Пульсация светодиодных ламп

За относительно короткую историю электрического освещения (с середины XIX века – около 150 лет) мы уже привыкли использовать лампу накаливания, и она кажется нам естественной. Светит в ней раскаленный до яркого свечения металл, свет там такой же «физический», как, например, в костре или в печке. А он обладает естественными для нас свойствами – плавностью и инерционностью.

Солнце

Искусственный свет и его пульсация

Раскаленный металл, уголь при горении светят непрерывно, потому что рабочее тело, излучающее свет, достаточно медленно разогрелось до температуры свечения и остыть мгновенно, то есть потерять свойство светимости, просто физически не может. Кроме того, свет от таких источников является плавным и в смысле спектра: при горении ли, при свечении раскаленного металла или массивного газового шара, каким является Солнце, элементарными излучателями являются частицы, мечущиеся в тепловом движении, излучение которых является абсолютно хаотичным.

Результирующий спектр поэтому содержит все мыслимые частоты от инфракрасного до ультрафиолетового, и наш глаз к нему привык. И весь наш земной мир расцвечен всеми красками, что дает нам не только радость от созерцания красоты, но и способность ориентироваться и познавать мир и его объекты и обитателей.

Огонь

Свеча

Лампочка накаливания

Когда изобреталась лампочка, уже было выработано и переменное электрическое напряжение с частотой в 50 герц. Опыт использования его на таких лампах показал, что ее спираль, даже самая тонкая и легкая, остыть за доли секунды просто не в состоянии. Поэтому лампочка накаливания и вошла в наш быт без каких-либо вопросов. Она светит от напряжения, сто раз в секунду меняющегося от нуля до максимума, а на светимости это никак не отражается – для нас это свет непрерывный, естественный, хотя, быть может, кажется ближе к свету костра или свечи, чем дневного светила.

Ситуация изменилась, когда появились электронные способы извлечения света. Газосветная лампа холодная, и свет в ней производят электроны, бомбардирующие атомы очень разреженного газа. Светодиодные лампы твердотельные, но в них электроны тоже бомбят атомы (при электронно-дырочной рекомбинации) полупроводника, заставляя их выбрасывать кванты света.

Поток света уже зависит не от температуры массивного раскаленного тела, а от интенсивности такой бомбардировки, которую можно начать и прекратить в любой момент. Что и делают источники питания, как и прежде поставляющие переменное напряжение. Это сразу стало заметно глазу, кроме того, свет от такой лампы чаще всего отличается и спектральным составом от любого света, исходящего от раскаленного источника. В нем нет непрерывности по причине того, что атомы от удара электронов по ним испускают свет уже по квантовомеханическим законам, то есть строго дозированными порциями (квантами) определенных частот. Спектр получается линейчатым, наш глаз его воспринимает, только он уже не кажется естественным.

Во-первых, глаз различает его импульсность, картинка получается стробоскопической, то есть состоящей из множества отдельных кадров, которые производят вспышки света. Все вокруг то освещается, то гаснет в глубочайшем мраке (если нет других источников света). Такие отдельные кадры наш мозг все равно умеет сводить в единую последовательность, но на это уходит заметно больше энергии.

Во-вторых, неестественность спектра порождает и неестественность картины окружающего. При освещении монохромным светом мир перестает быть для нас узнаваемым. Отсутствие многокрасочности порождает ощущение мертвого мира, мы не различаем многое из того, что привыкли определять по цвету. И это тоже негативно действует на психику, которая тратит больше усилий на компенсацию этого недостатка в нашем информационном потоке.

По этим причинам сразу, как только был изобретен электронный свет, была поставлена задача сделать его более естественным.

  1. Люминофоры. Эта многочисленная группа веществ обладает свойством светиться под каким-либо воздействием и человечеству давно известна. Их и стали применять для замены электронного света на свет более естественный – люминофорный. Эти вещества могут поглощать «нехороший» квантовый свет и переизлучать его уже различными цветами и за более долгие промежутки времени. То есть «размазать» его по спектру и по времени. А значит, снизить и стробоскопичность, и монохромность электронного света.
  2. Использование источников постоянного напряжения для питания электронных светильников.
  3. Использование такой частоты работы светильника, которую глаз воспринимает как непрерывный свет. Исследования показали, что человеческий мозг видит мигание света выше частоты в 300 герц как непрерывный свет.

То есть эти проблемы считаются решаемыми. И промышленность сейчас выпускает лампы электронного света с более-менее приемлемым спектром излучения, а устройство управления питанием (драйвер), встроенное в лампу, заботится о постоянной для глаза светимости.

