より高い電流でLEDをパルス化すると、見かけの輝度が大きくなりますか？

この質問は、2つの仮定を暗示しています。

1. スイッチドLEDドライバーの周波数は十分に高いため、瞬時電力ではなく平均電力を使用して最大駆動電流を決定する必要があります。
2. 任意のデューティサイクルで最大電流を決定する制限要因は、平均消費電力です。

これらの仮定の後、最大消費電力でLEDを流れる電流がデューティサイクルに反比例することは明らかです。

見かけの明るさ（必ずしも光度である必要はありません）は、より高い電流とより低いデューティサイクルでLEDをパルス化することによって増加、減少、または影響を受けませんか？

特定のLEDやドライバートポロジはありませんが、実際の部品、データシート、またはノートへの参照を歓迎します。また、これが低電力（たとえば20mA）インジケータLEDと高電力、高輝度照明LEDで異なるかどうかを知りたいと思います。

LEDベースのソーラー充電ライトを設計し、一般的にLEDに興味があるので、過去にこれをある程度詳しく見てきました。

まず、一定のパワーと可変デューティサイクルパルスでの人間の知覚。たとえば、10％のデューティサイクルでは、これを保持するために同じ電圧で10倍の電流が発生します。実際のLEDは、電流が10倍増加すると順方向電圧がやや高くなりますが、それほど大きくありません。公平なテストは、おそらくIpeak x time on =定数です。

• 遠い過去に、人間の目の反応は、一定の電力でLEDをパルスするがデューティサイクルが低いときに見かけの明るさが大きくなるというものであると主張されていました。参照はHPドキュメントにありました。

• かなり最近、私は適度に権威があるが記憶されていないソースから正反対を読みました。

おそらく最近のドキュメントを見つけることができますが、HPのドキュメントはやがて失われます。しかし、私はすべての生理学的効果エーテル方法は小さいと考えています。LEDを個別に（両方ではなく1つまたは複数）見たときに目立つようにLEDの明るさを約2：1変化させる必要がある場合、小さな違いは確かに目立ちません。たとえば、一般的なシーンで2つの懐中電灯を並べて照らす場合、直接比較できるようにするには、差が顕著になる前に約1.5：1+の差が必要になることがあります。これは観察者によって多少異なります。滑らかな壁の「壁の洗浄」で2つのライトを使用すると、約20％の差が並んでいることがわかります。

第二に-実際の明るさ。

一定の平均電流を使用すると、パルス動作では総光出力が低下し、デューティサイクルがますます低くなります。一定の平均出力では、効果はさらに悪化します!!

これらの効果は両方とも、ターゲットLEDのデータシートを調べることで明確に見ることができます。電流あたりの発光出力曲線は直線に近いですが、電流が増加するとmAあたりの出力が減少する方向に湾曲します。すなわち、電流を2倍にしても、発光出力が2倍になるわけではありません。この収益率の低下は、電流が増加するにつれて加速します。すなわち、定格電流よりも十分に低い温度で動作するLEDは、定格電流よりもルーメン/ mAが多く、mAが減少すると効率が向上します。

ワットあたりの出力（ルーメン）は、mAあたりのルーメンよりもさらに悪化します。mAが増加するとVfも増加するため、Vf x I積は、私よりもルーメンあたりの速度が速くなります。したがって、再び、定格mAに比べて低いmAで最大ルーメン/ワットが達成され、電流の減少とともにルーメン/ワット効率が向上します。

これらの効果は、次のグラフで確認できます。

これらの曲線は、下記のまったく素晴らしい[tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 LEDのものです。このLEDの定格は絶対最大60 mA、連続最大50 mAであるNichiaは、最大150 mAの性能を親切に指定しています。これらの電流での寿命は「保証されていません」。これは、利用可能な最も効率的な<= 50 mA LEDについてです。50 mAで同じ価格帯の優れたL / Wを知っている人がいれば、アドバイスしてください！

私はいくつかの製品でNichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 LEDを使用しています。これは30 mA LEDとしての寿命を開始しましたが、テスト後に日亜化学工業によって50 mAにアップグレードされました（寿命は14,000時間短縮されました）。50 mAでは約120 l / W、20 mAでは約165 l / Wを供給します。後者の数字は、入手可能な非常に優れた実世界の製品に含まれていますが、最近の製品は定格電流を大きく下回ってこの値を超えています。

複雑な要因は、最新の高出力LEDが、Iabsolute_maxの値がImax_operatingを20％上回る可能性があることです。すなわち、それらの定格絶対最大電流を超えることなく、約90％未満のデューティサイクルと一定の平均電流でパルスモードで動作させることはできません。これは、メーカーが定格最大連続電流を何度もパルスできないことを意味するものではありません（私が知っている方法を聞いてください:-)）。Raijin LEDは100 mAで非常に明るいです。

