La pulsation d’une LED à un courant plus élevé produit-elle une plus grande luminosité apparente?

Cette question implique deux hypothèses:

1. La fréquence d'un pilote de DEL commuté est suffisamment élevée pour que l'on puisse utiliser une puissance moyenne, et non instantanée, pour déterminer le courant maximal du lecteur.
2. Le facteur limitant qui détermine le courant maximal quel que soit le rapport cyclique est la dissipation de puissance moyenne.

Après ces hypothèses, il est évident que le courant traversant une LED à la dissipation de puissance maximale est inversement proportionnel au cycle de travail.

La luminosité apparente (pas nécessairement la luminosité) est-elle augmentée, diminuée ou non affectée par le clignotement d'une LED à un courant plus élevé et à un cycle de travail inférieur?

Je n'ai pas de DEL ni de topologies de pilotes particulières à l'esprit, mais souhaiterais des références à des pièces réelles, des fiches techniques ou des notes. Je souhaiterais également savoir si cela varie entre les voyants DEL de faible puissance (20 mA, par exemple) et les voyants DEL de forte puissance et de forte luminosité.

J'ai étudié cette question de manière assez détaillée dans le passé, alors que je concevais des lampes à charge solaire à base de LED et que je m'intéressais généralement aux LED.

Premièrement, la perception humaine à puissance constante et à impulsions à cycle de travail variable. Un facteur de marche de 10%, par exemple, donnerait 10 x le courant à la même tension pour que celui-ci soit maintenu. Les vraies DEL auront des tensions directes un peu plus élevées si le courant est augmenté de 10 fois, mais pas beaucoup. Un test correct est probablement Ipeak x time on = constant.

• Dans un passé lointain, il était allégué que la réponse de l’œil humain était telle que des DEL pulsées à puissance constante, mais à faibles cycles de fonctionnement, produisaient une plus grande luminosité apparente. AFAIR, la référence se trouvait dans un document HP.

• Récemment, j'ai lu exactement le contraire d'une source modérément autoritaire mais non rappelée.

Je peux probablement trouver le document récent, mais celui de HP sera perdu dans la nuit des temps. Cependant, je crois que tout effet physiologique à l'éther est faible. Étant donné que vous devez modifier environ 2: 1 la luminosité de la LED pour qu'elle soit visible lorsque vous visualisez des LED séparément (l'une ou l'autre mais pas les deux à la fois), de petites différences ne seront certainement pas perceptibles. Lorsque, par exemple, deux lampes de poche sont allumées côte à côte sur une scène générale afin de permettre une comparaison directe, une différence d'environ 1.5: 1 ou plus peut être nécessaire avant que la différence ne soit perceptible - cela dépend un peu de l'observateur. Lorsque deux lampes sont utilisées dans le «lavage des murs» sur un mur lisse, des différences côte à côte d’environ 20% peuvent être perceptibles.

Deuxièmement - la luminosité réelle.

En utilisant un courant moyen constant, le flux lumineux total diminue en mode pulsé et diminue en cas de facteur de marche de plus en plus faible! L'effet est encore pire pour une puissance moyenne constante !!

En examinant les fiches techniques des LED cibles, vous pouvez voir clairement ces deux effets. Les courbes de sortie lumineuse par courant sont proches des lignes droites, mais la courbe tend vers une puissance décroissante par mA lorsque le courant augmente. c'est-à-dire que doubler le courant ne double pas tout à fait la sortie lumineuse. Ce taux de rendement décroissant s'accélère à mesure que le courant augmente. c'est-à-dire qu'une LED fonctionnant à une puissance bien inférieure à son courant nominal produit plus de lumen / mA que de courant nominal avec une efficacité croissante lorsque la puissance diminue.

Le rendement (lumen) par Watt est encore pire que le lumen par mA. À mesure que mA augmente, Vf augmente également, de sorte que le produit Vf x I augmente plus rapidement par lumen que tout simplement. Donc, encore une fois, le maximum de lumen / Watt est atteint à faible mA par rapport au mA nominal et l'efficacité du lumen / Watt s'améliore avec la diminution du courant.

Ces deux effets sont visibles dans les graphiques suivants.

