Мерцание света и конструкции источников питания

Биологические эффекты мерцания света были тщательно исследованы квалифицированными учеными, и хотя это сложный вопрос с множеством переменных, в LTF Technology в первую очередь фокусируются на оптоэлектронном проектировании, разработке и производстве исключительных продуктов, а не на биологии. В этом документе предоставлен краткий обзор определений мерцания со ссылкой на соответствующие исследования, оставив подробное обсуждение биологических эффектов экспертам. Цель — подчеркнуть важность немерцающих светодиодных осветительных приборов и подтвердить приверженность LTF Technology разработке продуктов с глубоким пониманием биологического воздействия искусственного света на человека. Также уделено внимание роли конструкции и характеристик светодиодных драйверов при мерцании света.

Что такое видимый свет

Начнем с ответа на вопрос: что такое видимый свет? Проще говоря, видимый свет — это форма энергии, которую мы можем воспринимать глазами. Видимый свет относится к энергии частиц в спектре электромагнитного излучения в диапазоне 380–700 нм (нанометров) и обнаруживается человеческим глазом. Свет необходим для нашего благополучия, поскольку он влияет на наш режим сна, уровень витамина D, настроение и многое другое.

Мерцание света

Что такое мерцание? Мерцание можно определить как нерегулярные быстрые изменения амплитуды или интенсивности света в течение короткого периода времени (частоты), которые могут восприниматься или не восприниматься нашими глазами. Мерцание, возникающее на частоте ниже 100 Гц, называется видимым мерцанием, а мерцание с более высокой частотой называется невидимым мерцанием. Мнения относительно частоты, при которой мерцание становится невидимым, расходятся. Для целей данной статьи отметим, что мерцание с частотой выше 100–120 Гц нелегко увидеть, но все же можно ощутить в зависимости от фона и индивидуального восприятия.

Согласно имеющимся исследованиям, как видимое, так и невидимое мерцание связано с некоторыми последствиями для здоровья. Исследования (1) показывают, что мерцание флуоресцентного света вызывает высокий уровень головных болей на рабочем месте и напряжения глаз, и между этими симптомами существует корреляция. Поскольку светодиодное освещение является доминирующей технологией в различных приложениях, изучение эффектов мерцания светодиодов стало еще более важным.

Более ранние исследования, проведенные Арнольдом Уилкинсом (2) из Университета Эссекса, показали, что работа при флуоресцентном освещении может быть опасна для здоровья. Исследование показало, что офисные работники в среднем в два раза реже испытывают головные боли при немерцающем свете. Поскольку мерцание светодиодов еще более интенсивное, а свет затемняется на 100% вместо примерно 35%, как у люминесцентных ламп, существует вероятность того, что светодиоды могут вызывать головные боли еще чаще.

Некоторые общие симптомы воздействия мерцания освещения на человека включают в себя:

1. Нарушенные циркадные ритмы:
   • Мерцающий светодиодный свет, особенно на определенных частотах, может нарушить циркадные ритмы и режим сна.
2. Усталость и напряжение глаз:
   • Длительное воздействие мерцающего светодиодного света может привести к усталости и напряжению глаз, что отрицательно влияет на производительность и благополучие.
   • Резкие изменения интенсивности света могут привести к перегрузке зрительной системы, что приведет к дискомфорту глаз, сухости и снижению зрительной работоспособности.
3. Потенциальные проблемы со здоровьем:
   • Лица со светочувствительными заболеваниями, такими как эпилепсия или мигрень, могут испытывать неблагоприятные физиологические реакции на мерцающий светодиодный свет.
   • В этих случаях мерцание может вызвать судороги, мигрень или другие симптомы, что подчеркивает важность минимизации мерцания для уязвимых групп населения.