Но то, что прогресс в этой области заметен невооруженным глазом, говорит о том, что ресурсы для развития далеко не все еще исчерпаны. А отсюда следует, что:

  • Лампы, которые будут продаваться завтра, скорее всего, будут значительно лучше тех, что продаются сейчас.
  • Одновременно продаются лампы с разнообразными качественными характеристиками.
  • Этими обстоятельствами могут пользоваться не очень добросовестные продавцы и производители.

Поэтому нужно уметь проверять качество световых приборов доступными средствами:

  1. Нужно всегда внимательно читать, что написано на упаковке, прежде всего – дату производства. Лампа, выпущенная год назад, скорее всего, окажется уже морально устаревшей.
  2. Покупать лампочки производителей, заботящихся о своей репутации и честно поставляющих в продажу качественную продукцию.
  3. Уметь прикинуть основные параметры ламп, чтобы убедиться, что:
    1. Лампа соответствует тому, что написано на упаковке.
    2. Лампа подходит именно вам для того места в системе вашего освещения, которое вы ей отвели.

Определение пульсаций светодиодной лампы

Важно иметь объективную оценку такого параметра, как пульсация лампы. Дело в том, что импульсы, посредством которых работает электрический ток в электронных устройствах, могут иметь некоторое разнообразие форм. И эти формы по-разному могут восприниматься и воздействовать. Вот, например, какими бывают импульсы в электронных схемах, но даже если условно считать их прямоугольными, нужно помнить, что у них могут быть разные параметры.

Электрические импульсы разной формы
Электрические импульсы разной формы

Поэтому разработана единая характеристика – коэффициент пульсации, которая как раз и должна давать оценку воздействия на человека.

Замеряется прибором люксметр-пульсметр.

Люксметр-пульсметр
Люксметр-пульсметр

Принцип измерения следующий. Делаются многократные замеры освещенности с высокой частотой (1 000 герц и более), после чего выводится среднее значение освещенности за все время, а также величины освещенности максимальная и минимальная.

Далее вычисляется коэффициент пульсации по следующей формуле:

Коэффициент пульсации

Значения коэффициента пульсации при равномерных импульсах света
Значения коэффициента пульсации при равномерных импульсах света

Равномерные импульсы света прямоугольной формы, но немного разного вида дают вот такие, например, значения коэффициента пульсации. Видно, что «глубокое гашение» осветительного прибора в паузах очень плохо влияет на коэффициент – даже увеличив в 3 раза интервал светимости лампочки, мы тем не менее не получим значение Kп меньше 50%. А если, наоборот, увеличатся паузы между вспышками, то оно будет вообще выше 100%. Это очень плохо для глаз и мозга.

Видимо, самым лучшим из представленных будет последний вариант, потому хотя бы, что свет полностью не гаснет между импульсами. Во всяком случае, стробоскопический эффект будет не так заметен.

Введены в норму следующие значения Kп для различных помещений:

  • <10% – там, где ведутся работы, требующие высокой точности;
  • <10% – там, где вредны и опасны проявления стробоскопического эффекта пульсирующего освещения;
  • <10% – в детских и дошкольных учреждениях;
  • < 5% – для работы с компьютерной техникой.

Как мы знаем, в огромных залах производственных помещений с момента появления ламп, способных экономить электроэнергию, их и стали устанавливать в массовом порядке. Особенно если учесть, что на производстве принято включать свет во всех помещениях, и он горит сменами и сутками, понятно, что это совершенно оправдано. И как раз в них очень хорошо заметен стробоскопический эффект.

Это очень глубокая пульсация света – от максимума светимости до полной темноты. Обычно 100 раз в секунду, и это мигание заметно, если чем-то светлым просто махнуть перед глазами в пределах освещенности. Предмет будет по ходу своего движения исчезать и появляться. Еще проще можно наблюдать пульсацию так: зафиксировать зрение на лампе (конечно, если она не ослепительно яркая и матовая). После этого резко отвести глаза в сторону, ни на чем особенно не фокусируясь. Она будет мигать в наших глазах.

Стробоскопический эффект применяется для точного измерения скорости вращения. Используется лампа, испускающая импульсный свет частоты, сопоставимой с вращением объекта. На нем заранее рисуется крест. Если частота вращения не кратна частоте импульсов строба, то крест этот зрительно станет демонстрировать медленное вращение – в направлении вращения объекта или обратно. При изменении частоты строба будет меняться и скорость вращения креста, а когда частота строба и скорость вращения будут кратными, то крест остановится.

