Почему моргает светодиодная лампа во включенном состоянии

Мерцание (пульсация) источников света с частотой свыше 50 Гц незаметна для человеческого глаза, но при этом может вызывать повышенную утомляемость, снижении концентрации, резь и сухость в глазах. В светодиодных светильниках для борьбы с этим явлением предназначен драйвер. В статье разберемся, почему моргает светодиодная лампа во включенном состоянии, какими могут быть причины и способы устранения.

Устройство светодиодных источников света

Современная светодиодная лампа состоит из следующих узлов: излучатель света (светодиоды на монтажной плате), драйвер, радиатор, цоколь и рассеиватель.

Для того, чтобы светодиод начал излучать свет видимого спектра к PN-переходу кристалла нужно приложить постоянное напряжение до 4 вольт плюсом на анод. Излучатель состоит из параллельно соединённых цепочек светодиодов, в каждой цепочке источники соединены последовательно. Количество светодиодов зависит от напряжения питания, их расположение на модуле определяют угол рассеивания, а материал кристаллов- спектр светового потока.

Драйвер — электронный блок управления — осуществляет следующие функции:

• выпрямляет переменное напряжение сети до необходимого постоянного для светоизлучающего модуля;
• поддерживает стабильным ток через светодиоды при колебаниях питания;
• фильтрует помехи и импульсы, возникающие в электросетях;
• может осуществлять защиту кристаллов от перегрева.

Функциональные возможности блока зависят от класса LED изделия. Сложность схемы может быть от простого диодного моста до широтно-импульсного модулятора.

Радиатор и монтажная плата излучателя отводят тепло от светодиодной матрицы. Светодиоды модуля при работе очень нагреваются и этот нагрев ускоряет деградацию (старение) полупроводниковых кристаллов и их покрытия. Теплоотвод на малогабаритных лампочках может отсутствовать, на приборах среднего класса он изготовлен из алюминия, а в дорогих светильниках выполнен из керамики.

Цоколь осуществляет связь лампы с электросетью. Он стандартизован и позволяет менять любые приборы освещения от накаливания, люминесцентных на полупроводниковые светильники.

Рассеиватель, стеклянная колба, иногда с инертным газом, закрывающая содержимое плату со светодиодами от всевозможных повреждений и попаданий насекомых, влаги.

Мерцание и пульсация: что это

Пульсация – изменения яркости светового потока. Она может быть низкочастотной и высокочастотной. Если мигает светодиодная лампа с частотой, до 50 Гц, пульсация считается низкочастотной. Она видна человеческому глазу и вызывает неприятные ощущения. Пульсация с частотой свыше 50 Гц считается высокочастотной, при этом диапазон от 50 до 300 Гц негативно воспринимается мозгом человека.

Степень колебаний светового потока выражается в процентах от номинальной интенсивности называется коэффициентом пульсации.

Коэффициент пульсации (Кп)– это разность минимального и максимального уровня освещенности, поделенная на ее среднее значение, выраженное в процентах.

Он определяется согласно ГОСТ 33393-2015 по формуле

где Е_макс и Е_мин – максимальное и минимальное значение освещенности рабочей поверхности в люксах (лк) за период колебания светового потока, Е_ср – средняя освещенность (лк) за тот же период. Методика замеров и приборы рекомендованы этим же стандартом.

Коэффициент подробно описан для всех типов светильников, используемых в сетях переменного тока в Постановлении Правительства РФ от 24 декабря 2020 г. N 2255 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения».

Согласно нормативам в помещениях для непродолжительного пребывания коэффициент пульсации не должен превышать 20%, для общеобразовательных учреждений, супермаркетов, для точных работ до 10%, а компьютерных кабинетах не более 5%.

Моргает светодиодный светильник по следующим причинам:

• низкое качество сетей переменного тока (перепады напряжения, плавает частота, высокочастотные помехи и пр.);
• плохое схемотехническое решение драйвера;
• неисправность источника света.

