Коэффициент пульсации светодиодных ламп

Источники искусственного света различаются электротехническими и оптическими характеристиками. Потребляемая мощность, номинальное напряжение — это электрические параметры. К оптическим относятся такие, как яркость, цветовая температура. Коэффициент пульсации светодиодных ламп тоже является оптическим параметром. Его можно увидеть визуально, измерить, вычислить, изменить. Показатель подлежит нормированию, поскольку чрезмерное мерцание ламп плохо сказывается на восприятии и здоровье человека.

Что такое коэффициент пульсации?

Согласно официальному определению коэффициент пульсации — это показатель качества светового потока светильников, которые питаются переменным током. Для его вычисления используется следующая формула:

Кп = (Емакс — Емин) / 2 Еср * 100%

где:

• Кп — коэффициент пульсаций, выраженный в процентах (%);
• Е — яркость источника света, максимальная, минимальная, средняя.

Пульсация ламп измеряется прибором, который с большой разрешающей способностью (до 1000 раз в секунду) определяет яркость света источника. Если яркость всегда одинаковая, то Кп равен нулю. То есть пульсации отсутствуют. Если лампа периодически светит на полную яркость и гаснет полностью — Кп 100%.

Подробнее о коэффициенте пульсации ламп

По официальному определению и формуле может быть сложно понять, что такое мерцание света, и как это работает. Поэтому рассмотрим то же самое, но “на пальцах”. Возьмём простую лампочку накаливания, и подадим на неё питание в виде переменного тока с частотой 50 Гц. Что представляет собой такой ток? Это ток, который меняет свою полярность 50 раз в секунду. Пока он это делает, лампа то получает питание, то нет. Спираль из-за этого не светится стабильно в полный накал. В моменты, когда переменный ток меняет полярность, она немного притухает. Так и возникают пульсации света.

Чем хороша лампа накаливания, так это тем, что пульсации у неё незначительные. Это благодаря тому, что тело накала обладает природной инерционностью, и не успевает полностью остыть за столь короткие промежутки времени. В результате свет меняет яркость незначительно. Если вернуться к формуле выше, то можно понять, почему Кп у ламп накаливания небольшой. Но и не нулевой. В среднем, 5-15%.

Пульсация (мерцание) светодиодных ламп может варьироваться в диапазоне от 0% до 100%, чего не может быть с лампой накаливания в принципе. Откуда такой широкий диапазон? Всё дело в организации питания светодиодной матрицы. Светодиоды не работают на переменном токе. Им нужен постоянный. Чтобы его получить, в лампы встраивается небольшая схемка, которую принято называть громким для неё словом — драйвер.

Что он собой представляет? Самый простой “драйвер” состоит из диодного моста, который должен выпрямлять переменный ток, и сглаживающего конденсатора. Выпрямитель “обрезает” синусоиду переменного тока, “не позволяя” ему менять свою полярность. Он превращается в постоянный. Конденсатор нужен для того, чтобы сгладить пульсации тока, который хоть и выпрямлен, но, всё же, состоит из “половинок синусоиды”.

Качество сглаживания напрямую зависит от ёмкости конденсатора. Деталь это сравнительно громоздкая и дорогая. Поэтому, если производитель пожадничал или не смог впихнуть в цоколь лампы нормальный конденсатор — коэффициент пульсации светового потока светодиодных светильников в вашем доме будет запредельным.

Проблема усугубляется ещё и тем, что светодиод в отличие от нити накаливания не обладает тепловой инерционностью. То есть, когда питание падает, он тут же гаснет. Поэтому некоторые дешёвые светодиодные лампы могут буквально гаснуть по 100 раз в секунду во время работы. Невооружённым глазом такую пульсацию не видно. Однако это не значит, что нервная система и мозг не реагируют на неё.

Как проверить пульсацию светового потока?

Чтобы точно определить коэффициент пульсации светодиодных светильников, нужен специальный прибор. Перечень моделей, которые для этого предназначены, приведён в ГОСТ Р 54945-2012. Они имеют компактные размеры и оснащены датчиком для измерения яркости источника света. Встроенная электроника засекает изменения яркости в высоком разрешении, производит вычисления по заложенному в память алгоритму, и выдаёт готовый результат в процентах.

Определить наличие мерцаний можно и более доступными методами. Например, при помощи карандаша или камеры смартфона. Подчеркнём, что эти приспособления позволяют только определить пульсации. Оценить же их в числовом выражении таким образом не получится. Более того, через камеру смартфона можно увидеть мерцания, которые вполне укладываются в норматив.