特別なケース。

非常に高い電流と低いデューティサイクルでのパルス化が理にかなっている可能性のある領域の1つは、LEDがこの種のデューティに対して定格であり、瞬間的な発光出力（輝度）が平均輝度よりも重要な場合です。よく見られる例は、個々のパルスが検出され、平均レベルが無関係であるため、個々のパルスの輝度が重要な赤外線（IR）コントローラーです。このような場合、1アンペア以上のパルスを使用できます。このような場合の制限電流は、ボンドワイヤの溶断電流である可能性があります。LEDダイへの影響は寿命の短縮になりますが、メーカーは仕様で（おそらく）許容されており、必要な全動作寿命は通常短くなっています。（たとえば、0に使用されるテレビのリモコン。

パルス変調を使用することによる光源の効果的な照度改善と、人間の目に及ぼすその心理物理学的効果。 愛HI大学2008

エンドドリスは、特定の条件下で実質的な真の視覚的利益を主張する論文を引用しました。引用
された本村神野論文の完全版[link 1/2016更新]

彼らは5％のデューティサイクルで最大約2：1の真のルーメンゲイン（ルーメンは眼の反応に関連する）を主張していますが、細心の注意を払っていますが、これを実際のアプリケーションに変換する際には大きな不確実性があります。

• 立ち上がり時間と立ち下がり時間の高速化を非常に重視しているようです。これらは、現実の世界のシーンを照らすときに満たされますか？そして、他の例よりもうまく機能する選択された例はありますか？

• これは、LEDを直接見て（良い目を残したままですか？）、見かけの明るさを比較しています。これは、シーンの反射後に観察者に到達する光レベルにどのように変換されますか。

• LEDを使用してターゲットを照らす場合、これはどのように適用されますか。ターゲットからの平均輝度レベルは、LEDの直接観察と比較して結果に影響しますか？いくらですか？

• 最近のように、白色LEDはImax_maxがI_max_の110％連続であり、この効果は〜5％のデューティサイクルに依存しているように見えるため、これは定格電流の大きな割合で同様の現実世界のLEDに影響を与えていますか？

この領域の周辺には多くの誤報があるようです。パルス光がその平均レベルよりも明るく知覚されるという視覚効果があると言う人もいます。私の知る限り、これについては多少の意見の相違がありますが、視界の持続がパルス間で明るさを維持するように、かなり遅い点滅に適用されます。これは、数Hzから数十Hzの範囲です。これが本当に明るいと認識されているのか、それとも注目が集まっているだけなのかについて、コンセンサスがあるかどうかはわかりません。

光が安定して見える（数100 Hz）ように速く点滅しても、知覚される明るさは増加しません。あなたが知覚するのは平均輝度です。つまり、同じ平均電力では、高速で点滅するLEDは実際には明るさが低くなります。LEDの輝度は電流にほぼ比例しますが、電流が大きいと順方向電圧降下も大きくなります。1kHzで連続10mAと50％の20mAはほぼ同じに見えますが、20mAでの電圧降下が10mAよりも大きいため、後者はより多くの電力を消費します。

LEDの輝度は電流にほぼ比例しますが、完全ではありません。通常、電流で少し落ちますが、ほとんどのインジケータタイプのLEDでは、この効果は非常に小さく、気付かないほどです。人間は光強度を対数的に知覚します。2の係数は、小さいながらも明らかに顕著なステップのように見えます。10％は、直接比較する場合を除き、気づくことはできません。

照明に使用される高出力LEDは、さまざまな方法で限界を押し上げており、より高い電流でより多くの減衰を示します。最大効率と最大輝度は同じものではありません。この違いは、要求の厳しいアプリケーションでは重要です。ここで、LEDデータシートを注意深く確認する必要があります。通常、高出力照明のLEDには、電流の関数としての明るさの数値があり、ハイエンドではこのテールが少し見えます。また、これらのLEDの瞬間最大電流は、小さなインジケータLEDの場合よりも平均最大値に近いことに注意してください。これの多くは、温度と熱の管理に関係しています。

私はいつも、LED電流が公称値（一般的なLEDの場合は20mA程度）を超えると光度が高くなりますが、比例的ではなく、電流を流すだけの価値はないと確信していました。この場合、パルス化しても明るさは上がりません。0.45mcd @ 10mA、0.9mcd @ 40mAのLEDがあるとします。40％で25％のデューティサイクルでパルス化すると、平均電流は10mA、平均輝度は0.225mcdになります。これは、連続した10mAで得られる輝度の半分に過ぎません。
私はこれらの数字を作りませんでした。これらは、Panasonic LN222RPXデータシートに記載されています。