При питании исправной LED лампы от аккумулятора мерцаний не бывает. На вопрос почему моргает светодиодная лампа во включенном состоянии от сети переменного тока ответим после понимания физики явления.

Почему мерцает светодиодная лампа: объяснение физических процессов

Светодиод начинает светится только при прохождении через PN- переход тока в прямом направлении. Переменный ток в сетях электроснабжения движется по синусоиде, поэтому половина (нижняя часть) синусоиды на анод полупроводника приходит минусом и срезается. Светодиод излучает свет только половину периода прохождения переменного тока сети. Это нестабильное освещение видно не вооруженным глазом.

Чтобы светодиод светил постоянно, на него требуется подавать стабилизированное прямое напряжение. Эту задачу выполняет блок питания или драйвер. Степень сглаживания пульсаций тока напрямую определяет класс изделия.

Виды и причины мигания светодиодных ламп

Светодиодные источники света могут моргать после включения из-за состояния электросети или низкого качества источника света.  Если светодиодная лампа замигала во время работы при установке ее в патрон на замену лампы накаливания причинами могут быть следующие:

• низкое напряжение питающей сети;
• искрение в клеммниках, патроне за счет окисления или слабости контактов;
• работающий сварочный аппарат или мощный импульсный блок питания рядом;
• выключатель разрывает в нулевой провод, фаза поступает на диодную лампу;
• индикатор подсветки установлен в выключателе;
• в цепи задействован диммер.

Кроме сетевых причин мерцания существуют и другие, связанные с конструкцией светодиодного изделия. Простейший драйвер плохо стабилизирует ток. Изделие с неисправным драйвером (с высохшим электролитическим конденсатором) не держит напряжение на полупроводнике. Разберёмся, почему может мигать исправная светодиодная лампа во включенном состоянии, какими могут быть причины и как их устранить.

Влияние низкого напряжения сети на мерцание светодиодов

Если напряжение электрической сети ниже 220 вольт, источники света простым драйвером не смогут стабильно держать на каждом светодиоде номинальное напряжение. Конденсатор, шунтирующий кристалл, заряжаться будет дольше, будет проявляться мерцание.

Дорогостоящие светодиодные источники света, с диапазоном рабочего напряжения от 180 до 250 вольт имеют сложную схему драйвера, которая за счет обратных связей вытягивают необходимый рабочий ток диодов. При сильных и частых посадках напряжения проблему с мерцанием всех источников света поможет решить стабилизатор напряжения.

Наведенное напряжение

Уложенные рядом в один кабельный канал провода различных по мощности бытовых приборов во время прохождения по ним переменного электрического тока образуют каждый свое электромагнитное поле. Поля взаимодействуют друг с другом, образуя в соседних проводниках ток.

Для мощных силовых потребителей, таких как электрокотлы или насосы, наведенные токи не влияют на их функционал. Большие токи силовых кабелей таких агрегатов, в сети освещения со светодиодными лампами, могут наводить достаточный для нарушения работы драйверов помехи. Из-за наведённого напряжения, светодиодный источник начинает мигать и быстро выходит из строя.

Как влияют на качество светодиодного освещения импульсные блоки питания

Блоки питания современной бытовой электроники для получения постоянного тока преобразуют сетевое питание 50 Гц в ток высокой частоты. Затем выпрямляют и распределяют по номиналам различных потребителей в электрической схеме прибора.

Оградить питающую сеть от влияния высокочастотных помех должны фильтры на входе в ИБП состоящий из дросселей и емкостей. Неисправный или неправильно рассчитанный фильтр искажает работу ламп на светодиодах, особенно с простыми по схеме драйверами. Временное отсоединение из розеток бытовых приборов может помочь выявить проблему с миганием светильников.

