¿El impulso de un LED a una corriente más alta produce una mayor luminosidad aparente?

Question

Esta pregunta implica dos supuestos:

1. La frecuencia de un driver LED conmutado es lo suficientemente alta como para que se utilice la potencia media, no la instantánea, para determinar la corriente máxima de accionamiento.
2. El factor limitante que determina la corriente máxima en cualquier ciclo de trabajo es la disipación de potencia media.

Después de estas suposiciones, es obvio que la corriente que atraviesa un LED a la máxima potencia disipada está inversamente relacionada con el ciclo de trabajo.

¿El brillo aparente (no necesariamente la luminosidad) aumenta, disminuye o no se ve afectado al pulsar un LED a mayor corriente y menor ciclo de trabajo?

No tengo en mente ningún LED o topología de controlador en particular, pero agradecería referencias a piezas reales, hojas de datos o notas de aplicación. También me interesaría saber si esto varía entre los LEDs indicadores de baja potencia (digamos, 20mA) y los LEDs de iluminación de alta potencia y brillo.

Answer 1

He estudiado esto con cierto detalle en el pasado, ya que diseño luces con carga solar basadas en LED y, en general, me interesan los LED.

En primer lugar, la percepción humana con impulsos de potencia constante y ciclo de trabajo variable. Un ciclo de trabajo, digamos, del 10%, daría lugar a una corriente 10 veces mayor con la misma tensión para que esto se mantuviera. Los LEDs reales tendrán voltajes de avance algo más altos cuando la corriente se incrementa en 10 veces, pero no mucho. Una prueba justa es probablemente Ipeak x tiempo de encendido = constante.

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

• Hace poco he leído justo lo contrario en una fuente medianamente 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 cualquier manera es pequeño. Dado que se necesita un cambio de aproximadamente 2:1 en el brillo de los LEDs para que sea perceptible cuando los LEDs se ven por separado (uno u otro, pero no ambos juntos), las pequeñas diferencias ciertamente no serán perceptibles. Cuando, por ejemplo, dos linternas brillan una al lado de la otra en una escena general para que se pueda hacer una comparación directa, es posible que se necesite una diferencia de aproximadamente 1,5:1 o más antes de que la diferencia sea perceptible; esto depende en cierta medida del observador. Cuando se utilizan dos linternas en un "lavado de pared" sobre una pared lisa, pueden apreciarse diferencias de hasta un 20%.

En segundo lugar, la luminosidad real.

Utilizando una corriente media constante, la producción total de luz cae para el funcionamiento en pulsos y es menor para un ciclo de trabajo cada vez más bajo. El efecto es aún peor para una potencia media constante.

Ambos efectos pueden verse claramente examinando las hojas de datos de los LEDs objetivo. Las curvas de rendimiento luminoso por corriente se aproximan a las líneas rectas, pero se curvan hacia la disminución del rendimiento por mA a medida que aumenta la corriente, es decir, duplicar la corriente no duplica el rendimiento luminoso. Esta tasa de rendimiento decreciente se acelera a medida que aumenta la corriente. Es decir, un LED operado a una corriente muy inferior a la nominal produce más lúmenes/mA que a la corriente nominal, con una eficiencia creciente al disminuir los mA.

El rendimiento (lumen) por vatio es aún peor que el lumen por mA. A medida que los mA aumentan, la Vf también se incrementa, por lo que el producto Vf x I aumenta a un ritmo más rápido por lumen que la I. Así que, de nuevo, el máximo lumen/vatio se consigue a bajos mA en comparación con los mA nominales y la eficiencia del lumen/vatio mejora con la disminución de la corriente.

Ambos efectos pueden verse en los siguientes gráficos.

Estas curvas son para el maravilloso LED Nichia NSPWR70CSS-K1 mencionado a continuación. Aunque este LED está clasificado para un máximo de 60 mA absolutos y 50 mA continuos, Nichia ha tenido la amabilidad de especificar su rendimiento hasta 150 mA. La longevidad a esta corriente "no está garantizada". Este es el LED más eficiente <= 50 mA disponible. Si alguien sabe de alguno con un l/W superior a 50 mA y en el mismo rango de precios, por favor, aconséjelo.

Utilizo el LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 en varios productos. Comenzó siendo un LED de 30 mA, pero Nichia lo aumentó a 50 mA después de las pruebas (con una vida útil reducida de 14.000 horas). A 50 mA proporciona unos 120 l/W y a 20 mA unos 165 l/W. Esta última cifra lo sitúa entre los mejores productos disponibles en el mundo real, aunque las ofertas más recientes están superando este valor a corrientes muy inferiores a la nominal.

Un factor que complica las cosas es que los LEDs modernos de alta potencia suelen tener valores de Iabsolute_max quizás un 20% por encima de Imax_operating, es decir, no es posible hacerlos funcionar en modo pulsado a menos de un 90% de ciclo de trabajo y una corriente media constante sin superar sus corrientes máximas nominales absolutas. Esto no significa que no puedan ser pulsados a muchas veces sus corrientes máximas nominales continuas (pregúnteme cómo lo sé :-) ) sólo que el fabricante no certifica los resultados. El LED Raijin es MUY brillante a 100 mA.