ここで2つのメモを作成します。

1. 値の半分は大きな違いのように見えますが、私たちの目は光の強度を対数的に知覚することを覚えておく必要があります。強度を2倍にすると、薄暗い部屋（10ルクス）と明るい日光（100,000ルクス）の差はわずか13ステップになります。1つのステップは、数字が示すよりも目立たなくなります。
2. 他のグラフ、順電流と順電圧もあります。他のダイオードと同様に、電圧は電流の増加とともに増加します。つまり、LEDの消費電力は、電流の増加に比例して増加します。

ここでやめた場合、パルス電流は連続電流よりも光度と電力の点で悪いと結論付けることができます。しかし！

KevinはKingbrightデータシートからこのグラフを作成しました。

その曲線はまっすぐです！このLED（およびチェックしたKingbrightの他のもの）の場合、光度は電流に対して完全に線形であるため、パルス化は連続電流と同じ結果になるはずです。

結論
どうやらすべてのLEDが等しくなるわけではありません。一部のLEDでパルスを発するかどうかに違いはありませんが、パルス化によって他のLEDのパフォーマンスが低下する可能性があります。しかし、パルス発生時にパフォーマンスが向上するLEDは見つかりませんでした。

LEDが一定時間点灯していると仮定すると、輝度はダイオードを流れる電流に比例します（線形または指数関数的）。この議論のために、それが線形であると仮定しましょう（特定の動作範囲で何が得られるかを決定するには、メーカーのデータシートから電圧対電流特性を見つける必要があります）。

また、この議論のために、PWM周波数は、デューティサイクルで目に見えるちらつきに気付かないほど十分に高いと仮定します。

デューティサイクルを変えることで、定電流でLEDの明るさを変えることもできます。デューティサイクルが50％減少すると、輝度が50％減少します。これはまた、LEDが半分の時間だけオンになることを意味し、電流/電圧源が負荷/スイッチングの影響を受けないと仮定すると、LEDが特定の間隔で使用する平均電流も直接半分になります。

高電流および低デューティサイクルでLEDをパルス化しても、輝度は増加、減少、または影響を受けませんか？

そこには固有の矛盾があるため、すべてが依存しています。より低いデューティサイクルでLEDをパルス化することにより、平均電流を効果的に低下させます。あなたは場合は、単により多くの電流が流れるようにあなたの電流制限抵抗を減少し、デューティサイクルを変更しなかった、明るさが増加するであろう。したがって、輝度の変化は、電流とデューティサイクルの変化の両方の関数になります。

新しい明るさは次のように計算できます。

new_brightness = old_brightness * new_average_current / old_average_current

または言い換えれば

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

あなたはPWMのデューティサイクルを下げるが、電流を上げている、新しいがあるためPWM Duty Cycleであるべき少なく、その後1が、より大きな、その後0（暗黙的に10進数の割合から、それを変換）、および電流の比率は正の数でなければなりませんより大きいその後、1。

したがって、デューティサイクルを半分にしたが、同じ平均電流を維持した場合、明るさは同じままです（LEDを流れる瞬間的な電流が大きくなりますが、これは望ましくない場合があります）。

完全に主観的な分析：

38 kHzで赤外線LEDの出力を最大化しようとして、定格3500 mcd、1.85 V @ 20mA（3.7 mW）の5 mm可視赤色LEDを試しました。スイッチングは2つの2N7000 MOSFETを並列に使用して行われ、ゲート電圧は約3.0 Vでした。

1 / Freq =オンタイム+オフタイム

最初に3.3 V、次に5.0 Vで電力を供給しながら、オン時間を10％から50％に変化させました。デューティサイクルと電圧の両方が増加すると、観察される輝度が増加しました。

1つのMOSFETを使用する場合に比べて2つのMOSFETを使用した場合、輝度が顕著に増加しました。

この周波数とデューティサイクルで測定されたLED電圧と電流は、私のDMMでは信頼できませんが、2ボルト@ 120 mA（240 mW）の読み取り値を取得することができましたが、それは塩の大きな粒で取ります。

これらのLEDは、5ボルト、38 kHzで40％のデューティサイクルで無期限に連続的に実行できます。5 Vおよび50％のデューティサイクルでは、寿命が長すぎるために少しトーストになりすぎます。

はい。LEDが十分に離れると（または見かけの画像が遮られて）、分散がノイズに近くなります。（スペックシートに優れた量子力学モデルが含まれている場合、Shockleyを気にしないでください！）LEDフラッシュ（2006年以降のカメラヴィンテージ）を使用して写真を撮った人はいませんか？