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

He analizado esto con cierto detalle en el pasado cuando diseño luces LED con carga solar 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%, por ejemplo, daría como resultado 10 veces la corriente al mismo voltaje para que esto se mantenga. Los LED reales tendrán voltajes directos algo más altos cuando la corriente aumente 10 veces, pero no mucho. Una prueba justa es probablemente Ipeak x time on = constante.

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

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

Probablemente pueda encontrar el documento reciente, pero el de HP se perderá en la noche de los tiempos. Sin embargo, creo que cualquier efecto fisiológico de éter es pequeño. Dado que se necesita un cambio de 2:1 en el brillo del LED para que se note cuando los LED se ven por separado (uno u otro, pero no ambos juntos), las pequeñas diferencias ciertamente no se notarán. Cuando, por ejemplo, se encienden dos linternas una al lado de la otra en una escena general para que se pueda hacer una comparación directa, es posible que necesite una diferencia de aproximadamente 1.5: 1+ antes de que la diferencia sea notable; esto depende un poco del observador. Cuando se utilizan dos luces en "bañado de pared" en una pared lisa, se pueden discernir diferencias de lado a lado de hasta aproximadamente el 20%.

En segundo lugar, el brillo real.

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

Ambos efectos se pueden ver claramente al examinar las hojas de datos de los LED objetivo. 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 completamente la salida luminosa. Esta tasa de rendimiento decreciente se acelera a medida que aumenta la corriente. es decir, un LED que funciona muy por debajo de su corriente nominal produce más lúmenes/mA que a la corriente nominal con una eficiencia creciente a medida que disminuye el mA.

La salida (lúmenes) por vatio es incluso peor que los lúmenes por mA. A medida que aumenta mA, Vf también aumenta, por lo que el producto Vf x I aumenta a un ritmo más rápido por lumen que solo I. Entonces, de nuevo, el lumen/vatio máximo se logra a un mA bajo en comparación con el 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 absolutamente maravilloso [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LED que se menciona a continuación. Aunque este LED tiene una potencia máxima absoluta de 60 mA y un máximo continuo de 50 mA, Nichia ha especificado amablemente su rendimiento hasta 150 mA. La longevidad a estas corrientes "no está garantizada". Este es el LED <= 50 mA más eficiente disponible. Si alguien sabe de alguno con un l/W superior a 50 mA y en el mismo rango de precios, ¡por favor avise!

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

Un factor de complicación es que los LED modernos de alta potencia a menudo se clasifican para valores Iabsolute_max quizás un 20% por encima de Imax_operating. es decir, no es posible operarlos en un modo pulsado a menos del 90% del ciclo de trabajo y corriente media constante sin exceder sus corrientes máximas absolutas nominales. Esto no significa que no puedan ser pulsados ​​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 común es el de los controladores 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 más de 1 amperio. La corriente limitante en tales casos puede ser la corriente de fusión del cable de unión. El efecto en el dado del LED será una reducción de la vida útil, pero esto está (presumiblemente) permitido por el fabricante en la especificación, y la vida útil operativa total requerida suele ser 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 pulsos y su efecto psicofísico en el ojo humano. Universidad EHIME 2008

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

Afirman una ganancia de lúmenes reales de hasta ~ 2: 1 (ya que los lúmenes se relacionan con la respuesta del ojo) 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 mucho énfasis en los tiempos rápidos de subida y bajada. ¿Se cumplen estos cuando se iluminan escenas del mundo real, importa? y ¿hay ejemplos seleccionados en los que funcionará mejor que otros?

• Esto es mirar los LED directamente (¿con el buen ojo restante?) Y comparar el brillo aparente. ¿Cómo se traduce esto en los niveles de luz que llegan al observador tras el reflejo 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 LED directa afectarán los resultados? ¿Por cuanto?

• Como, por ejemplo, los LED blancos modernos tienen Imax_max ~= 110 % de I_max_ continuo, y como este efecto parece depender de un ciclo de trabajo de ~5 %, ¿tiene esto alguna implicación para 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 cierto desacuerdo sobre esto, pero se aplica a un parpadeo bastante lento, de modo que la persistencia de la visión lleva el brillo entre 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 llama más la atención.

