Diseño de luz de freno con intensidad luminosa específica

Actualmente estoy diseñando una luz de freno para un automóvil Formula Student y estoy buscando soluciones existentes en el mercado para inspirarme.

Las dos soluciones específicas son this y this .
El LED que encontré adecuado es este .

Según mi investigación, estaba pensando en tener un convertidor reductor regulado que convirtiera de 12 voltios al voltaje directo de un LED (2,3 V en este caso) y ponerlos en paralelo entre sí. Al ser regulado el convertidor, mantendría ese voltaje para que no causara fugas térmicas, mientras mantiene un bajo consumo de energía. No me gustaría tener varios LED conectados en serie, porque si uno falla, varios fallarán.

Tengo problemas para encontrar una forma sencilla de calcular la salida de luz total de la luz de freno a partir de la intensidad luminosa de un solo LED y la forma en que se correlacionan entre sí.

¿Cómo afecta el hecho de tener varios LED uno al lado del otro a la salida de luz total? ¿Qué espacio y ángulo de visión serían los óptimos? ¿Necesito una lente encima de estos LED? ¿Existen mejores opciones?

¿Cómo debo abordar esta pregunta de diseño cuyo objetivo es lograr una salida de luz similar a las que enumeré anteriormente?

Además, el tamaño de la bombilla de los LED en los ejemplos enumerados parece ser de 9,5 y 6,8 mm respectivamente.

¿Necesita los dos niveles de brillo: lluvia y freno? ¿Es esto posible con el led que has elegido?
Si bien esta no es una mala pregunta, en realidad son muchas preguntas juntas, y algunas de ellas realmente no son ingeniería eléctrica (ángulo de visión, lentes, etc.), lo que hace que todo sea demasiado amplio. Le sugiero que lo reduzca un poco y/o lo divida en múltiples preguntas específicas.
Hice una luz de freno LED para una motocicleta. Todo lo que puedo decir es que se esperan varios cambios de ingeniería. Prueba y vuelve a probar. Cada LED es diferente. Lo que puede parecer hermoso en un banco, puede ser deslumbrantemente brillante por la noche.
@brhans, ¿dónde sugiere que publique una pregunta sobre los ángulos de visión y las lentes, tal vez física ?
@rdtsc el automóvil solo se usará durante el día, por lo que cegar por la noche no es realmente un problema, aunque quiero limitarlo a un máximo de 300 cd, que es el valor máximo en América del Norte, pero la regulación de la ONU es aún menor. 185 discos compactos. La regulación en las reglas de competencia solo establece que tiene que ser claramente visible durante el día desde atrás, aunque me gustaría que sea similar a los productos existentes en términos de capacidad.
@SolarMike Funcionaría solo como una luz de freno, por lo que solo tiene que activarse si el interruptor del sensor de presión del freno está encendido.
@domenix, los dos ejemplos que proporcionaste tenían esa funcionalidad, pero el LED no, así que solo preguntaba si sabías lo que estabas haciendo, es decir, lo que realmente querías...
No, no lo hago, de ahí la pregunta. La luz debe contener múltiples LED rojos que tengan una alta intensidad luminosa, al menos ese es el objetivo. Por favor, ilumíneme de qué manera este modelo no es adecuado para esta aplicación, o si hay un mejor LED que podría usarse.
Si considera que el crepúsculo frente a la puesta de sol es el más difícil de ver un crepúsculo y desea conservar energía para conducir de noche, un fotodiodo podría fácilmente atenuar PWM o ajustar CC ref. , los LED pueden ser bastante brillantes con una reducción de energía del 50% si usa una luz trasera de automóvil y necesita conservar la energía de la batería.
Me acabo de encontrar con este controlador LED hecho especialmente para luces de freno: puede acomodar luces traseras y de freno. Tiene ocho salidas de hasta 100 mA. Uno de estos podría brindarle una salida de hasta 128 cd con sus LED de 3.2 cd. Puede manejar hasta 40 LED. onsemi.com/pub/Collateral/NCV7681-D.PDF

Respuestas (3)

Simplemente agregue la salida de cada LED para obtener la salida total.
La distancia entre los LED tendrá un efecto insignificante.