Роль источников питания светодиодов в мерцании

На величину мерцания светодиодного освещения напрямую влияют качество конструкции его источника питания (светодиодного драйвера), а также задействованных устройств управления яркостью и совместимости этих двух основных компонентов. В отрасли имеется множество отличных конструкций и топологий светодиодных драйверов. Однако когда дело доходит до разработки и производства светодиодных драйверов, которые являются чрезвычайно надежными, высокопроизводительными, с высокой удельной мощностью, полностью регулируемыми, совместимыми с широким спектром диммеров, не мерцающими, соответствующими отраслевым стандартам, настраиваемыми, легкодоступными и экономически эффективными, необходимо превзойти базовые базовые принципы проектирования. В компании LTF Technology эта задача стала искусством проектирования и проектирования, в результате чего были созданы точно настроенные, надежные инструменты, обеспечивающие плавный поток электронов и фотонов, которые мы называем светодиодными драйверами LTF, Light engines и лампами Sunlight®.

Разработка изолированного драйвера светодиодов, оснащенного квазирезонансным обратноходовым преобразователем с высоким коэффициентом мощности, и применение методов регулирования постоянного тока позволят генерировать синусоидальную форму тока на входе источника и обеспечивать стабильный выходной постоянный ток на вторичной стороне. Устраняя необходимость в оптопаре или других средствах организации изолирующего барьера для целей обратной связи, мы не только уменьшаем размер драйвера, но и повышаем его безопасность и надежность. В процессе точной настройки схемы учитываются факторы, присущие методу управления, влияющие на форму электрического тока.

Светодиодным потребителям требуются определенные токи при правильном напряжении, которые зависят от конфигурации светодиодной матрицы и номинальной мощности. Светодиодные матрицы могут быть сконфигурированы как нагрузки постоянного напряжения или нагрузки постоянного тока. Поэтому компания LTF разработала драйверы светодиодов серии DA для входного напряжения 120 В переменного тока и серию DS для входного напряжения 120–277 В переменного тока с номинальной мощностью от 2 Вт до 300 Вт, которые подходят для различных условий работы светодиодов с моделями с постоянным выходным током и постоянным напряжением. Мы также предлагаем компактную серию DL для низковольтных драйверов с входом 12 В переменного/постоянного тока и 24 В переменного/постоянного тока, предназначенных для COB или маломощных светодиодных матриц, все с постоянным выходным током.

Преимущества продукции LTF с инженерной точки зрения

• Широкий выбор вариантов драйверов постоянного тока с функцией устранения пульсаций для снижения мерцания.
• Многокаскадные преобразователи для драйверов серии DL для снижения или устранения пульсаций выходного тока.
• Гибкие методы регулирования яркости, включая регулирование по переднему фронту, заднему фронту, затемнение 0–10 В и беспроводное затемнение.
• Высокий КПД, высокий коэффициент мощности, низкий коэффициент гармонических искажений (THD) входного тока.
• Низкий уровень электромагнитных помех (EMI).

Изображения графика осциллографа № 1, иллюстрирующие низкий процент мерцания <1% мерцания серии LTF DA. Светодиодный драйвер как с подключенным диммером, так и без него.

#1 Демонстрация входного напряжения и выходного тока

#2 Демонстрация входного напряжения и выходного тока, тиристорный диммер.

Для MR16 Sunlight2® на изображениях №3 и 4 мы демонстрируем входное мерцание при 100 % и почти полное отсутствие мерцания на выходе светодиодного драйвера с мерцанием менее 1 % в лампах Sunlight2® MR16, демонстрируя значительное снижение мерцания с диммером или без него.

#3 Демонстрация высокочастотного входного сигнала со 100% мерцанием. Напряжение и выходное напряжение без мерцания светодиодного драйвера в лампах Sunlight2® MR16.

#4 Демонстрация высокочастотного входного напряжения со 100% мерцанием при уровне диммирования 50% и отсутствие мерцания на выходе светодиодного драйвера в лампах Sunlight2® MR16.