Un caso especial.

Un área en la que la pulsación a corrientes muy altas y ciclos de trabajo bajos puede tener sentido es cuando 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 de infrarrojos (IR), donde el brillo de cada pulso individual es importante, ya que se detectan pulsos individuales y el nivel medio es irrelevante. La corriente limitante en estos casos puede ser la corriente de fusión del cable de enlace. El efecto sobre la matriz del LED será un acortamiento de la vida útil, pero esto es (presumiblemente) permitido por el fabricante en la especificación, y la vida útil total requerida suele ser baja. (Por ejemplo, un mando a distancia de televisión que se utiliza durante 0,1 segundos x, digamos, 50 pulsos por hora durante 4 horas al día, tiene unas 2 horas de funcionamiento al año.

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Mejora efectiva de la iluminancia de una fuente de luz mediante la modulación de pulsos y su efecto psicofísico en el ojo humano. Universidad EHIME 2008

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

Afirman una ganancia de lúmenes real de hasta ~ 2:1 (ya que los lúmenes se relacionan con la respuesta ocular) a un ciclo de trabajo del 5%, pero a pesar del gran cuidado que han tenido, existen algunas incertidumbres importantes a la hora de trasladar esto a las aplicaciones del mundo real.

• Parece que dan mucha importancia a los tiempos de subida y bajada rápidos. Se cumplen cuando se iluminan escenas del mundo real, ¿importa? y ¿hay ejemplos seleccionados en los que funcione mejor que otros?

• Se trata de mirar los LEDs directamente (¿con el ojo bueno que queda?) y comparar el brillo aparente. Cómo se traduce esto a los niveles de luz que llegan al observador después de la reflexión de la escena.

• ¿Cómo se aplica esto cuando los LED se utilizan para iluminar objetivos? ¿Los niveles medios de luminancia de un objetivo comparados con la observación directa de los LED van a afectar a los resultados? ¿En qué medida?

• Dado que los modernos LEDs blancos, por ejemplo, tienen una Imax_max ~= 110% de la I_max_ continua, y dado que este efecto parece depender de un ciclo de trabajo de ~5%, ¿tiene esto alguna implicación para los LEDs similares del mundo real a grandes porcentajes de la corriente nominal?

Answer 2

Parece que hay mucha desinformación en torno a este tema. Algunos dicen que existe un efecto visual por el que la luz pulsante se percibe más brillante que su nivel medio. Por lo que sé, hay cierto desacuerdo sobre esto, pero se aplica a destellos más bien lentos, de manera que la persistencia de la visión arrastra el brillo entre los pulsos. Esto está en el rango de unos pocos Hz a bajos 10s de Hz. No estoy seguro de que haya un consenso sobre si esto se percibe realmente como más brillante, o si sólo llama más la atención.

Un parpadeo rápido de forma que la luz parezca fija (unos 100 Hz) no parece aumentar la luminosidad percibida. Lo que se percibe es la luminosidad media. Esto significa que un LED de parpadeo rápido es en realidad menos brillante a la misma potencia media. El brillo del LED es aproximadamente proporcional a la corriente, pero una mayor corriente también provoca una mayor caída de tensión hacia delante. 10mA continuos y 20mA para el 50% a 1 kHz parecerán casi iguales, pero este último requerirá más potencia ya que la caída de tensión a 20mA será mayor que a 10mA.

El brillo de los LEDs es mayormente proporcional a la corriente, pero no completamente. Suele disminuir un poco con la corriente, pero en la mayoría de los LEDs de tipo indicador este efecto es tan pequeño que resulta imperceptible. Los humanos perciben la intensidad de la luz de forma logarítmica. Un factor de 2 parece un paso pequeño pero claramente perceptible. Un 10% es imposible de notar salvo en comparación directa.

Los LEDs de alta potencia utilizados para la iluminación superan los límites de una manera diferente y muestran más caída con una corriente más alta. La máxima eficiencia y la máxima luminosidad no son lo mismo. Esta diferencia es lo suficientemente importante en aplicaciones exigentes. Aquí es donde hay que comprobar cuidadosamente la hoja de datos del LED. Los LEDs de iluminación de alta potencia suelen tener cifras de brillo en función de la corriente, y verás que se reducen un poco en el extremo superior. También hay que tener en cuenta que, en el caso de estos LEDs, la corriente máxima instantánea está más cerca de la corriente máxima media que en el caso de los pequeños LEDs indicadores. Mucho de esto tiene que ver con la temperatura y la gestión del calor.