Un aspecto confuso de los ángulos utilizados en las mediciones ópticas es el "ángulo de visión" de la candela (intensidad luminosa) y el ángulo en el que viaja la luz (luminancia).

Por ejemplo, usemos el LED que seleccionó.
El Kingsbright LED tiene un ángulo de visión de 70°.

A una distancia de 20 pies, la posición del LED es intrascendente. Si el LED se colocara 1 pulgada por encima, dentro de la lámpara de freno, el punto C también se movería 1 pulgada.

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Solo directamente detrás a 0° se verá el LED con una iluminancia del 100 %.
A medida que aumenta el ángulo, la iluminancia disminuye.

Creé una aplicación web que muestra la iluminancia/irradiancia relativa entre varios LED. Aplicación web Angle Irradiance
Esto compara el ángulo de irradiación con un LED orientado hacia el lado sembrado y el otro hacia arriba.
Compare SSL 80, SSL 120 y SSL 150. Estos son LED OSRAM Oslon SSL.

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En la hoja de datos hay un gráfico que muestra la intensidad (candela) con respecto al ángulo de visión. El área resaltada es el 70° (±35°) que se incluye en los 3,2 cd (3200 mcd) especificados.

Este gráfico muestra para cada ángulo cuál es la iluminancia relativa.
Por ejemplo , a 20°, la iluminancia se reduce al 70% en comparación con 0°.

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El ángulo aquí muestra que la iluminancia disminuye a medida que aumenta el ángulo.

Lo que dice este ejemplo de 0° frente a 20° si estuviera 20' directamente detrás de la luz de freno (a 0°, punto B) y un medidor de luz indicara 100 lux si se movió 7,3' a la izquierda o a la derecha (20° , punto C) el luxómetro debe indicar 70 lux según el cuadro anterior.

Este ángulo no tiene nada que ver con el ángulo de visión especificado para la intensidad luminosa.

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Comparación de los dos productos que vinculaste

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No es sencillo comparar dos LED cuando tiene las especificaciones adecuadas. El problema aquí es que los autores de las especificaciones no entienden la fotónica.

Uno es 250,000 mcd a 0° y 200,000 mcd a 10° para los 15 LED

El problema aquí es que la candela es una medida de lúmenes (lm) por estereorradián (sr). Donde un estereorradián es la cantidad de luz dentro de un cono de un ángulo específico.

Este ángulo de visión de candela del cono no tiene nada que ver con el gráfico de "ángulo fuera del eje" que se muestra arriba.

No existe un estereorradián de 0°. Tiene cero luz. Si tuviera que convertir candelas, con un ángulo de visión de 0°, a lúmenes, el resultado sería cero lúmenes.

Ejemplo de un estereorradián
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Este producto proporciona la especificación para cada LED de 5700 mcd a 30 ° para un total de 102 600 mcd para los 18 LED a 30 °.

Lo problemático es donde dice este:

Salida de luz más alta disponible, supera los 900,000 mcd en pruebas de medidor de luz.

El problema es que un medidor de luz mide en lux (luminancia) que depende de la distancia, por lo que esta especificación no tiene sentido. La distancia de la medición de la iluminancia es muy importante ya que la iluminancia (lux) está sujeta a la Ley del Inverso del Cuadrado .
Tengo una aplicación que convierte lux en función de la distancia:
Aplicación de la ley del cuadrado inverso

Puedo comparar este 5700 mcd a 30° con su Kingsbright 3200 mcd a 70°

5700 mcd a 30° = 1,2 lm
3200 mcd a 70° = 3,6 lm
Fuente: Rapid Tables convertidor de cd a lm en línea
NOTA: los lúmenes son una medida de la luz total emitida por un LED en todas las direcciones. Candela mide solo la luz dentro del cono.