Проблемы с электропроводкой и дребезг контактов

Качество выполнения монтажа электрической сети сильно влияет на работу LED изделий. Правильно подобранные сечения проводов, надежность соединений – всё это влияет на работу драйвера. У надежных источников со сложными драйверами может и не проявляться пульсация от некачественного монтажа электропроводки. В свою очередь бюджетные варианты не прощают потери напряжения от плохо выполненной сети.

Также следует проверить выключатели, задействованные в схеме питания мерцающей лампы. Плохо затянутые клеммы проводов, дребезг контактов в самом выключателе электроника драйверов воспринимает, как включение-выключение, и запускает переходные процессы, приводящие к мерцанию.

Повреждение при монтаже изоляции проводов или подгорание ее в результате эксплуатации приводит к утечкам тока и образованию искрения. Пренебрежение ПУЭ, когда выключатель разрывает нулевой провод, а не фазный, приводит к нестабильной работе LED ламп. Это проявится при замене лампочки накаливания на светодиодную.

Диммирование светодиодных ламп и мигание света

В схеме освещения, для регулировки яркости, может приняться диммер, который уменьшать и увеличивать напряжение, подаваемое на источник света. Все лампы накаливания, из-за своего устройства и принципа работы, корректно работают с диммером. В свою очередь LED источники не все могут работать с пониженным напряжением, и в схеме с диммером корректно работать не будут, и будут мигать, как при пониженном напряжении. Если светодиодный источник света можно диммировать, что производитель ставит на упаковку специальный значок.

Как влияет мерцание и пульсация источника света на человека

Мерцание (пульсация) – колебание светового потока от источника света неизбежно, если он запитан от сетей переменного тока. Чем лучше работает драйвер, тем меньше уровень пульсаций светодиодного источника. Колебания имеют два параметра: частоту и глубину. Частота говорит о скорости смены уровня светового потока, а глубина – разностью между уровнем яркости.

На человека влияют обе характеристики: чем меньше провалы между уровнем яркости светового потока и выше частота изменений, тем безопаснее светильник. В Гост Р 54945-2012 года утверждается, что пульсации частотой выше 300 Гц не влияют на работоспособность и здоровье человека.

Исследования в области промышленной безопасности выявили, что источники света с мерцанием до 300 Гц вызывают следующие состояния человека:

• быстро падает производительность труда, концентрация;
• появляется резь, сухость в глазах;
• усталость, дискомфорт к концу рабочего дня;
• упадок сил, головная боль, а также нарушение сна после работы.

Регулярное и длительное нахождение под влиянием мерцающего света нарушает гормональный фон и суточный режим. Мозг загружается, не отдыхая, вызывая синдром постоянной усталости.

При коэффициенте пульсации Кп>20% возможно проявление стробоскопического эффекта. Вращающиеся или движущиеся части машин и механизмов воспринимаются либо неподвижными, либо двигающиеся медленно или в обратную сторону. На производстве это может привести к несчастным случаям. Один из вариантов, как устранить этот эффект при наличии 3-х фазной сети – разбить схему освещения на 3 группы и запитать от разных фаз.

Для расчетов берется коэффициент пульсации освещенности на конкретном месте, а не световой поток от отдельного светильника, так как в помещении может быть различное оборудование для освещения. Допустимый уровень этого показателя для светодиодных светильников один из самых низких и не превышает 10%, согласно СНиП 23-05-95.

В этом же нормативном документе определены максимальный уровень коэффициента пульсации для разных помещений, независимо от типов светильников: 15%- для офисов, кабинетов; 10%- для торговых залов, учебных классов и детских комнат; 5% — у компьютера.

В LED светильниках коэффициент пульсации зависит от схемотехнического решения и сборки электронного блока управления (драйвера). В премиум классе он может достигать 1-2 %, а в старых, особенно китайских, изделиях, работающих практически на пульсирующем токе, коэффициент пульсации может доходить и до 30%. Надежные производители светодиодных изделий поддерживаются требований СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 по этому параметру и указывают его на упаковки.