Световые излучатели LTF Quantum Lux ™ могут напрямую управляться входным сетевым напряжением и регулироваться с помощью Triac диммера или ELV, легко интегрируются в систему освещения без внешнего светодиодного драйвера. Они имеют более высокий коэффициент мощности, низкие коэффициенты нелинейных искажений и электромагнитные помехи, а также самую низкую частоту мерцания по сравнению с другими продуктами на рынке.

Световые излучатели LTF Quantum Lux™ AC DOB, такие как QLUXDOBAL30516W28LED930K, имеют более низкий процент мерцания,

# Форма сигнала входного тока и выходного напряжения с датчика светового потока для новых Quantum Lux™ AC DOB при уменьшенном уровне яркости с мерцанием менее 2 %

# Сигналы входного тока и выходного напряжения с датчика светового потока для новых Quantum Lux™ AC DOB без диммера с мерцанием менее 2 %

Обзор диапазона регулировки яркости и вариантов пониженного мерцания: Достижение широкого диапазона регулировки яркости без мерцания представляет собой сложную задачу. Когда рабочий цикл приближается к 0% или 100%, амплитуда мерцания имеет тенденцию увеличиваться. В большинстве случаев существует несколько подходов, которыми инженер-конструктор может воспользоваться в зависимости от применения продукта и других требований.

1. High Frequency PWM:  Increasing the PWM frequency helps reduce flicker perception by shifting it outside the range of human visual sensitivity.
   • A higher frequency, typically above 1 kHz, minimizes the perception of flicker and improves visual comfort. 
2. Hybrid Dimming:
   • Combining PWM dimming with other methods, such as analog or digital control, can mitigate flicker issues.
   • Transitioning to another dimming method at lower light levels effectively reduces or eliminates flicker.
3. Алгоритм без мерцания:
   • Реализация интеллектуальных алгоритмов в драйверах светодиодов позволяет динамически регулировать рабочий цикл ШИМ для минимизации мерцания.
   • Эти алгоритмы отслеживают реакцию человеческого глаза и оптимизируют профиль затемнения для обеспечения работы без мерцания.
4. Адаптивное управление:
   • Методы адаптивного управления регулируют параметры ШИМ на основе обратной связи в реальном времени.
   • Постоянно отслеживая уровень мерцания и предпочтения пользователя, система может динамически оптимизировать параметры затемнения для уменьшения мерцания.
5. Синхронизация:
   • Синхронизация частоты регулировки яркости ШИМ с частотой сети переменного тока помогает уменьшить заметное мерцание.
   • Эта синхронизация сводит к минимуму помехи между светодиодным драйвером и электросетью, что приводит к более плавному уменьшению яркости.
6. Калибровка и тестирование:
   • Строгие процессы калибровки и тестирования имеют решающее значение для обеспечения работы без мерцания.
   • Измерение и анализ показателей мерцания, таких как индекс мерцания и глубина модуляции, помогают проверить эффективность методов подавления мерцания.

Решая эти проблемы и внедряя соответствующие решения, разработчики светодиодных драйверов могут добиться затемнения без мерцания, повышая визуальный комфорт и обеспечивая превосходное качество освещения. Продолжение исследований и разработок в этой области приведет к дальнейшему совершенствованию методов подавления мерцания, что приведет к еще большему повышению производительности и удовлетворенности пользователей.

Измерение мерцания

Глубина модуляции (MD) — это показатель, используемый для количественной оценки степени изменения светоотдачи во время регулировки яркости светодиодов с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он измеряет разницу яркости между включенным и выключенным состояниями светодиода. Глубина модуляции обычно выражается в процентах и рассчитывается путем деления разницы между максимальной и минимальной интенсивностью света на максимальную интенсивность.

MD = (I max – I min) / Imax

Где:

• I max – максимальная интенсивность света во включенном состоянии ШИМ-сигнала.
• I min – минимальная интенсивность света в выключенном состоянии ШИМ-сигнала.