Tengo una explicación muy detallada sobre la comparación de los LED en esta respuesta que escribí hoy: Forma económica de encender el LED azul en la celda de moneda

El 5700 mcd a 30° no especifica la longitud de onda, por lo que no puedo estimar la diferencia en función de la eficacia luminosa fotópica de la curva de sensibilidad relativa del observador estándar CIE

Al mirar las fotos de estos productos, parece que son más rojos anaranjados que rojos. Cuando se especifica el color rojo, la longitud de onda puede variar entre 620 nm y 660 nm.

Aquí convertí la longitud de onda a RGB usando los estándares CIE.

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Fuente: conversiones de longitud de onda radioimética, fotomética y cuántica

Ambas hojas de especificaciones son bastante claras para mí. Especificar Cd en varios ángulos es la única forma sensata de especificar el patrón del LED. Puede estar confundiendo a 30 grados con más de 30 grados... La intensidad se mide sobre un ángulo sólido infinitesimal, en alguna posición.
@tomnexus ¿En serio? ¿Es sensato cd @ 0°? No estoy confundiendo nada, 30° es 30°, no "más de 30°". ¿Qué es un ángulo sólido "infinitesimal"? cero grados? 0° no tiene sentido. ¿Cómo se miden 900.000 mcd con un luxómetro? Ambas hojas de datos del producto son erróneas. Si te quedan claros es porque no entiendes lo suficiente las medidas fotométricas como para ver los errores. Para obtener más información, consulte mi respuesta en electronics.stackexchange.com/questions/400835/…
Si eliges. Diseño de lente para 10 Cd a 1 m con un ancho de haz de 15 grados, ¿por qué querrías medir lúmenes en un cono de 1 radian, cuando la luz no llena un cono? > @tomnexus
Considere cómo especificaría la intensidad luminosa en el centro del haz. Diría x Cd en el ángulo de posición 0 grados. Si por alguna razón no le gusta el número cero, asígnele un nombre como "el medio" o "agujero"; no cambia la intensidad. Entonces, ¿en el borde de la viga? Esto sería y Cd en el ángulo z. Haría un gráfico, y usted incluyó uno. Entonces, en cada pequeña parte de su haz, el LED tiene una intensidad luminosa diferente. La primera hoja de datos que cita claramente lo da en dos puntos: el medio y el borde, a 10 grados de distancia. Eso es todo lo que significan los números.
@tomnexus No usa el término intensidad luminosa para medir el centro del haz. La intensidad luminosa es una medida de la cantidad de fotones (flujo) dentro del cono especificado. Candela siempre se especifica con un ángulo y el ángulo debe ser mayor que cero. A lo que te refieres es a la iluminancia que se mide en lux y no en cd. Puede medir el lux a 0°. Pero no se puede medir cd a 0°. No puede calcular lux desde cd. Más fácil de medir lux con un medidor. Puede estimar lux de cd. Puede aprender cómo hacerlo aquí: intl-lighttech.com/ilt-light-measurement-tutorial
¿Puede el votante negativo explicar qué está mal con esta respuesta? Esto es exactamente lo que estaba buscando.
Soy franco en este sitio. Si veo una respuesta incorrecta, publicaré un comentario para corregirla. A algunos usuarios no les gusta que los corrijan. Hay al menos un usuario que siempre vota negativamente todas mis respuestas. Pasé 8 horas escribiendo esto antes de responder el tuyo. También fue rechazado: electronics.stackexchange.com/questions/400835/…
@tomnexus Traté de aclarar la explicación de la intensidad luminosa (ángulo del cono de la candela) frente al ángulo en el que la luz viaja hacia el ojo (iluminancia).
@Misunderstood Actualmente estoy investigando la sensibilidad relativa para el observador estándar y, si entiendo bien, si prefiero usar LED de 660 nm en lugar de 630 nm, para lograr el mismo brillo percibido, necesitaría aproximadamente 4 veces más ¿LED? Creo que podría optar por LED de 630 nm, aunque hubiera preferido el rojo profundo verdadero si este fuera el caso.

