ciclo de trabajo a 38 kHz. Con un ciclo de trabajo de 5 V y 50%, se vuelven demasiado tostados para la longevidad.

Si. Una vez que el LED está lo suficientemente lejos (o la imagen aparente ocluida) que la variación cae cerca del ruido, no. (¡Y no importa Shockley si tiene un excelente modelo de mecánica cuántica incluido en la hoja de especificaciones!) ¿Nadie le ha tomado una foto con su flash LED (es decir, cámara vintage 2006 o posterior) activa?