El parpadeo rápido de manera que la luz parece constante (unos 100 Hz) aparentemente no aumenta el brillo percibido. Lo que percibes es el brillo medio. Eso significa que un LED que parpadea rápidamente es menos brillante con la misma potencia promedio. El brillo del LED es aproximadamente proporcional a la corriente, pero una corriente más alta también provoca una mayor caída de voltaje directo. 10mA continuos y 20mA al 50% a 1 kHz se verán bastante parecidos, pero este último consumirá más energía ya que la caída de voltaje a 20mA será mayor que a 10mA.

El brillo de los LED es mayormente 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 nota. Los humanos perciben la intensidad de la luz de forma logarítmica. Un factor de 2 parece un paso pequeño pero claramente perceptible. El 10% es imposible de notar excepto en comparación directa.

Los LED de alta potencia que se utilizan para la iluminación superan los límites de una manera diferente y exhiben una mayor caída con una corriente más alta. Máxima eficiencia y 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 que esta cola se reduce un poco en el extremo superior. También tenga en cuenta que para esos LED, la corriente máxima instantánea está más cerca del máximo promedio que para los LED indicadores pequeños. Mucho de esto tiene que ver con la gestión de la temperatura y el calor.

Siempre he aprendido y he estado 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 la corriente para hacerlo. Si este es el caso, pulsar no te dará más brillo. Supongamos un LED con 0,45 mcd a 10 mA y 0,9 mcd a 40 mA. Pulsado a 40mA con un ciclo de trabajo del 25% dará una corriente promedio de 10mA y una luminosidad promedio de 0.225mcd, eso es solo la mitad de la luminosidad que obtendríamos con 10mA continuos.
Yo 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 tendrás 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 del sol brillante (100 000 lux) es solo de 13 pasos. Un paso será menos perceptible de lo que sugieren los números.
2. También está el otro gráfico, corriente directa frente a voltaje directo. Como para cualquier otro diodo, el voltaje aumenta con el aumento de 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 pulsa o no para algunos LED, la pulsación puede dar un peor rendimiento para otros. Sin embargo, no he encontrado LED donde el rendimiento aumente al pulsar.

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

Además, por el bien de este argumento, asumiré 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 vea afectada por la carga/conmutación, la corriente promedio que usa el LED durante un intervalo determinado también se reducirá directamente a la mitad.

¿El brillo aumenta, disminuye o no se ve afectado por la pulsación de un LED con una corriente más alta y un ciclo de trabajo más bajo?

Todo depende, ya que hay una contradicción inherente allí. Al pulsar el LED en un ciclo de trabajo más bajo, reduce efectivamente la corriente promedio. Si simplemente redujera su resistencia limitadora de corriente para permitir que fluya más corriente y no modificara 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 .

Podrías calcular el nuevo brillo como:

nuevo_brillo = antiguo_brillo * nuevo_promedio_actual / antiguo_promedio_actual

o en otras palabras

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

Dado que está reduciendo el ciclo de trabajo de PWM pero aumentando la corriente, el nuevo PWM Duty Cycledebe ser menor que 1 pero mayor que 0 (implícitamente convertirlo de un porcentaje a decimal), y las proporciones en la corriente deben 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 flujo de corriente instantáneo más alto a través de su LED, lo que puede no ser deseable).

Un análisis completamente subjetivo:

Al tratar de maximizar la salida de un LED infrarrojo a 38 kHz, experimenté con un LED rojo visible de 5 mm de 3500 mcd, 1,85 V a 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 / Frec = a tiempo + fuera de tiempo

Varié el tiempo de encendido del 10 % al 50 % mientras estaba alimentado primero con 3,3 V y luego con 5,0 V. El brillo observado aumentó tanto con el aumento del ciclo de trabajo como con el voltaje.

Hubo un aumento de brillo notable al usar dos MOSFET en lugar de uno, además de que se requerían dos a 5,0 V dada la cantidad de calor generado al usar solo uno.

Los voltajes y corrientes de LED medidos a esta frecuencia y ciclo de trabajo no son confiables con mi DMM, pero logró obtener una lectura de 2 voltios a 120 mA (240 mW), aunque tómelo con cuidado.

Me siento cómodo haciendo funcionar estos LED de forma continua e indefinida a 5 voltios y un ciclo de trabajo del 40 % a 38 kHz. A 5 V y un ciclo de trabajo del 50 %, se calientan demasiado para durar mucho tiempo.

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