En primer lugar, los LED de potencia están obligados a ser alimentados por una fuente de corriente constante. La paralación directa de LED también es una mala idea. A menos que coloque cada LED con un controlador o resistencia CC (cuando use una resistencia, debe limitar la corriente muy por debajo del máximo), es mejor poner algunos en serie. La posibilidad de falla del LED es extremadamente baja si los maneja correctamente. En una conexión en serie, cada miembro del circuito recibe la misma corriente y alivia la diferencia de voltaje como lo ve un controlador de modo de conmutación. Puede usar un controlador de corriente en modo histéresis diseñado específicamente para LED.

Module el brillo del LED aplicando PWM >4KHz a través del control del chip o ajuste la retroalimentación actual de alguna manera. Use LED potentes más potentes de lo que necesita para que pueda ajustar el brillo.

Los chips LED suelen ser muy amplios por defecto. Algunos tipos vienen preinstalados con lentes, por lo que son más angostos. Si tiene regulaciones específicas que requieren un brillo específico o un ángulo específico, háganoslo saber.

EDITAR: Habiendo visto los 2 enlaces proporcionados por usted, creo que son LED de 10 mm. https://cdn.solarbotics.com/products/photos/e8bdbcc82c6ba23a4476b929e30dd0c4/ubled10-img_0116.JPG

Ah otra cosa Si decide utilizar un enfoque de resistencia, su voltaje de accionamiento debe ser un orden más alto que el LED Vf. Digamos que si su LED Vf es de 2.3V, no conduzca desde una fuente de 2.5, 3V, 3.3V. Conduzca desde 5 V o más a través de una resistencia en su lugar. Esto se debe a que los LED modernos son sensibles a los cambios mínimos, por lo que la luz puede parpadear si el voltaje de la unidad está demasiado cerca.

Cuando escribió "Es mejor poner algunos en serie", ¿quiso decir que es mejor tener cadenas paralelas de LED en serie, de modo que si una falla, solo falla esa cadena y el resto sigue funcionando?
Hola Bueno, en primer lugar, no debería preocuparse en absoluto por la falla del LED. Es extremadamente raro siempre que los maneje correctamente (esto incluye el disipador de calor si se calientan) y especialmente si tiene una fuente de piezas de buena reputación como digikey. Entiendo que su objetivo es hacer que el diseño sea confiable, pero la falla espontánea del LED generalmente no se tiene en cuenta en el diseño. Dado que probablemente conducirá todos los LED de 12 V, no puede hacer que todos vayan en serie, por lo que tiene que estar en parte en serie y en parte en paralelo. (Rebajalos también si no te sientes completamente seguro).
Por qué maneja los LED con corriente constante: electronics.stackexchange.com/questions/298564/… y maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3256 . Tenga en cuenta que si conecta dos LED en paralelo, el que esté más caliente querrá "robar" la corriente del otro, lo que lo hace aún más cálido. Cada vez que tenga diodos con polarización directa (como los LED), debe hacer cosas especiales para que se comporten en paralelo; conectarlos en serie (si es posible) resuelve los problemas automáticamente.

1). Debe familiarizarse con las especificaciones LED.
2) Luego, finalmente, después de aprender un poco, es posible que prefiera los beneficios de los años-hombre de I + D y elija las mejores luces traseras que se ajusten al diseño de su superficie o modifique para adaptarse. Tus elecciones son de aficionado. Elija entre Buick, Lexus, Mercedes, BMW, etc. Audi fue el primero en usar LED hace más de 10 años. Vaya a un camión de auxilio de autos pick-a-part. Investigue un poco sobre la lente, el accesorio y la electrónica. Tienes mucho que aprender.

Brillo a distancia.

Indicadores:

= luz directa; Generalmente milicandela o [mcd] o candela [cd] es la intensidad luminosa observada.

Esta atenuación de una fuente puntual por la distancia al cuadrado en relación con la medida estándar.

