Wie vergleicht man die Helligkeit verschiedener Farb-LEDs (nicht RGB)?

Mehrere Faktoren machen den Vergleich der Helligkeit von LEDs nicht trivial.

Die Helligkeit einer Lichtquelle hängt von ihrem Spektrum ab.

Die vier verschiedenen Photorezeptoren im menschlichen Auge haben spezifische Empfindlichkeitskurven über die Wellenlänge, und insgesamt ist das menschliche Auge empfindlicher für grüne Wellenlängen als für rote oder blaue.

Wikipedia zeigt hier die spektrale Empfindlichkeit für das menschliche Auge:

Beachten Sie, dass zwei verschiedene Kurven gezeigt werden: Die grüne Kurve repräsentiert das skotopische Sehen, wenn das Auge an dunkle Bedingungen angepasst ist, und die schwarze Kurve repräsentiert das photopische Sehen, wenn das Auge an helle Bedingungen angepasst und empfindlicher für Farben ist.

Da die Candela eine photometrische Einheit ist, berücksichtigt sie diese spektrale Empfindlichkeit – photometrische Einheiten basieren auf dem Lichtstrom einer Lichtquelle, der durch Multiplikation des Leistungsspektrums einer Quelle mit einer Leuchtkraftfunktion bestimmt wird, die das Spektralspektrum des menschlichen Auges darstellt Empfindlichkeit und dann Integration, im Gegensatz zu radiometrischen Einheiten, die auf der gesamten Strahlungsleistung einer Lichtquelle basieren, die einfach das Integral des Leistungsspektrums ist.

Der Vergleich der Candela-Bewertungen sollte also Äpfel mit Äpfeln sein, aber wenn Sie sich das Diagramm noch einmal ansehen, beachten Sie, dass es mehr als eine schwarze Kurve gibt. Diese stellen unterschiedliche Kurven dar, die zu unterschiedlichen Zeiten erstellt wurden. Da es unterschiedliche Kurven gibt, sind photometrische Messungen nur dann direkt vergleichbar, wenn sie mit derselben Leuchtkraftfunktion erhalten wurden, und leider wird die verwendete spezifische Funktion nicht oft für Anzeige-LEDs angegeben (sie wird eher für Hochleistungs-LEDs angegeben, die zur Beleuchtung vorgesehen sind ). Aber für die meisten Zwecke werden die Zahlen für eine ungefähre Vorstellung nah genug sein.

Bei photometrischen Messungen müssen Winkel berücksichtigt werden

Insbesondere die Candela ist eine Einheit der Lichtstärke , das heißt, sie gibt einen bestimmten Lichtstrom (also die nach der Wellenlänge gewichtete Strahlungsenergie) innerhalb eines bestimmten Raumwinkels an. Es entspricht Lumen pro Steradiant. Dies bedeutet, dass die Emission einer bestimmten Lichtmenge über einen kleinen Bereich eine höhere Intensität in Candela erzeugt als die gleiche Lichtmenge, die über einen größeren Bereich emittiert wird. Das bedeutet auch, dass der Candela-Wert einer LED nur innerhalb eines bestimmten Winkels aussagekräftig ist. Wenn Sie also zwei LEDs mit der gleichen Wellenlänge und dem gleichen Candela-Wert, aber unterschiedlichen Betrachtungswinkeln haben, sollten sie bei direktem Einschalten gleich hell erscheinen, aber wenn Sie Ihren Betrachtungswinkel vergrößern, erscheint die mit dem schmaleren Betrachtungswinkel weniger hell als die breiter.

Darüber hinaus wird die Intensität nicht über den gesamten Betrachtungswinkel konstant sein, sie wird tendenziell in der Mitte am intensivsten sein und zu den Rändern des Betrachtungswinkels hin bis zu einem gewissen Grad abfallen.

Bei photometrischen Messungen müssen Flächen berücksichtigt werden

Die Helligkeit einer direkt betrachteten Lichtquelle hängt von der scheinbaren Größe dieser Lichtquelle ab. Eine bestimmte Lichtintensität, die von einer Punktquelle emittiert wird, erscheint heller als die gleiche Intensität, die von einem größeren Bereich emittiert wird, sodass eine klare LED tendenziell heller erscheint als eine ansonsten äquivalente diffuse LED. Die relevante photometrische Messung hier ist die Leuchtdichte, die die Einheiten Candela pro Quadratmeter verwendet, manchmal auch Nits genannt (die wiederum Lumen pro Steradiant pro Quadratmeter entsprechen. Photometrie kann kompliziert sein!).

Beachten Sie, dass die Leuchtdichte auch davon beeinflusst wird, wie die LED dem Benutzer präsentiert wird. Lichtleiter und Linsen ändern sowohl den Winkel als auch den scheinbaren Emissionsbereich.

