Energía mínima requerida para que el parpadeo del LED sea visible

Tengo un esquema de 5V con un capacitor de 15n y me pregunto si podré hacer parpadear un LED alimentado por este capacitor. Mis cálculos son que el condensador tendrá alrededor de 0,2 uJ de energía. Esto podría convertirlo en aproximadamente 100 uSecs de 300 uA de corriente.

Entonces las preguntas son:

  1. ¿Cuál es la energía mínima (energía, no potencia, ya que necesito tener un parpadeo visible, no una luz constante) necesaria para que el parpadeo del LED sea visible en circunstancias ordinarias de oficina (OK, cubriré el LED con la palma de la mano para evitar la exposición directa a la luz: -D)?
  2. ¿Es importante cómo voy a distribuir esta energía en el tiempo?
  3. ¿Hay alguna diferencia de color (tal vez haya alguna diferencia en la respuesta del ojo humano)?
Para ver un LED, generalmente necesita algo del orden de decenas de miliamperios durante decenas de milisegundos, eso es 4 órdenes de magnitud más de lo que dice que puede suministrar.
votando a favor ya que es una de las pocas preguntas que he visto donde el OP entiende la diferencia entre energía y potencia. El verde es la respuesta ocular máxima, pero no necesariamente el LED con la mayor cantidad de lúmenes/mW. Los fotómetros de parpadeo parecen sugerir que todos los pulsos < 10 mS son equivalentes, pero podría estar interpretándolo incorrectamente, intente buscar ese término.
No está directamente relacionado, pero vi un informe experimental hace varios años que la respuesta visual humana de energía más baja (en una habitación "perfectamente negra") fue lograda por un sujeto de prueba que podía notar de manera confiable una emisión de solo (IIRC) 3 fotones de luz roja. La aplicabilidad aquí, en mi opinión, es que energía por energía, con una eficiencia similar, un LED rojo probablemente le dará la detección más confiable. Dicho esto, el umbral de detección absoluto depende del ser humano individual y depende en gran medida del brillo, la uniformidad y el balance de color de la luz ambiental.
@JanDorniak: Eso es un poco pesimista. Hay muchos LED de alta eficiencia que producen una cantidad muy notable de luz con menos de 1 mA. Y un destello de 1 ms o menos sigue siendo muy visible. La respuesta final depende mucho de las condiciones de luz ambiental, que el OP ha reconocido.
Obtuve LED que son brillantes a 1 mA y visibles en una habitación semi iluminada a 100 microamperios. El ángulo es importante, pero estoy seguro de que puedo reducirlos a decenas de microamperios, y estos son de una cadena de LED de jardín de consumo. Nada de alto grado. @jandorniak

Respuestas (4)

Entonces, amigos, hice el experimento.

La configuración fue de dos LED de 5 mm (no estoy seguro de qué tipo exactamente, pero lo más probable es que tengan 60 grados de distribución de luz y 40 mcd de luz máxima; todavía no entendí la forma en que miden esta intensidad): rojo con 330 ohmios resistencia en serie y verde con 160. Ambos con alimentación de 5V y microcontrolador AVR.

Con esta configuración, pude ver el parpadeo tan corto como 1 us para el verde y 2 us para el LED rojo. Debo señalar que estaba en una habitación bien iluminada, pero puse las palmas de las manos alrededor de los LED para hacer un pozo de 3 pulgadas de profundidad alrededor de los LED. Miré directamente a los LED y esperaba el parpadeo. Entonces, esta luz definitivamente no es suficiente para notar el parpadeo si no lo espera.

La corriente se puede estimar en 3,8 voltios / 330 ohmios = 11,5 mA para rojo y 23 mA para verde.

Entonces la potencia eléctrica es de 11,5 mAmps * 1,2 Volts = 14 mW para rojo y 28 mW para verde.

Secuencialmente, la energía eléctrica del parpadeo fue tan baja como 28 nJ (¡nano julios!) en ambos casos. ¡Lo cual es aproximadamente diez veces más de lo que espero gastar en un abrir y cerrar de ojos!

Pruebo esto en mi esposa y mi hija de 7 años. La misma cosa.

En cuanto a la distribución de energía frente al tiempo:

Desafortunadamente, no pude cambiar las resistencias, así que hice solo una cosa: puse el LED en un modo de luz constante con 1% PWM. Y no noté ninguna diferencia si cambio la frecuencia (1 parpadeamos cada 100 parpadeamos igual que 100 parpadeamos cada 10 ms). Esto no es exactamente lo que necesito, pero parece que no es gran cosa cómo distribuiré el poder a tiempo.