Ces courbes correspondent à la merveilleuse DEL [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 mentionnée ci-dessous. Même si cette DEL a une puissance nominale maximale de 60 mA et maximale de 50 mA, Nichia a bien voulu spécifier des performances maximales de 150 mA. La longévité à ces courants n'est "pas garantie". Il s’agit de la LED la plus efficace <= 50 mA disponible. Si vous en connaissez qui ont un L / W supérieur à 50 mA et dans la même gamme de prix, veuillez le conseiller!

J'utilise la LED Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 dans plusieurs produits. Après avoir été testée (durée de vie réduite de 14 000 heures), Nichia a commencé à utiliser une LED de 30 mA, mais a augmenté à 50 mA. À 50 mA, il délivre environ 120 l / W et à 20 mA environ 165 l / W. Ce dernier chiffre le classe parmi les meilleurs produits du monde réel disponibles, bien que les offres récentes dépassent maintenant cette valeur avec des courants bien inférieurs aux valeurs nominales.

Un facteur de complication réside dans le fait que les DEL haute puissance modernes sont souvent classées pour les valeurs Iabsolute_max, peut-être 20% au-dessus de Imax_operating. c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de les faire fonctionner en mode pulsé avec un rapport cyclique et un courant moyen constant inférieurs à environ 90% environ sans dépasser leurs courants maximaux absolus nominaux. Cela ne signifie pas qu'ils ne peuvent pas être pulsés plusieurs fois par rapport à leurs courants continus maximaux nominaux (demandez-moi comment je sais :-)), mais simplement que le fabricant ne certifie pas les résultats. La LED Raijin est TRES lumineuse à 100 mA.

Cas particulier.

Un domaine dans lequel il peut être judicieux de pulser à des courants très élevés et à des cycles de fonctionnement faibles est celui où la LED est conçue pour ce type de fonctionnement et où le rendement lumineux instantané (luminosité) est plus important que la luminosité moyenne. Un exemple courant est celui des contrôleurs infrarouges (IR), dans lesquels la luminosité de chaque impulsion est importante car des impulsions individuelles sont détectées et le niveau moyen non pertinent. Dans ce cas, des impulsions de 1 ampère ou plus peuvent être utilisées. Le courant de limitation dans de tels cas peut être les courants de fusion du fil de liaison. L’effet sur la puce à LED sera un raccourcissement de la durée de vie mais celui-ci est (vraisemblablement) autorisé par le fabricant dans la spécification - et la durée de vie totale requise est généralement courte. (par exemple, une télécommande de télévision utilisée pour 0.

Amélioration efficace de l'éclairement d'une source lumineuse en utilisant la modulation d'impulsion et son effet psychophysique sur l'œil humain. Université EHIME 2008

Enddolith a cité un article qui revendiquait un réel gain visuel substantiel dans certaines conditions. Voici une version complète du document Jinno Motomura cité
[lien mis à jour 1/2016]

Ils réclament un gain de lumière jusqu’à ~ 2: 1 (les lumens se rapportant à la réponse oculaire) avec un cycle de service de 5%. Malgré le grand soin qu’ils ont pris, il existe de grandes incertitudes lors de la traduction de ces résultats en applications réelles.

• Ils semblent accorder une très grande importance aux périodes de montée et de descente rapides. Sont-ils réunis pour éclairer des scènes du monde réel, est-ce important? et y a-t-il des exemples choisis où cela fonctionnera mieux que d'autres?

• Il s’agit de regarder directement les LED (avec un bon œil?) Et de comparer la luminosité apparente. Comment cela se traduit-il lorsque les niveaux de lumière atteignent l'observateur après la réflexion de la scène?

• Comment cela s’applique-t-il lorsque les voyants sont utilisés pour éclairer des cibles? Les niveaux de luminance moyens d'une cible par rapport à l'observation directe par LED vont-ils affecter les résultats? De combien?

• En ce qui concerne les LED blanches modernes, par exemple, Imax_max ~ = 110% de I_max_ continu, et comme cet effet semble dépendre d'environ 5% de facteur de marche, cela a-t-il des conséquences sur les LED du monde réel similaires présentant des pourcentages élevés de courant nominal?