Angaben müssen unter bekannten Bedingungen gemacht werden

Um die spezifizierte Leistung einer LED zu erhalten, muss sie unter denselben Bedingungen verwendet werden, unter denen sie spezifiziert wurde. Zwei LEDs mit derselben Candela-Bewertung wurden möglicherweise bei unterschiedlichen Betriebsströmen gemessen. Wenn Sie sie also beide mit demselben Strom betreiben, weisen sie eine unterschiedliche Leistung auf. Auch Temperatur und Alter spielen eine Rolle, aber Strom ist der Hauptfaktor. Beachten Sie, dass beim Ansteuern einer LED von einer konstanten Spannung (z. B. einem MCU-Pin oder ähnlichem) über einen Widerstand der Betriebsstrom von der Durchlassspannung der LED abhängt, die von der LED-Chemie abhängt. Zwei LEDs mit ähnlichen Spezifikationen, aber unterschiedlichen Zusammensetzungen erfordern also unterschiedliche Widerstände, um den gleichen Betriebsstrom zu erhalten. Dies ist ziemlich elementar, aber es ist leicht zu übersehen, wenn man LEDs ähnlicher Farbe vergleicht.

Die scheinbare Intensität wird am besten durch eine Breitband-Fotodiode beurteilt, die direkt auf die Achse mit dem LED-Achsenmittelpunkt gerichtet ist. Die Hersteller von LEDs wie OPTEK liefern verschiedene Parameter, um die Farbreinheit und Helligkeit in mcd zu beurteilen.

Die Helligkeit, die beim Blick in die Mitte mit einer Fotodiode beobachtet wird (nicht Ihre Augen, da einige LEDs intensiv genug sind, um die Netzhaut des Auges zu beschädigen), muss die Gesamthelligkeit enthalten, angegeben als mcd, die den Linsentyp und den Betrachtungswinkel berücksichtigt.

Beispielsweise stellt OPTEK eine hocheffiziente weiße LED (OVLEW1CB9) mit einem Helligkeitsniveau von intensiven 24000 mcd bei nur 20 mA Strom, 90 mA gepulst, her. Aber das ist mit einem wasserklaren Objektiv und einer knappen 15$^{o}$Blickwinkel. Diese LED eignet sich nur für Taschenlampen und Scheinwerfer, da sie für eine Leselampe viel zu grell ist. Erweitern Sie den Betrachtungswinkel und fügen Sie eine rauchige oder getönte Linse hinzu, und jetzt haben Sie eine LED, die viel angenehmer für die Augen ist. Aber das ist alles relativ.

Reinfarben-LEDs werden ständig verbessert. Samsung hat jetzt „Quantum-LEDs“, die näher an echtem Rot, Grün und Blau sein sollen, aber das Ziel ist, Laser-LEDs zur Norm zu machen, wo Farbreinheit obligatorisch ist, was Fernseher und Monitore bedeutet.

Ein kalibriertes Kolorometer würde keine genauen Messwerte liefern, wenn es nicht auf die Mitte des LED-Betrachtungswinkels fokussiert wäre. Wie das Auge Farben wahrnimmt, ist nicht linear und auch relativ, daher verwenden diese LED-Hersteller teure Farbmessgeräte in Laborqualität aus vielen Blickwinkeln, um ihre Datenblätter zusammenzustellen.

Wie die Augen Farbe und Helligkeit sehen, zählt im Labor nicht, das ist eine Frage des Marketings. Man kann nur sagen, dass ein hoher mcd-Wert eine helle LED bedeutet, aber hängt die Helligkeit vom Ansteuerstrom, dem Linsentyp, der Farbreinheit oder dem Betrachtungswinkel ab? Es sind alle 4 dieser Parameter, also ist es überhaupt nicht genau, nur einen auszuwählen, um die wahre Helligkeit einer LED zu beurteilen.

Die Spannung der LED hängt von der Art des Halbleitermaterials ab, das für die Konstruktion verwendet wird:

Und dieser Aufbau bestimmt auch die Wellenlänge seines Bandes. Beispielsweise hat ein 840-940-nm-Material einen ungefähren Spannungsabfall von 1,2 V. Dieser Spannungsabfall beträgt jedoch niemals 1,2 V, wenn Sie ein hochkantiges Multimeter verwenden, z. B. eines mit einer Anzeigezahl von mehr als 20000 .

Sie können die Spannungsfunktion verwenden, um die Helligkeit und den Zusammenhang zwischen Helligkeit, Spannung und Wellenlänge zu erkennen. Diese Spektrentabelle hilft natürlich weiter: und

Sie müssen auch einen Arduino oder Raspberry Pi verwenden, um die Spannung zu lesen und Logik dahinter zu machen. Auch diese beiden Dokumente von UCI und ACS werden Ihnen helfen, die Beziehung herzustellen: UCI: Licht emittierende Dioden , ACS