Мерцание света - важно или нет?


Мерцание света - невидимый источник проблем

Тема воздействия высокой частоты мигания света источников освещения на окружающий мир периодически становится предметом активного обсуждения специалистов. Статьи, поднимающие вопросы о мере влияния невидимого глазом мигания многих современных источников освещения, опубликованы во многих тематических журналах. В частности Rebekah Mullaney, своими публикациями надеется поощрить производителей светодиодных светильников и дистрибьюторов уделять больше внимания поиску решения, наиболее подходящего для благополучия людей.

Знаете ли вы, что большинство источников света в офисных зданиях не обеспечивают непрерывный свет? Высокие частоты мигания едва заметны для невооруженного глаза, но исследования показали, что определенные уровни воздействия мерцающего света могут быть опасными для здоровья человека.

Тем не менее, жестокая ценовая война, начавшаяся с 2012 года, заставляла малые, средние и даже крупные корпорации снижать стоимость изделий в ущерб качеству, оставляя открытым вопрос о том, какое внимание производители уделяют вопросам качества освещения.

Откуда берётся мерцание света?

Все источники света, работающие на переменном токе (AC), создают мерцающий световой поток из-за флуктуаций тока и напряжения. Флуоресцентные лампы, натриевые лампы высокого давления (HPS), светодиодные источники света имеют общую природу мерцания. Для обеспечения наиболее комфортного и безопасного освещения, требуется питание постоянным током (DC). Частота электрической сети обычно составляет 50 или 60 Гц, частота мерцания люминесцентной лампы обычно выше в два раза частоты электроэнергии, 100 или 120 Гц. Мерцание с малой частотой, примерно от 3 до 70 герц, может привести к судорогам у чувствительных людей, в то время как умеренная частота мерцания, от примерно 100 Гц до примерно 500 герц, незаметна человеческому глазу и может воспринимается только через стробоскопический эффект, однако может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья человека, таким как головная боль, напряжение глаз и усталость.

Стробоскопический эффект заключается в восприятии глазом объектов, освещаемых вспышками света, когда объекты в движении могут отображаться в виде серии неподвижных изображений.

Стробоскопический эффект можно наблюдать несколькими способами. Самый простой - посмотреть на источник света с помощью цифрового фотоаппарата, результат показывает характерный волновой эффект, как на изображении 1. Множественные тени движущегося объекта, как показано на рисунке 3, также являются характерным признаком стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект может привести к ложной интерпретации работы механизмов, например видимость замедленного или неподвижного состояния быстро движущихся элементов.

Стробоскопический эффект

Рисунок 1 взят с камеры телефона с видимым волновым эффектом стробоскопического источника света, в то время как рисунок 2 такого эффекта не имеет. Фотографии 3 и 4 показывают, что объект в движении, снятый под стробоскопическим источником света, создает перекрытие тени. В случае без стробоскопического эффекта, фото показывает непрерывное движение без присутствия перекрывающихся теней.

Измерение уровня мерцания

В настоящее время нет официальной стандартной процедуры для измерения мерцания, но Светотехническое общество (IES) разработало две методики для количественной оценки мерцания, которые описаны в рекомендациях по разработке осветительных приборов. Первая и наиболее часто используемая методика основана на вычислении процента мерцания. Процент мерцания указывает на среднее количество модуляции или снижения светоотдачи одного цикла включения-выключения. Источник со 100-процентным мерцанием означает, что в какой-то момент цикла он не производит никакого света, в то время как полностью устойчивый свет будет иметь нулевой процент мерцания.

Другая методика даёт индекс мерцания в интервале от нуля до единицы. Индекс мерцания учитывает процент мерцания и две других переменных: форму кривой изменения интенсивности источника света, или выходной кривой, и скважность мигания, которая указывает отношение времени, когда источник света включен к полному циклу включения-выключения. Чем ниже процент мерцания и индекс мерцания, тем меньше источник мигает или создает ощутимый стробоскопический эффект.

Измерение уровня мерцания

Мерцание различных источников света
Технология Процент мерцания Индекс мерцания

Лампа накаливания 6,3 0,02
Линейная лампа T12 с электромагнитным ПРА 28,4 0,07
Спиральная компактная люминесцентная лампа (CFL) 7,7 0,02
Офисный люминесцентный светильник с электромагнитным ПРА 37 0,11
Офисный люминесцентный светильник с электронным ПРА 1,8 0,00
Металл-галогенная лампа 52 0,16
Натриевая лампа высокого давления 95 0,3
Светодиодная лампа с стабилизатором тока 2,8 0,0037
Светодиодная лампа без стабилизатора 99 0,45

Несмотря на то, что традиционные лампы накаливания питаются переменным не стабилизированным током, уровень мерцания таких ламп невысок. Спираль лампы накаливания просто не успевает остыть до следующего импульса тока. Совершенно иначе ведут себя люминесцентные и газоразрядные лампы. Они выключаются практически мгновенно при отключении энергии. В 90-х годах прошлого века, решением этой проблемы стало использование электронных балластов (ЭПРА), которые подавали на лампу частоту более 20 кГц, что делало мерцание невидимым для глаза.