Con respecto a la sensibilidad de las diferentes áreas de un ojo : pude ver el parpadeo solo si miro exactamente en los LED. Si cambio un poco el eje de la vista del ojo, no pude ver nada. Lo mismo noté con la iluminación constante.

Los julios son unidades de energía, no de potencia. 1 julio = 1 voltio * 1 amperio * 1 segundo. Espero que sepa esto ya que lo calculó correctamente, pero luego su texto lo describe como "parpadeo de energía eléctrica", que debería ser "parpadeo de energía eléctrica".
@JRE por supuesto que tienes razón! Mi error de tipeo. Hice la corrección :)

Wikipedia sugiere algo del orden de 100 fotones para lograr una respuesta visible en las condiciones más ideales.

La energía en un fotón se puede calcular mediante:

mi = h C λ

Donde:

  • h es la constante de Planck, aproximadamente 6,6 × 10 −34 J⋅s,
  • c es la velocidad de la luz, alrededor de 3×10 8 m/s, y
  • λ es la longitud de onda del fotón.

Los bastones del ojo humano son más sensibles a una longitud de onda de 510 nm . Entonces, la energía de esos fotones es de aproximadamente 3,9 × 10 −19 julios por fotón.

Multiplique eso por los aproximadamente 100 fotones necesarios para la detección por el ojo humano y obtendrá 3,9 × 10 −17 julios. Por la ley de conservación de la energía, necesitarás como mínimo esta cantidad de energía eléctrica para hacer visible cualquier cosa.

Por supuesto, los LED no son 100% eficientes. No todos los colores tienen la misma eficacia luminosa , por lo que puede ser que el LED más eficiente para generar luz visible para los humanos no esté necesariamente en la longitud de onda en la que el ojo es más sensible. Dejaré esa investigación como ejercicio, y digamos que un LED tiene una eficacia luminosa del 25 %. Eso aumenta la energía requerida por un factor de cuatro, a:

1,6 × 10 −16 julios

Es decir, según mi estimación aproximada, la energía mínima absoluta requerida para registrar una respuesta visual con un LED en un ser humano.

Tiene órdenes de magnitud más de energía almacenada en su condensador, por lo que, en condiciones ideales , es probable que pueda registrar una respuesta visual incluso después de tener en cuenta las ineficiencias al llevar la energía del condensador al LED.

Por supuesto, en la práctica, la habitación no estará perfectamente oscura, el espectador no estará idealmente aclimatado y la luz del LED no se enfocará en un punto diminuto. Por lo tanto, es posible que necesite más energía. Quizás mucho más.

Empieza a sonar interesante conectar un relé para cargar alternativamente un condensador y luego descargarlo a través de un LED típico, y ver cuál es la capacitancia más pequeña que puede producir un destello visible (para 5v o cualquier carga).
Ya hemos establecido que el LED debe ser visible en la "iluminación de oficina ordinaria" con una mano como máximo proporcionando algo de sombra.
¿1,5*10-17 debería ser 3,9 * 4 = 15,6*10-17 julios? Creo que necesitas dividir la energía de la luz con eficiencia, no multiplicarla.

Para obtener algunos buenos consejos sobre cómo hacer parpadear un LED con poca potencia, busque el chip de luz intermitente LED LM3909 , ahora obsoleto . Observe cómo "apila" el voltaje de la tapa con el voltaje de una celda de 1,5 V para obtener suficiente voltaje directo para el LED.

Normalmente se utiliza un condensador en el rango de decenas de µF (no decenas de nF) con este chip para producir un destello muy visible en un LED de eficiencia moderada. Estimaría que esto suministró alrededor de 50 µJ por flash, por lo que probablemente esté un orden de magnitud o dos por debajo de donde necesita estar.

Es posible que pueda obtener un parpadeo visible (en la iluminación de la oficina, con un poco de atención a la óptica para aumentar el contraste) con 100 ms de corriente de 30 uA.

No hay ningún punto particular en reducir la duración del parpadeo por debajo de aproximadamente 100 ms; por lo general, la eficiencia del LED no será mejor con una corriente más alta y el ojo verá la misma energía que aproximadamente el mismo brillo. Un pulso de 100us aparecerá tan brillante como un pulso de 100ms con 1/1000 de corriente, por lo que es más como un equivalente a 300nA.

Eso podría ser visible con un buen LED, ojos ajustados a la oscuridad y en una habitación oscura.

Energía mínima requerida para que el parpadeo del LED sea visible
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