Как проверить качество светодиодной лампы самостоятельно простыми способами: два визуальных метода и опыт измерения коэффициента пульсаций

Выявить некачественное светодиодное изделие можно народными средствами. Возникновение сильного стробоскопического явления при вращении продолговатого предмета достаточный повод забраковать светильник.

Первый способ. Для проведения испытания годится любой инструментарий: карандаш, ручка, линейка или палочка. Если такой стержень поднести к работающему источнику света и начать быстрые движения вдоль него, вид предмета сохраняет целостность, без засветок и не распадается тем ниже коэффициент пульсации.

Также выявить возникновение стробоскопического эффекта можно, если раскрутить юлу в зоне освещения или вращательными движениями стержня перед глазами. Чем четче будет видны несколько предметов или вращение юлы визуально отсутствует, тем выше коэффициент пульсации.

Второй способ. Он основан на использовании фотокамеры в смартфоне или цифрового фотоаппарата. Если поднеси телефон с включённой фотокамерой к источнику света так чтобы изображение рассеивателя занимало почти весь экран, можно увидеть наличие темных полос и оценить мерцание изделия. То же можно проделать с цифровым фотоаппаратом, сделав снимок без вспышки. Темные полосы на фото говорят о низком качестве светильника.

Полагаться на точность визуальной оценки уровня пульсации нельзя, но при некотором опыте отсеять однозначно неприемлемые варианты светодиодных ламп вполне возможно.

Третий способ. Этот метод связан с получением осциллограммы светового потока, анализа и вычисления коэффициента пульсаций Кп. Опыт происходит так:

• фотодатчик помещается под световой поток изделия;
• с нагрузки фотодиода на осциллограф снимается кривая светового излучения;
• на экране осциллографа с изображения снимают величины колебания сигнала;
• подставив полученные данные в формулу, получается коэффициент Кп.

Такой опыт приемлем для лабораторных условий.

Видео замера пульсаций при помощи осциллографа

Измерение коэффициента пульсаций светодиодных ламп

В действующем ГОСТ Р 54945-2012 определена методика для практических измерений Кп, а также рекомендованы приборы: «Аргус» и «Эколайт» различных модификаций и «ТКА-ПКМ 08».

Как убрать мерцание светодиодной лампы своими руками: 3 схемы

Основное достоинство бюджетного LED светильника – низкая цена, но платой за низкую цену и простоту конструкции может оказаться повышенный коэффициент пульсации. При определённых навыках работы с паяльником и знаниях в электронике, можно недорого улучшить характеристики снизить коэффициент пульсации светодиодного истоника света.

Способ №1. Увеличение емкости выравнивающего конденсатора

Элементарный диодный выпрямитель драйвера бюджетной светодиодной лампы срезает нижнюю часть синусоиды рабочего тока через кристаллы полупроводников. Схема моста обеспечивает прохождение полуволн пульсирующего тока весь период в прямом направлении.

Электролитический конденсатор на выходе моста поддерживает напряжение на цепочке диодов во время спада тока между пульсациями за счет величины заряда, которую наберет во время роста пульсирующего тока. Величина емкости конденсатора С напрямую влияет на обе характеристики мерцания лампы: частоту и глубину пульсаций. Чем больше емкость С, тем меньше частота и глубина изменения светового потока.

Для того, чтобы снизить коэффициент пульсации, достаточно либо добавить к существующему конденсатору дополнительный (С_доп на схеме), либо полностью заменить штатный элемент схемы на деталь с большей в 1,5 раза емкостью. Ограничение зависит от габарита нового конденсатора и опыта специалиста, так как операция замены происходит в цоколе. Установка дополнительного элемента вне лампы не удобна для эксплуатации.

Способ №2. Ограничение тока через светодиоды токогасящим резистором

Еще одной возможностью снизить коэффициент пульсации, является снижение амплитуды пульсирующего рабочего тока светодиодов увеличением сопротивления в последовательной схеме. Если снизить яркость светильника на 25-30%, глубина провалов между волнами пульсирующего тока уменьшится и коэффициент пульсации может снизиться до приемлемых значений.

