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LEDをパルス点灯させた場合の見掛けの明るさ、実験結果

 居酒屋ガレージ日記さんの、Arduino UNOでLEDの駆動デューティーを変えてみる の記事を見て、「LEDをパルス点灯させるとDC点灯より明るく見える」という話を思い出しました。7セグLEDなどの点灯方法の解説にもよく書かれているのですが、ダイナミック点灯させたほうが、直流点灯より明るく見えるという話です。

 この話には時々出くわしていて、私が最近気になっているチャーリープレクシング回路の解説の中にも出て来ました。また、チャーリープレクシングとは書かれていませんが、MICROCHIP社のComplementary LED driveの資料にも同じ話が出てきます。

 ただ本当にそんなことがあるのか、以前からちょっと「まゆつば」だなーと思っていたので自分で確認してみることにしました。

 DCとパルス点灯した場合の明るさを比較するために、次のような回路を考えました。

▼確認回路
LEDパルス/DCドライブ明るさ比較回路
 点灯させるのはLEDが一つだけで、これをQ1でDC点灯、Q2でパルス点灯させる回路です。DC点灯を基準とし、パルス点灯させた場合の見掛けの明るさが同じに見えるようにVR1を調整します。流れる電流はシャント抵抗で検出し、フィルターで平均値を出す回路になっています。視線の移動は無く、同じLEDを見ているだけなので、小さな明るさの違いも判り易いはず、というのがこの回路の狙いです。

 スイッチを押すと直流点灯、離すとパルス駆動になるので、LEDを見ながらスイッチをON/OFFさせながら、VR1を調整することで見掛けの明るさを一致させます。これ、回路としては簡単なロジックなのでArduinoを使うまでも無かったのですが、最初はパタパタと自動切換えなどをさせようと考えていたので、こんなことになっています。なお、パルスは自作のパルスジェネレーターで発生させています。

▼回路全体
測定回路
 左上が自作のパルスジェネレーター。明るさ調整と書いてあるツマミがパルス駆動の明るさ調節(VR1)で、操作性を良くするためにありあわせの木の板に取り付けました。

LEDと切り替えスイッチ
 確認用のLEDと切り替え用の押しボタンです。LEDを見ながらボタンを押して明るさの違いが無くなるように調整つまみを廻します。なお使ったのは赤色のLEDで秋月で買った超高輝度の物です。

▼測定結果
測定結果
 駆動周波数は30Hzから10kHz、デューティーは95~1%の範囲で変化させました。なお、表内の値は10Ωの抵抗の両端電圧をmVで表しているので、実際の電流はこの1/10倍mAになります。

▼グラフ
LEDパルスドライブ測定結果グラフ
 デューティーを下げると電流の値が小さくなっています。つまり、同じ明るさににするための電流は小さくなっています。大雑把な傾向で言うと、デューティー10%以下なら、60%の電流でもDCと同じ明るさに見える、というのがこのグラフの結論です。

 この結果、にわかには信じ難いですが、事実みたいです。ただ、周波数が10kHzでも同じ傾向になっていて、人間の目がこんなに高速で変化する明るさの変化に影響を受けるとは考え難いです。ということで、回路的なメカニズムやLEDの発光の特性が見えている可能性があります。

▼CDSで明るさをチェック
CDSで確認
 簡単に出来るセンサーを使った明るさのチェック、ということでCDSをLEDの上に載せて抵抗(= 明るさ)を測ってみました。表の右下の一点だけのチェックですが、センサーで測ってもDCとパルス点灯で明るさの違いは認められませんでした。つまり、センサーで見ても明るさは同じだが、消費電流は約40%少ないという現象は再現していました。(ただ、人間の目で同じ明るさに見えていてもセンサーで測ると20%くらいは明るさが違っていたりします。)

◆考察
 さて、この結果をどう見るかです。素直に結果を受け入れれば、LEDをパルス点灯すれば、60%の電流でも同じ明るさを得ることが出来る、ということになります。消費電力が問題になる場合、これは大きなメリットになります。

 ところで、LEDの発光効率を上げるのにものすごい努力(投資)が行われています。これをパルス点灯するだけで何割も改善が出来るなら、みんなが飛び付きそうな話です。でも現実はそうなっていないので、何か問題というか、どこかに考え間違えがあるのかも知れません。もう少し検討してみたいと思います。

◆関係がありそうな用語、資料
 ・ブロッカ・ザルツァー (Broca - Sulzer) 効果
 ・トールボット・プラトー (Talbot - Plateau) の法則
 ・パルス駆動による視覚心理効果を用いたLED照明の高効率化技術(愛媛大学)
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