Как это работает на практике? Возьмите простой карандаш за кончик, и быстро машите им перед тестируемым источником света. Если при определённой частоте движения ваш глаз выхватит несколько карандашей одновременно — пульсации есть, и они существенные. При отсутствии мерцаний или при низком их коэффициенте карандаш будет всегда один, как бы быстро вы им не махали.

С камерой смартфона итого проще. Включите её, поднесите поближе к источнику света, наведя объектив прямо на него. При наличии пульсаций на экране появятся чёрные горизонтальные полосы. Увидеть их можно будет и на фотографии, если автоматика камеры сделает снимок при определённой выдержке. Напомним, что этот способ не пригоден для оценки качества источника света, поскольку чёрные полосы могут быть видны и при маленьком Кп.

Хороший самодельный прибор для измерения пульсаций показал на Ютубе блогер по имени Дмитрий Коржевский. В своей конструкции он использовал китайскую блютуз колонку-радио и элемент солнечной панели. Такой прибор уже не просто показывает факт наличие пульсаций, но также позволяет оценить их амплитуду. А значит сделать выводы относительно качества драйвера светодиодного светильника.

Видеоролик про самодельный индикатор мерцания:

ИНДИКАТОР МЕРЦАНИЯ — в каждую избу!

Допустимые нормы пульсации

В нашей стране для нормирования пульсаций освещения есть несколько нормативных документов. Вернее, об этом есть упоминание в нескольких документах. В первую очередь, это СанПин 2.2.1 2.1.1.1278-03, в котором сказано, что в производственных помещениях коэффициент пульсаций не должен превышать 10-20%. Для жилых комнат в этом документе соответствующей нормы нет.

Однако такие нормы можно найти в СП 52.13330.2016. В таблице №4.2 приводятся требования к качеству освещения не только общественных и административно-бытовых помещений, но и жилых. Согласно этим требованиям коэффициент пульсации не должен превышать 15-20%. К сожалению, для обычного потребителя эти нормативы не более, чем просто цифры. Возможность измерить этот показатель при покупке ламп отсутствует. По понятным причинам продавцы китайских лампочек таких приборов при себе тоже не держат.

Влияние пульсаций на здоровье человека

Если частота мерцания светодиодных ламп не превышает 300 Гц, а Кп выше 20% — такое освещение плохо сказывается на самочувствии и здоровье в целом. Проблема усугубляется тем, что мы не способны понять, пульсирует свет, или нет. Невооружённым глазом мы можем увидеть пульсации с частотой до 25-30 Гц. Если частота выше, зрение их не воспринимает. Однако сетчатка на такие мерцания реагирует, о чём свидетельствуют научные изыскания, проведённые ещё в 60-х годах прошлого века.

Находясь в комнате с пульсирующим выше нормы светом, у нас возникает непонятное желание покинуть помещение. Появляется необъяснимое ощущение дискомфорта, быстро устают глаза, могут проявиться эффекты “песка”, рези, слезливость. Через некоторое время раздражение накапливается и появляется раздражённость, подавленность, сонливость. Позже начинает болеть голова. Особенно вредно находиться при таком освещении людям, страдающим эпилепсией. Для них мерцания являются сильным раздражителем, который может провоцировать судорожные приступы.

Когда возникает стробоскопический эффект?

На производствах мерцающий свет опасен не только для зрения работающего персонала, но также может стать причиной для получения травм. Когда частота вращения двигателя с каким-либо режущим инструментом (фреза, дисковая пила) совпадает с частотой мерцания источника света, возникает так называемый стробоскопический эффект. Он проявляется в том, что вращающаяся оснастка кажется человеку неподвижной, а значит безопасной. Несоблюдение требований к освещению на производственных предприятиях неоднократно приводили к травмам и даже смерти рабочих.

Какая частота хуже всего?

Наиболее опасной с точки зрения травматизма на производстве считается мерцание света с частотой 80-90 Гц. Именно при такой частоте у человека возникает иллюзорное восприятие вращающихся объектов, которые кажутся статичными или замедлёнными. Что касается негативного воздействия на нервную систему человека, то здесь точных данных нет. Однако считается, что пульсации с частотой 80-300 Гц пагубно сказываются на состоянии здоровья. При более высоких частотах мерцания не воспринимаются сетчаткой, а потому являются безвредными.

Пульсации у традиционного освещения и методы снижения

При покупке ламп для домашнего освещения выбрать модели с допустимым уровнем пульсаций практически невозможно. Производители обычно не указывают этот параметр в описании, хотя это такая же важная характеристика, как и яркость с цветовой температурой. Некоторые бренды в качестве маркетинговой уловки пишут на упаковке размытые общие фразы типа “без пульсаций”, “безопасно для глаз” и прочее. Сколько это в цифрах — непонятно. Да и практика показывает, что даже при наличии таких обозначений на коробках лампы всё равно могут иметь пульсации, значительно превышающие норму.