Iluminadores: (por ejemplo, faros)

= luz indirecta reflejada; Generalmente se mide en lúmenes totales de salida de luz en todas las direcciones donde el ancho del haz afecta el mcd o el brillo aparente.

  • La unidad de lumen no es útil para las luces traseras.

Iluminancia: [Lux o potencia de vela]

  • El método preferido para verificar una Luminaria (lámpara).
  • mida con un sensor de luz calibrado en Lux a una distancia específica como 1 m sin luz ambiental.
    • También puede usar una cámara vieja de 35 mm para obtener mediciones relativas o un detector de luz de 5 mm con corrección CIE de Panasonic económico con un registro 'L05 y una batería de 9 V, por unos pocos dólares y luego calibrar con un medidor de lux usando un DVM en V CC con una escala logarítmica de expansión 4 décadas.
    • también puede simplemente comparar la intensidad de la luz trasera/de freno del automóvil en incrementos de 5 grados a una distancia exacta de 1 m o más para obtener resultados de iluminación relativamente buenos
    • si usa los ejemplos en su pregunta, estos son diseños de novatos.

Sistema de unidades Unidad derivada del SI Unidad de flujo luminoso Símbolo lm . (Sin gorra.) 

conversiones de unidades

El lumen se define en relación a la candela como

1 lm = 1 cd ⋅ señor.

  • Un estereorradián también es igual al área esférica de un polígono que tiene un ángulo en exceso de 1 radian, a 1/4π de una esfera completa , o a (180°/π)^2 ≈ 3282.80635 grados cuadrados. . Ref Wiki

Hay algunas advertencias sobre la agudeza y el brillo aparente o la emitancia que debe ser lo suficientemente grande como para exceder la resolución de la retina. Por lo tanto, el área más grande puede ser más tenue para la misma potencia óptica pero con una mejor agudeza visual desde el rango más largo visible. Pero no necesita luces de pista, luces delanteras, solo luces traseras y de freno.

La geometría de los automóviles modernos tiende a expandir el área aparente con una lente Fresnel escalonada, pero aún así tienen un ancho de haz estrecho con menos pérdida. Busque estos, ya que son ideales.

El color que desea es probablemente el ROJO de alta eficiencia, que es dominante en 630 nm, o nmD, que es la longitud de onda corregida por el ojo frente al verdadero rojo profundo de 660 nm, que se ve mejor pero requiere más potencia para el mismo brillo.

El ángulo del haz es importante para tener en cuenta lo que necesitas. Si reduce el ángulo a la mitad, el brillo no se duplica debido a la pérdida de la lente, pero esta es mi regla general.

  • x2 -10 % de cambio de intensidad por cada 1/2 de reducción en el ancho del haz del aumento de la lente, medido a la mitad del ángulo de potencia. 30 ° es común, también 15 °, mientras que SMD sin lente tiene un gran angular, por lo que no hay ganancia de lente [en mcd o cd]. (Similar a la ganancia de antena frente al ángulo de diversidad o ancho de haz de 1/2 potencia)

Pero sus especificaciones de potencia son fundamentales para este requisito de intensidad luminosa.

Solía ​​vender solo los mejores LED de 5 mm y eran el doble de brillantes que los que se usan aquí con 30 ° Kingbright, cuando se normaliza mcd / mW y todavía me quedan toneladas. Cuestan mucho más que el contenedor abierto, pero mucho más baratos que estos ensamblajes de epoxi aficionados en sus enlaces.

Para PS, debe especificar el rango Vin y la potencia de salida y la eficiencia deseadas. Podría considerar un regulador Boost del 98% con corriente constante en lugar de un regulador Buck del 92%, las opciones son muchas, pero ¿quieres fabricar o comprar?

La intensidad a distancia es la iluminancia medida en lux (lm/m²/s) incidente sobre una superficie. Candela (intensidad) es el flujo dentro de un cono estereorradián por unidad de tiempo. cd= lm/sr. Buena respuesta en general. También prefiero el rojo intenso de 660 nm, especialmente para frenos, vehículos de emergencia y luces navideñas. Y plantas en crecimiento.