Il semble y avoir beaucoup de désinformation autour de cette zone. Certains disent qu'il y a un effet visuel qui fait que la lumière pulsée est perçue plus brillante que son niveau moyen. Autant que je sache, il existe un certain désaccord à ce sujet, mais cela s’applique aux clignotements assez lents, de sorte que la persistance de la vision porte la luminosité entre les impulsions. Ceci est dans la gamme de quelques Hz à 10s de Hz. Je ne suis pas sûr qu'il y ait un consensus sur le point de savoir si cela est vraiment perçu comme plus brillant ou si c'est seulement plus d'attirer l'attention.

Un clignotement rapide de sorte que la lumière semble régulière (quelques 100 Hz) n’augmente apparemment pas la luminosité perçue. Ce que vous percevez est la luminosité moyenne. Cela signifie qu'une diode clignotant rapidement est en réalité moins brillante à la même puissance moyenne. La luminosité des LED est à peu près proportionnelle au courant, mais un courant plus élevé provoque également une chute de tension directe plus importante. 10 mA en continu et 20 mA pour 50% à 1 kHz ressembleront beaucoup, mais ce dernier aura besoin de plus de puissance car la chute de tension à 20 mA sera plus élevée qu'à 10 mA.

La luminosité des LED est principalement proportionnelle au courant, mais pas complètement. Il tombe habituellement un peu avec le courant, mais pour la plupart des LED de type indicateur, cet effet est si petit qu'il est imperceptible de le voir. Les humains perçoivent l'intensité lumineuse de manière logarithmique. Un facteur de 2 ressemble à une étape petite mais clairement perceptible. 10% est impossible à remarquer sauf en comparaison directe.

Les LED haute puissance utilisées pour l'éclairage repoussent les limites d'une manière différente et présentent une chute plus importante avec un courant plus élevé. Efficacité maximale et luminosité maximale ne sont pas la même chose. Cette différence suffit à importer des applications exigeantes. C’est là que vous devez vérifier soigneusement la fiche technique de la LED. Les DEL d’éclairage à haute puissance indiquent généralement la luminosité en fonction du courant, et vous verrez cette nuance un peu plus basse. Notez également que pour ces voyants, le courant maximum instantané est plus proche du maximum moyen que pour les voyants de petite taille. Cela tient en grande partie à la gestion de la température et de la chaleur.

J'ai toujours appris et j'étais convaincu qu'un courant de LED supérieur au courant nominal (souvent autour de 20 mA pour une LED commune) entraînerait une luminosité plus élevée, mais moins que proportionnelle, et que le courant ne valait pas la peine de le faire. Si c'est le cas, les pulsations ne vous apporteront pas plus de luminosité. Supposons une LED avec 0,45mcd @ 10mA et 0,9mcd @ 40mA. Une impulsion de 40 mA avec un cycle de service de 25% donnera un courant moyen de 10 mA et une luminosité moyenne de 0,225 mcd, soit seulement la moitié de la luminosité obtenue à 10 mA en continu.
Je n'ai pas inventé ces chiffres. Vous les trouverez dans la fiche technique Panasonic LN222RPX :

Je veux faire deux notes ici:

1. la moitié de la valeur semble être une grande différence, mais vous devez vous rappeler que notre œil perçoit les intensités lumineuses de manière logarithmique; si l'intensité est doublée, la différence entre une pièce faiblement éclairée (10 lux) et une lumière solaire intense (100 000 lux) n'est que de 13 étapes. Une étape sera moins perceptible que ce que suggèrent les chiffres.
2. Il y a aussi l'autre graphique, courant direct vs tension directe. Comme pour toute autre diode, la tension augmente avec l’augmentation du courant. Cela signifie que la dissipation de puissance dans la LED augmentera plus que proportionnellement avec l'augmentation du courant.

Si nous nous arrêtons ici, nous pourrions conclure que le courant pulsé est pire que le courant continu, que ce soit en termes de luminosité ou de puissance. MAIS!

Kevin est venu avec ce graphique d'une feuille de données Kingbright :

Cette courbe est sacrément droite! Pour cette LED (et d’autres de Kingbright que j’ai vérifiées), la luminosité est parfaitement linéaire avec le courant; les impulsions devraient donc donner le même résultat que le courant continu.

conclusion
Apparemment, toutes les LED ne sont pas égales. Bien que cela ne change rien, que vous pulsiez ou non pour certaines DEL, les pulsations pourraient donner de moins bonnes performances à d'autres. Cependant, je n'ai pas trouvé de DEL dont les performances augmentent lors de l'impulsion.