Лампы накаливания и галогенки

Многие ошибочно полагают, что лампы накаливания не пульсируют вовсе, а значит их можно считать эталонным источником искусственного света. Это не так. Коэффициент пульсаций ламп накаливания и галогенок варьируется в пределах 5-30%. Однако эта цифра тем меньше, чем выше мощность модели. Объясняется это тем, что у более мощной лампы нить накала толще, а значит и остывает она медленнее. Это означает, что и яркость её свечения при питании переменным током “гуляет” менее сильно. Отсюда следует, что в плане мерцаний выгоднее покупать и устанавливать одну мощную лампу, чем две послабее.

Экономки

Люминесцентные лампы бытового назначения имеют очень низкий коэффициент пульсаций. В среднем около 5%, что более чем в пределах нормы. Такие низкие показатели объясняются высокой инерционностью люминофора, которым покрыта внутренняя сторона колбы. Тем не менее, на рынке полно дешёвых подделок, которые умудряются не только мерцать, но даже мигать с частотой, которую человек способен различить невооружённым глазом.

Пульсация светодиодных ламп

Сильнее всего страдают пульсациями светодиодные лампочки. Основная причина — низкокачественный драйвер питания. Производитель либо экономит на сглаживающих компонентах, либо изначально проектирует схему питания без учёта данной характеристики. Сглаживающим компонентом является электролитический конденсатор — сравнительно дорогая и большая деталь. Из этого следует, что маленькие лампочки с цоколем типа Е14, а также слишком дешёвые модели — априори не могут уложиться в нормы по пульсациям. Просто избегайте покупки такого освещения для своего дома.

Как исправить ситуацию?

Можно что-либо сделать, если лампа уже куплена, и оказалось, что она слишком сильно пульсирует? Выбросить жалко. Особенно, если это не дешёвая светодиодная лампочка. Самый простой выход из ситуации — использовать такой источник света в комнатах, которые вы посещаете периодически, и не проводите в них много времени. Например, в кладовке, коридоре, санузле. В ванной комнате, если вы планируете там иногда расслабляться в горячей ванне, мерцающие лампочки устанавливать не стоит.

Об этом мало кто говорит, но мерцания искусственного света помогают немного “сгладить” плафоны и абажуры. Проходя через них, свет не так интенсивно меняет яркость, что согласно представленной выше формуле снижает коэффициент пульсаций. Поэтому, как вариант, если какая-либо лампочка вам не нравится (вам кажется или вы определили мигание народными способами), попробуйте использовать её в светильниках закрытого типа — бра, торшере. Возможно, это поможет сохранить покупку, и получать от неё пользу без вреда для здоровья и самочувствия.

Как убрать пульсацию в светодиодной лампе?

На рисунке ниже показана типовая схема светодиодной лампочки. Она состоит из светодиодной матрицы и драйвера питания. Последний включает в себя:

1. Сетевой фильтр — RC-цепочка с правой стороны, состоящая из небольшого конденсатора и высокоомного резистора. Этот фильтр нужен для того, чтобы устройство “не загрязняло” помехами бытовую сеть.
2. Выпрямитель — диодный мост из четырёх диодов, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.
3. Сглаживающий конденсатор — высоковольтный электролитический конденсатор (в виде бочонка). Именно от него зависит Кп лампы.

Чтобы уменьшить пульсации, можно попытаться заменить установленный производителем сглаживающий конденсатор на аналог с большей ёмкостью. Этот параметр измеряется в микрофарадах. Важно! Нельзя применять абы-какой конденсатор. Выпаянный со старой материнской платы или другой низковольтной электроники — не пройдёт. Донор должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В.

Найти такие электролиты можно в импульсных блоках питания. В тех же компьютерных (хотя они там слишком “жирные”), от ноутбуков, принтеров. Также следует помнить о том, что электролитические конденсаторы имеют полярность, путать которую нельзя.

Заключение

Пульсация светодиодных и других ламп — это нормальное явление, связанное с особенностью действия переменного тока. Источники света, работающие от постоянного тока (от качественного драйвера или аккумуляторной батареи), таким пороком не страдают. Для выражения мерцаний применяется коэффициент пульсаций (Кп, %), который показывает, на сколько процентов “гуляет” яркость источника света. Допустимый Кп — до 20%. Превышение этого показателя плохо сказывается на здоровье и может быть травмоопасным, если речь о производстве.