Answer 3

Siempre he aprendido y he estado convencido de que la corriente del LED por encima de la nominal (a menudo alrededor de 20mA 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, la pulsación no conseguirá más luminosidad. Supongamos un LED con 0,45mcd @ 10mA, y 0,9mcd @ 40mA. Pulsado a 40mA con un ciclo de trabajo del 25% dará una corriente media de 10mA, y una luminosidad media de 0,225mcd, eso es sólo la mitad de la luminosidad que obtendríamos a 10mA continuos.
No me he inventado estas cifras. Se pueden encontrar en el Ficha técnica de Panasonic LN222RPX :

Quiero hacer dos apuntes aquí:

1. La mitad del valor parece una gran diferencia, pero hay 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 poco iluminada (10 lux) y la luz del sol brillante (100 000 lux) es sólo de 13 pasos. Un paso será menos perceptible de lo que sugieren las cifras.
2. También está el otro gráfico, corriente de avance vs voltaje de avance. Como para cualquier otro diodo, la tensión aumenta con el incremento 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 continua, en cuanto a luminosidad y potencia. PERO

Kevin vino con este gráfico de un Ficha técnica de Kingbright :

¡Esa curva es condenadamente recta! Para este LED (y otros de Kingbright que he comprobado) la luminosidad es perfectamente lineal con la corriente, por lo que la pulsación debería dar el mismo resultado que la corriente continua.

conclusión
Al parecer, no todos los LEDs son iguales. Mientras que para algunos LEDs es indiferente pulsar o no pulsar puede dar un peor rendimiento para otros. Sin embargo, no he encontrado LEDs en los que el rendimiento aumente al pulsar.

Answer 4

Suponiendo que un LED esté encendido durante un tiempo constante, la luminosidad es proporcional a la corriente que pasa por el diodo (ya sea lineal o exponencial). Para este argumento, vamos a asume es lineal (es necesario encontrar las características de tensión vs. corriente en las hojas de datos del fabricante para determinar cuál será para su rango de funcionamiento particular).

Además, en aras de este argumento, supondré que la frecuencia PWM es lo suficientemente alta como para no notar ningún parpadeo visible en ningún ciclo de trabajo.

También se puede modificar el brillo de un LED a corriente constante variando el ciclo de trabajo. Una reducción del 50% del ciclo de trabajo supone una reducción del 50% de la luminosidad. Esto también significa que el LED sólo está encendido la mitad del tiempo que estaba, y suponiendo que su fuente de corriente/tensión no se ve afectada por la carga/conmutación, el media La corriente que utiliza el LED en un intervalo determinado también se reducirá directamente a la mitad.

¿El brillo aumenta, disminuye o no se ve afectado al pulsar un LED a mayor corriente y menor ciclo de trabajo?

Todo depende, ya que existe una contradicción inherente. Al pulsar el LED en un ciclo de trabajo más bajo, que efectivamente baja la corriente media. Si usted sólo disminuyó su resistencia limitadora de corriente para permitir que fluyera más corriente, y no modificó 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 la nueva luminosidad como

nuevo_brillo = antiguo_brillo * nuevo_promedio_corriente / antiguo_promedio_corriente

o en otras palabras

nuevo_brillo = antiguo_brillo * ( nueva_corriente de pico * nuevo_ciclo de trabajo_PWM ) / ( antigua_corriente de pico * antiguo_ciclo de trabajo_PWM)

Dado que está reduciendo el ciclo de trabajo PWM pero aumentando la corriente, el nuevo PWM Duty Cycle debe ser menos entonces 1 pero mayor que 0 (implícitamente lo convierte de porcentaje a decimal) , y los ratios en corriente deben ser un número positivo mayor entonces 1.

Así, si se reduce a la mitad el ciclo de trabajo pero se mantiene la misma corriente media, la luminosidad sigue siendo la misma (a costa de un mayor flujo de corriente instantánea a través del LED, lo que puede no ser deseable).

Answer 5

Un análisis completamente subjetivo:

Para 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 @ 20mA (3,7 mW). La conmutación se hizo con dos MOSFETs 2N7000 en paralelo, con una tensión de puerta de aproximadamente 3,0 V.

1 / Frec = tiempo de encendido + tiempo de apagado

He variado el tiempo de encendido del 10% al 50% mientras se alimentaba primero con 3,3 V y luego con 5,0 V. El brillo observado aumentó con el incremento del ciclo de trabajo y del voltaje.

Hubo un notable aumento de la luminosidad utilizando dos MOSFET en lugar de uno, además de que se necesitaban dos a 5,0 V dada la cantidad de calor generada al utilizar sólo uno.

Los voltajes y corrientes de los LEDs medidos a esta frecuencia y ciclo de trabajo son poco fiables con mi DMM, pero conseguí una lectura de 2 voltios a 120 mA (240 mW), aunque tómalo con un enorme grano de sal.

Me siento cómodo haciendo funcionar estos LEDs de forma indefinida a 5 voltios y un ciclo de trabajo del 40% a 38 kHz. A 5 V y 50% de ciclo de trabajo, se calientan demasiado para la longevidad.