Но! Такой эффект может сослужить плохую службу. Патрон токарного станка, например, покажется стоящим неподвижно, когда его вращение будет кратным пульсации света. Такая иллюзия может кончиться весьма печально. Человек, не поняв, что станок вращается – шума в цехе обычно предостаточно, чтобы не услышать вращающийся на холостом ходу станок, – попытается работать со станком, как с выключенным: то есть возьмется за патрон рукой, попытается вставить ключ для установки или выемки детали, и тогда может случиться несчастный случай.

О стробоскопическом и родственных эффектах

Стробоскопический эффект – только одно из явлений взаимодействия периодических сигналов. Другое из них называется резонанс, и все о нем знают со школьной скамьи.

  • Есть еще взаимодействие, которое называют «биения». Оно может проявиться не только в световых сигналах, но и в сигналах другой природы, например, звуковых. Очень хорошо знаком (хотя не все знают, что это так называется) он гитаристу, который умеет настраивать гитару. Если пытаться путем вращения колка привести к одной частоте звучания две струны – одну свободную, а вторую – зажатую на определенном ладу, то их совместное звучание может быть неприятным и дребезжащим. Это и есть «биения» – частичный резонанс на близких частотах. Частота биений равна разнице частот двух струн, и когда они близки, то становится все меньше и меньше. Плохая настройка – это когда биения слышны как вибрация. А потом наступает момент совпадения и струны согласно зазвучат звонко и в унисон – наступает настоящий, точный резонанс. Нечто подобное иллюзии остановки нарисованного креста или патрона токарного станка при стробоскопическом измерении скорости вращения.

    Биения
    Биения
  • Из области световых эффектов сродни биениям такое явление, как муар. Когда накладываются две сетки с немного различающимся шагом (или фазой, направлением), то глаз начинает видеть еще одну сетку на этих двух – какую-то из темных линий поверх них – широкую и с плавными красивыми изгибами.

    Муар
    Муар
  • Такой же муар образуется и при наложении двух сеток в изображении в электронных приборах. Например, если на мониторе показывают передачу или фильм, в котором оказывается другой экран – монитора или телевизора, можно наблюдать муар из-за небольшого несовпадения частот или расположения, наклона двух сеток: строковой сетки одного монитора и строковой сетки другого. Обычно сеток телевизионных строк мы не видим, а муар, показывающий, в каких местах наблюдаются отклонения линий одной сетки от линий другой, видно невооруженным глазом. Причем если это несовпадение достаточно мало, то муар может быть просто огромным: широкие полосы затемнения или отчетливые мигания на экране (того, изображаемого телевизора).
  • При фотографировании экрана телевизора можно увидеть такую картину: изображение на телевизоре представляется узкой горизонтальной полосой на сфотографированном экране, все же остальное – темнота. Это тот же муар, только развернутый во времени – второй сеткой будет являться промежуток времени раскрытия затвора фотоаппарата. Обычно, чтобы избавиться от такого ненужного эффекта, достаточно на фотоаппарате установить большую выдержку, чтобы она на долю секунды превышала частоту кадров телевизора.
  • Если сфотографировать импульсную электронную осветительную лампу, то точно такое же биение будет наблюдаться и в ней. Вот поэтому и рекомендуется для установления факта пульсации светодиодной лампы ее сфотографировать цифровым фотоаппаратом, например, мобильника. Так как для фотографирования источника света программа, управляющая цифровой съемкой, установит достаточно короткую выдержку. И если пульсация светодиода есть, и период сопоставим с периодом выдержки, это покажет полученная цифровая фотография с темной полосой. А если полосы нет, значит или пульсации просто нет (на качественных лампах с хорошими блоками питания), или выдержка аппарата длиннее, чем период пульсации. То есть в последнем случае пульсация высокочастотная, и, следовательно, для наших глаз и мозга неприятных последствий не будет.

Глубокий стробоскопический эффект, видимо, может действовать на психику, как наркотик. Именно поэтому его часто специально устраивают в местах увеселения молодежи, особенно в паре с ударной оглушительной музыкой (а часто и вкупе с горячительными напитками). Тут, скорее всего, имеют место биения, когда мощные световые и звуковые сигналы вступают во взаимодействие теперь уже с частотами электрической активности нашего мозга. Что, быть может, не так уж и вредно, хотя неплохо бы провести дополнительные исследования.

Похожие публикации
Adblock detector