Почему мерцают светодиоды

Светодиоды могут давать мерцание света даже больше, чем лампы накаливания или люминесцентные лампы, поскольку являются прямыми преобразователями электрической энергии в свет. Это означает, что пока подается постоянный ток, светодиод будет гореть без мерцания. Как только ток прекратится, светодиод мгновенно погаснет. Если же ток изменится, то пропорционально изменится и световой поток.

В случае простой схемы питания светодиода, в которой нет стабилизации постоянного тока с помощью драйвера, яркость светодиода будет изменяться одновременно с циклом переменного тока. Выпрямленный переменный ток вызывает пульсации напряжения и тока на светодиоде. Эта пульсация, как правило, происходит на удвоенной частоте питающей сети - 100 или 120 Гц (США) и также в точном соответствии пульсирует световой поток.

Диммирование является другой основной причиной мерцания. Обычные диммеры, например тиристорные, модулируют напряжение за счет изменения времени выключения в цикле включения-выключения, снижая световой поток. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) меняет яркость свечения, включая и выключая светодиод на частотах, в идеале превышающих 200 герц.

Диаграммы мерцания

Воздействие мерцания света на человека

В документах Министерства энергетики США 2013, посвященных исследованиям влияния мерцания света на человека отмечается, что низкая частота мерцания может вызывать эпилепсию, люминесцентные лампы с электромагнитным ПРА, используемые в офисе, также могут вызывать головные боли, усталость, размытие и ухудшение зрения. Стробоскопический эффект иногда вызывает иллюзии при движении в ночное время, в результате чего движущиеся объекты могут показаться замедленными или стоящими на месте. Кроме того, такой эффект также потенциально опасен в промышленных условиях, может привести к проблемам безопасности в строительстве.

Есть определенные группы людей, более уязвимых для негативных последствий мерцания, в том числе дети, больные аутизмом, страдающие мигренью и больных эпилепсией. Поскольку мерцание недоступно для восприятия невооруженным глазом, люди обычно не осознают, что причина дискомфорта, возможно, заключается в мерцании. В этом случае, может быть снижена определенная степень усталости, и повышена общая эффективность работы при изменение качества света.

Методы снижения мерцания светодиодного освещения

Снизить мерцание света позволяет драйвер питания, который может устранить проблему, подавая на светодиод постоянный ток без пульсаций. Однако производители при выборе драйвера питания для своих продуктов учитывают множество факторов, таких как стоимость, размер, надежность и эффективность. Кроме того, область использования светильника также играет роль - мерцание может быть допустимым в определенных условиях освещения.

Производители всегда пытаются оптимизировать полезные качества устройств ровно настолько, сколько требует приложение. Это относится и к мерцанию. Конденсаторы существенной ёмкости могут помочь сгладить пульсации тока, но они тоже имеют недостатки, например они имеют существенный размер и чувствительны к перегреву. В пространстве, которое часто слишком мало, например, во многих светодиодных сменных лампах, большие конденсаторы неприемлемы. Простейшие выпрямители переменного тока с использованием конденсаторов большой ёмкости снижают коэффициент мощности устройства.

В случае светодиодных ламп с диммированием, производители могут модулировать ток с очень высокой частотой, превышающей несколько тысяч герц. Это похоже на электронные балласты для люминесцентных ламп. Однако, чем выше частота, тем ближе физически драйвер должен быть к светодиоду. Иногда потребители хотят располагать драйвер в стороне от системы освещения что не всегда возможно.

Необходимость изготовления устройства питания компактным, эффективным, надёжным, при этом не производящим электромагнитных помех в эфир и питающую сеть, имеющим высокий коэффициент мощности не делает его дешёвым. Однако, среди массы различных вариантов реализации, можно найти золотую середину - приемлемое качество при адекватной цене.

Различные организации, например Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST), U.S. Environmental Protection Agency, National Electrical Manufacturers Association (NEMA) устанавливают лимиты на технические параметры устройств освещения, которые производители не должны превышать. Таким образом, создаётся база стандартов и рекомендаций, следуя которым, производители вынуждены производить качественные изделия.

Литература:

Led Professional - Trends & Technologies for Future Lighting Solutions, Jan 15, 2015

ASSIST Recommends … Flicker Parameters for Reducing Stroboscopic Effects from Solid-State Lighting Systems, by the Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies and the Lighting Research Center, May 2012

“Flicker happens. But does it have to?” by Cree, 2013.

“Exploring flicker in Solid State Lighting: What you might find, and how to deal with it,” by Michael Poplawski and Naomi Miller, Pacific Northwest National Laboratory, 2011.

Dimming LEDs with Phase-Cut Dimmers: The Specifier’s Process for Maximizing Success, ibid., October 2013.

Назад к каталогу статей >>>

Метки: