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

Ich habe mich in der Vergangenheit ausführlich damit befasst, da ich LED-basierte, solarbetriebene Leuchten entwerfe und mich allgemein für LEDs interessiere.

Erstens die menschliche Wahrnehmung bei konstanter Leistung und Impulsen mit variablem Arbeitszyklus. Eine Einschaltdauer von beispielsweise 10% würde bei derselben Spannung zu einem 10-fachen Strom führen, damit dies beibehalten wird. Echte LEDs haben etwas höhere Durchlassspannungen, wenn der Strom um das 10-fache erhöht wird, aber nicht sehr stark. Ein fairer Test ist wahrscheinlich Ipeak x Einschaltdauer = konstant.

• In der fernen Vergangenheit wurde behauptet, dass die Reaktion des menschlichen Auges so war, dass das Pulsen von LEDs mit konstanter Leistung, aber bei niedrigen Arbeitszyklen zu einer größeren scheinbaren Helligkeit führte. AFAIR war die Referenz in einem HP-Dokument.

• Erst kürzlich habe ich aus einer mäßig maßgeblichen, aber unbekannten Quelle genau das Gegenteil gelesen.

Ich kann wahrscheinlich das aktuelle Dokument finden, aber das von HP wird im Laufe der Zeit verloren gehen. Ich glaube jedoch, dass jede physiologische Wirkung auf Ätherweg gering ist. Angesichts der Tatsache, dass Sie eine Änderung der LED-Helligkeit von etwa 2: 1 benötigen, damit es wahrnehmbar ist, wenn LEDs separat betrachtet werden (eine oder andere, aber nicht beide zusammen), werden kleine Unterschiede sicherlich nicht wahrnehmbar sein. Wenn z. B. zwei Taschenlampen nebeneinander auf eine allgemeine Szene gerichtet werden, damit ein direkter Vergleich möglich ist, benötigen Sie möglicherweise einen Unterschied von etwa 1,5:1+, bevor der Unterschied wahrnehmbar ist - dies hängt etwas vom Betrachter ab. Beim „Wallwashing“ zweier Leuchten an einer glatten Wand können Unterschiede von bis zu ca. 20 % nebeneinander erkennbar sein.

Zweitens - tatsächliche Helligkeit.

Bei konstantem Mittelstrom sinkt die Gesamtlichtleistung bei gepulstem Betrieb und wird bei zunehmend niedriger Einschaltdauer geringer! Bei konstanter mittlerer Leistung ist der Effekt noch schlimmer !!

Beide Effekte lassen sich deutlich erkennen, wenn man die Datenblätter der Ziel-LEDs untersucht. Die Kurven der Lichtausbeute pro Strom sind nahezu geraden Linien, neigen sich jedoch mit zunehmendem Strom zu einer abnehmenden Ausgabe pro mA. dh die Verdopplung des Stroms verdoppelt die Lichtleistung nicht ganz. Diese abnehmende Rückflussrate beschleunigt sich, wenn der Strom zunimmt. dh eine LED, die deutlich unter ihrem Nennstrom betrieben wird, erzeugt bei steigender Effizienz mit abnehmendem mA mehr Lumen/mA als bei Nennstrom.

Die Leistung (Lumen) pro Watt ist sogar noch schlechter als Lumen pro mA. Wenn mA ansteigt, steigt auch Vf, sodass das Vf x I-Produkt pro Lumen schneller ansteigt als nur I. Auch hier wird das Maximum an Lumen/Watt bei niedrigem mA im Vergleich zum Nenn-mA erreicht und die Lumen/Watt-Effizienz verbessert sich mit abnehmendem Strom.

Diese beiden Effekte sind in den folgenden Diagrammen zu sehen.

Diese Kurven sind für die absolut wunderbare [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED, die unten erwähnt wird. Obwohl diese LED auf 60 mA absolutes Maximum und 50 mA kontinuierliches Maximum ausgelegt ist, hat Nichia ihre Leistung freundlicherweise auf bis zu 150 mA spezifiziert. Langlebigkeit bei diesen Strömen ist "nicht garantiert". Dies ist ungefähr die effizienteste verfügbare <= 50-mA-LED. Wenn jemand einen mit einem überlegenen l/W bei 50 mA und in der gleichen Preisklasse kennt, bitte beraten!

Ich verwende die Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 LED in mehreren Produkten. Diese begann als 30-mA-LED, wurde aber nach Tests von Nichia auf 50 mA hochgestuft (mit einer reduzierten Lebensdauer von 14.000 Stunden). Bei 50 mA liefert er ca. 120 l/W und bei 20 mA ca. 165 l/W. Die letztgenannte Zahl macht ihn zu einem der besten realen Produkte auf dem Markt, obwohl neuere Angebote diesen Wert jetzt weit unter den Nennströmen übertreffen.