Воспользовавшись законом Ома легко рассчитывается общее сопротивление нагрузки для снижения тока на 25%. Ориентировочно: в монтажной плате 20 последовательно соединенных светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта и рабочим током в 0.015 А. Напряжение после моста возьмем 200 вольт.

Падение напряжения на цепочке 3,3х20= 66 В.

На штатный резистор падение напряжения 134 вольта (если после моста выпрямленное напряжение = 200 вольт).

Сопротивление светодиодов 66/9,015 = 4400 Ом.

Штатный резистор R= 134/0,015 = 8933 Ом.

Снижаем рабочий ток на 20% в светодиодах 0,015х0,8= 0,012 А.

Падение напряжения на светодиодах 4400 х 0,012 = 52,8 вольт.

Падение напряжение на общем сопротивлении 200 — 52,8 = 147,2 В.

Общее сопротивление R2 – 147,2 /0,012 = 12266 Ом.

Дальше необходимо либо добавить резистор 12266 – 8933 = 3333 Ом к существующему в схеме, либо выпаять штатный и запаять сопротивление, полученное в результате расчета (12266 Ом), округляя до ближайшего большего по номиналу. Похожий эффект оказывает использование в люстре вместе с диодными источниками одной лампочки накаливания.

Подбор резистора по номиналу сопротивления, мощности и габаритам нужно осуществить довольно тщательно, чтобы он не перегревался и входил внутрь цоколя без проблем.

Оба способа с добавлением емкости или сопротивления снижают пульсации светодиодной лампы, но изделия с такими доработками лучше использовать в помещениях, не предназначенных для точных работ, чтения и длительного пребывания пользователя.

Способ №3. Подключение самодельных фильтров

Даже бюджетный вариант светодиодного светильника, запитанный от электрической сети переменного тока со стабильной частотой, грамотно смонтированной и защищенной от высоковольтных и высокочастотных наводок может давать допустимый световой поток без критически опасных пульсаций.

Цель изобретения самодельных фильтров, отсечь на входе в драйверы LED светильников высокочастотные помехи и импульсы из питающей сети. Схемных решений фильтров в интернете множество. Номинальные данные индуктивностей и емкостей для такой самоделки можно определить экспериментально, путем анализа основной массы помех в питающей сети или на форумах электриков.

Главное достоинство высокочастотных фильтров – монтаж вне цоколя, отдельным малогабаритным модулем из доступных комплектующих и почти 100% качественное снижение коэффициента пульсации, не снижая яркости изделий.

Выводы

Когда купленный на замену лампы накаливания дорогостоящий LED светильник неожиданно замигал или появилась явная усталость глаз, надо проверять пульсацию. Если простая бытовая проверка на стробоскопический эффект показала его наличие, то это повод для проверки качества светильника.

Для этого надо провести контрольную проверку светодиодной лампы путем замены или испытании в другой сети освещения. Затем предпринять шаги для самостоятельного устранения мерцания, описанных выше (выключатель с подсветкой, диммер, конденсатор или резистор).

В том случае, если со 100% исправной лампой предпринятые меры успеха не принесли, создание в/ч фильтров тоже не устранили пульсаций, необходимо обращаться к специалисту для проверки качества поставляемой энергии, правильности монтажа, а также проверки изоляции. Эта работа требует необходимых приборов и знаний ПТЭ и ПТБ.

После устранения причин дискомфорта LED светильник  качественно отработает долгий срок и сэкономит затраты на электричество.

Полезное видео модернизации LED ламп

Модернизация светодиодной лампы

Убедившись в надежности сети и домашней электропроводки, не выдержавшую стробоскопическую проверку LED лампу можно разобрать и впаять новые комплектующие согласно одному из рассмотренных выше способов.

Использовать усовершенствованные изделия желательно в комнатах с редким посещением (кладовки, погреба, хозяйственные постройки).