En supposant qu'une LED reste allumée pendant une durée constante, la luminosité est proportionnelle au courant traversant la diode (linéaire ou exponentielle). Supposons que cet argument soit linéaire (par exemple, vous devez trouver les caractéristiques tension / courant à partir des fiches techniques du fabricant pour déterminer ce que ce sera pour votre plage de fonctionnement particulière).

De plus, aux fins de cet argument, je supposerai que la fréquence PWM est suffisamment élevée pour que vous ne remarquiez pas de scintillement visible, quel que soit le cycle d'utilisation.

Vous pouvez également modifier la luminosité d'une LED à courant constant en faisant varier le cycle de travail. Une réduction de 50% du cycle de travail correspond à une réduction de 50% de la luminosité. Cela signifie également que la DEL est allumée pendant seulement la moitié de sa durée , et en supposant que votre source de courant / tension ne soit pas affectée par le chargement / la commutation, le courant moyen utilisé par la DEL au cours d'un intervalle donné sera également divisé par deux directement.

La luminosité augmente-t-elle, diminue-t-elle ou n'est-elle pas affectée par les pulsations d'une LED à un courant plus élevé et à un cycle de service inférieur?

Tout dépend, car il y a une contradiction inhérente. En pulsant la LED à un cycle de service inférieur, vous effectivement baisser le courant moyen. Si vous diminuiez simplement votre résistance de limitation de courant pour permettre à plus de courant de circuler sans modifier le facteur de marche, la luminosité augmenterait. Ainsi, le changement de luminosité serait fonction du courant et du changement de cycle de travail .

Vous pouvez calculer la nouvelle luminosité comme suit:

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

ou en d'autres termes

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

Étant donné que vous réduisez le cycle de service PWM tout en augmentant le courant, le nouveau PWM Duty Cycledoit être inférieur à 1 mais supérieur à 0 (le convertir implicitement d'un pourcentage en décimal), et les rapports de courant doivent être un nombre positif supérieur à 1.

Ainsi, si vous réduisez de moitié le cycle de travail tout en conservant le même courant moyen, votre luminosité reste la même (au prix d'un courant instantané plus élevé dans votre LED, ce qui peut ne pas être souhaitable).

Une analyse totalement subjective:

En essayant de maximiser la sortie d’une DEL infrarouge à 38 kHz, j’ai expérimenté une DEL rouge visible de 5 mm évaluée à 3 500 mcd, 1,85 V à 20 mA (3,7 mW). La commutation a été effectuée avec deux MOSFET 2N7000 en parallèle, avec une tension de grille d'environ 3,0 V.

1 / Freq = on-time + off-time

J'ai varié le temps d'activation de 10% à 50% tout en étant alimenté en premier de 3,3 V puis de 5,0 V. La luminosité observée augmentait avec l'augmentation du cycle de service et de la tension.

Il y avait une augmentation notable de la luminosité en utilisant deux MOSFET par rapport à un, plus deux étaient nécessaires à 5,0 V étant donné la quantité de chaleur générée lors de l'utilisation d'un seul.

Les tensions et courants de DEL mesurés à cette fréquence et à ce facteur de marche ne sont pas fiables avec mon multimètre numérique, mais ont réussi à obtenir une lecture de 2 volts à 120 mA (240 mW), bien que cela soit pris avec un énorme grain de sel.

Je me sens à l'aise de faire fonctionner ces DEL indéfiniment de manière continue à 5 volts et 40% de facteur de marche à 38 kHz. À 5 V et 50% du cycle de service, ils deviennent un peu trop chauds pour leur longévité.

Oui. Une fois que la LED est suffisamment éloignée (ou que l’image apparente est obstruée) pour que la variance soit proche du bruit, non. (Et tant pis pour Shockley si vous avez un excellent modèle de mécanique quantique inclus dans la fiche technique!) Est-ce que personne ne vous a pris en photo avec son flash LED (c'est-à-dire un appareil photo vintage de 2006 ou ultérieur) actif?