Ein erschwerender Faktor ist, dass moderne Hochleistungs-LEDs oft für Iabsolute_max-Werte ausgelegt sind, die vielleicht 20 % über Imax_operating liegen. dh es ist nicht möglich, sie in einem gepulsten Modus bei weniger als etwa 90 % Einschaltdauer und konstantem mittleren Strom zu betreiben, ohne ihre absoluten Nennströme zu überschreiten. Dies bedeutet nicht, dass sie nicht mit einem Vielfachen ihrer maximalen Nenndauerströme gepulst werden können (fragen Sie mich, woher ich das 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 Pulsen bei sehr hohen Strömen und niedrigen Arbeitszyklen sinnvoll sein kann, ist dort, wo die LED für diese Art von Last ausgelegt ist und die momentane Lichtleistung (Helligkeit) wichtiger ist als die mittlere Helligkeit. Ein häufig anzutreffendes Beispiel sind Infrarot (IR)-Steuerungen, 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 oder mehr verwendet werden. Der begrenzende Strom kann in solchen Fällen der Bonddraht-Schmelzstrom sein. Die Auswirkung auf den LED-Chip wird eine Verkürzung der Lebensdauer sein, aber dies wird (vermutlich) vom Hersteller in der Spezifikation zugelassen – und die erforderliche Gesamtbetriebslebensdauer ist normalerweise gering. (z. B. eine TV-Fernbedienung, die für 0.

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 erheblichen echten visuellen Gewinn behauptete. Hier ist eine vollständige Version des zitierten Artikels von Jinno Motomura
[Link aktualisiert 1/2016]

Sie behaupten einen echten Lumengewinn von bis zu ~ 2:1 (da sich Lumen auf die Augenreaktion beziehen) bei 5 % Einschaltdauer, aber trotz der großen Sorgfalt, die sie darauf verwendet haben, gibt es einige große Unsicherheiten, wenn sie dies auf Anwendungen in der realen Welt übertragen.

• Sie scheinen sehr viel Wert auf schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten zu legen. Werden diese bei der Beleuchtung realer Szenen erfüllt, spielt es eine Rolle? und gibt es ausgewählte Beispiele, wo es besser funktioniert als andere?

• Dies betrachtet LEDs direkt (mit verbleibendem gutem Auge?) Und vergleicht die scheinbare Helligkeit. Wie lässt sich dies auf Lichtpegel übertragen, die den Beobachter nach der Szenenreflexion erreichen?

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

• Da moderne z. B. weiße LEDs Imax_max ~= 110 % von I_max_ kontinuierlich haben und dieser Effekt von ~ 5 % Einschaltdauer abzuhängen scheint, hat dies irgendwelche 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 als sein durchschnittliches Niveau wahrgenommen wird. Soweit ich das beurteilen kann, gibt es einige Meinungsverschiedenheiten darüber, aber es gilt für eher langsames Blinken, so dass die Persistenz des Sehens die Helligkeit zwischen den Impulsen trägt. Dies liegt im Bereich von wenigen Hz bis zu niedrigen 10 Hz. Ich bin mir nicht sicher, ob es einen Konsens darüber gibt, ob dies wirklich als heller empfunden wird oder ob es nur mehr Aufmerksamkeit erregt.

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

Die Helligkeit von LEDs ist größtenteils proportional zum Strom, aber nicht vollständig. Normalerweise fällt er bei Strom etwas ab, aber bei den meisten Anzeige-LEDs ist dieser Effekt so gering, dass er nicht wahrnehmbar ist. 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, stoßen auf andere Weise an ihre Grenzen und weisen bei höherem Strom einen stärkeren Abfall auf. Maximale Effizienz und maximale Helligkeit sind nicht dasselbe. Dieser Unterschied reicht aus, um in anspruchsvollen Anwendungen eine Rolle zu spielen. Hier müssen Sie das LED-Datenblatt sorgfältig prüfen. Hochleistungsbeleuchtungs-LEDs haben normalerweise Werte für die Helligkeit als Funktion des Stroms, und Sie werden sehen, dass dieser Schwanz am oberen Ende etwas abfällt. Beachten Sie auch, dass bei diesen LEDs der momentane maximale Strom näher am durchschnittlichen Maximum liegt als bei kleinen Anzeige-LEDs. Vieles davon hat mit Temperatur- und Wärmemanagement zu tun.