Глубина модуляции напрямую влияет на заметность мерцания. Более высокие значения глубины модуляции указывают на большую разницу в интенсивности света между включенным и выключенным состояниями, что приводит к более заметному мерцанию. И наоборот, более низкие значения глубины модуляции указывают на меньшую разницу и уменьшенное мерцание.

При диммировании светодиодов без мерцания желательно минимизировать глубину модуляции, чтобы обеспечить плавное и непрерывное затемнение без заметного мерцания. Этого можно достичь за счет оптимизации рабочего цикла ШИМ, частоты и алгоритмов управления для создания постепенного перехода между уровнями яркости.

Точное измерение и контроль глубины модуляции имеют решающее значение для оценки качества регулирования яркости в системах светодиодного освещения. Это помогает оценить эффективность методов подавления мерцания и гарантирует, что светодиодный драйвер работает в приемлемых пределах визуального комфорта.

Рассматривая глубину модуляции как часть процесса проектирования и тестирования, производители светодиодов и дизайнеры освещения могут предложить решения по затемнению без мерцания, которые обеспечивают высококачественное и визуально комфортное освещение для пользователей.

О LTF:

Технология LTF®: стимул для творчества и инноваций в светодиодном освещении. Технология LTF® подпитывается непоколебимой страстью к разработке новых продуктов, движимой творчеством и инновациями. С 2007 года мы стали известной инжиниринговой компанией и производителем OEM-компонентов светодиодного освещения, обслуживающих отрасли архитектурного, коммерческого и жилого освещения по всему миру. Наша преданная команда в LTF стремится расширять границы передового проектирования, новаторского дизайна и передовых технологий для создания самых качественных, надежных и универсальных компонентов освещения, доступных на рынке. Благодаря нашему стремлению к совершенству компания LTF Technology зарекомендовала себя как лидер в отрасли. Мы понимаем растущие потребности наших клиентов и стремимся оставаться в авангарде инноваций в области светодиодного освещения. Объединив наш обширный опыт с неустанным стремлением к совершенству, мы разработали широкий ассортимент продукции, отвечающей разнообразным требованиям наших клиентов. В LTF мы считаем, что инженерное дело — это искусство. Наша команда опытных профессионалов подходит к каждому проекту с творческим подходом, преодолевая трудности и ища уникальные решения. Мы преуспеваем в воплощении идей в реальность и гордимся тем, что предоставляем продукты, которые превосходят ожидания. Инновации являются движущей силой нашего успеха. Мы постоянно изучаем новые технологии и отраслевые тенденции, чтобы гарантировать, что наши осветительные компоненты находятся на переднем крае инноваций. Оставаясь на шаг впереди, мы предоставляем нашим клиентам передовые решения, которые улучшают их дизайн освещения и повышают качество их проектов. Надежность лежит в основе всего, что мы делаем. Мы понимаем, что наши осветительные компоненты имеют решающее значение для успеха проектов наших клиентов, и серьезно относимся к этой ответственности. Благодаря строгим испытаниям, тщательным мерам контроля качества и надежным производственным процессам мы гарантируем, что наша продукция неизменно соответствует самым высоким стандартам производительности и надежности. Имея глобальное присутствие и стремясь удовлетворить потребности OEM-клиентов, LTF Technology стремится поставлять осветительные компоненты, выходящие за рамки освещения. Мы стремимся вдохновлять, преобразовывать и улучшать пространства, в которых установлены наши продукты. Присоединяйтесь к нам в этом путешествии творчества, инноваций и совершенства, поскольку мы продолжаем освещать мир передовыми решениями светодиодного освещения. Почувствуйте разницу LTF и узнайте, почему нам доверяют профессионалы отрасли по всему миру.

References:
1. Dr. G.W. Brundrett (1974), Human sensitivity to flicker.
2. Dr. Arnold Wilkins, 2017, The scientific reason you don't like LED bulbs.

2023 Luger Research e.U. – Institute for Innovation & Technology

<< Предыдущая статья

Следующая статья >>