Ich habe immer gelernt und war überzeugt, dass ein LED-Strom über dem Nennwert (oft um die 20 mA für eine gewöhnliche LED) eine höhere Leuchtkraft verursacht, aber weniger als proportional, und dass es den Strom dafür nicht wert ist. Wenn dies der Fall ist, bringt Ihnen das Pulsen nicht mehr Helligkeit. Angenommen eine LED mit 0,45 mcd bei 10 mA und 0,9 mcd bei 40 mA. Bei 40 mA mit 25 % Einschaltdauer gepulst 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 kontinuierlich erhalten würden.
Ich habe diese Zahlen nicht erfunden. Sie finden sie im Datenblatt des Panasonic LN222RPX :

Ich möchte hier zwei Anmerkungen machen:

1. der halbe Wert scheint ein großer Unterschied zu sein, aber Sie müssen bedenken, dass unser Auge Lichtintensitäten logarithmisch wahrnimmt; Wenn die Verdoppelung der Intensität 1 Stufe beträgt, beträgt der Unterschied zwischen einem schwach beleuchteten Raum (10 Lux) und hellem Sonnenlicht (100 000 Lux) nur 13 Stufen. Ein Schritt wird weniger auffällig sein, als die Zahlen vermuten lassen.
2. Es gibt auch das andere Diagramm, Durchlassstrom vs. Durchlassspannung. Wie bei jeder anderen Diode steigt die Spannung mit steigendem Strom. Das bedeutet, dass die Verlustleistung in der LED mit steigendem Strom überproportional ansteigt.

Wenn wir hier aufhören, könnten wir schlussfolgern, dass gepulster Strom schlechter ist als kontinuierlicher Strom, sowohl in Bezug auf die Leuchtkraft als auch auf die Leistung. SONDERN!

Kevin kam mit diesem Diagramm aus einem Kingbright-Datenblatt :

Diese Kurve ist verdammt gerade! Für diese LED (und andere von Kingbright, die ich überprüft habe) ist die Leuchtkraft perfekt linear mit dem Strom, daher sollte das Pulsen das gleiche Ergebnis liefern wie der Dauerstrom.

Fazit
Anscheinend sind nicht alle LEDs gleich. Während es bei einigen LEDs keinen Unterschied macht, ob Sie pulsieren oder nicht, kann das Pulsen bei anderen eine schlechtere Leistung erbringen. Ich habe jedoch keine LEDs gefunden, bei denen die Leistung beim Pulsen zunimmt.

Angenommen, eine LED ist für eine konstante Zeit eingeschaltet, dann ist die Helligkeit proportional zum Strom, der durch die Diode fließt (entweder linear oder exponentiell). Nehmen wir für dieses Argument an, dass es linear ist (Sie müssen die Spannungs-Strom-Kennlinien aus den Datenblättern des Herstellers finden, um zu bestimmen, wie sie für Ihren speziellen Betriebsbereich sein werden).

Um dieses Arguments willen gehe ich außerdem davon aus, dass die PWM-Frequenz hoch genug 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 variieren. Eine Verringerung der Einschaltdauer um 50 % entspricht einer Verringerung der Helligkeit um 50 %. Dies bedeutet auch, dass die LED nur halb so lange eingeschaltet ist wie vorher, und unter der Annahme, dass Ihre Strom- / Spannungsquelle nicht durch Laden / Schalten beeinflusst wird, wird der durchschnittliche Strom, den die LED über ein bestimmtes Intervall verbraucht, ebenfalls direkt halbiert.

Wird die Helligkeit durch das Pulsen einer LED mit höherem Strom und niedrigerem Arbeitszyklus erhöht, verringert oder nicht beeinflusst?

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

Sie könnten 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, PWM Duty Cyclesollte der neue Wert kleiner als 1, aber größer als 0 sein (konvertieren Sie ihn implizit von einem Prozentsatz in einen Dezimalwert), und die Stromverhältnisse sollten eine positive Zahl größer als 1 sein.

Wenn Sie also die Einschaltdauer 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:

Bei dem Versuch, die Leistung einer Infrarot-LED bei 38 kHz zu maximieren, habe ich mit einer 5 mm sichtbaren roten LED mit einer Nennleistung von 3500 mcd, 1,85 V bei 20 mA (3,7 mW) experimentiert. Geschaltet wurde mit zwei parallel geschalteten 2N7000-MOSFETs mit einer Gate-Spannung von etwa 3,0 V.

1 / Freq = Einschaltzeit + Ausschaltzeit

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

Es gab eine merkliche Helligkeitssteigerung bei Verwendung von zwei MOSFETs gegenüber der Verwendung von einem, plus zwei waren bei 5,0 V erforderlich, angesichts der Menge an Wärme, die bei Verwendung von nur einem erzeugt wurde.

Gemessene LED-Spannungen und -Ströme bei dieser Frequenz und diesem Arbeitszyklus sind mit meinem DMM unzuverlässig, aber es gelang mir, einen Messwert von 2 Volt bei 120 mA (240 mW) zu erhalten, obwohl Sie das mit einem großen Salzkorn nehmen.

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

Ja. Sobald die LED weit genug entfernt ist (oder das scheinbare Bild verdeckt ist), dass die Abweichung in die Nähe des Rauschens fällt, nein. (Und egal, Shockley, wenn Sie zufällig ein exzellentes quantenmechanisches Modell im Datenblatt haben!) Hat niemand ein Foto von Ihnen mit aktivem LED-Blitz (dh Kamerajahrgang 2006 oder später) gemacht?