Каким способом можно уменьшить коэффициент пульсации светового потока

Пульсации яркости: факты, механизмы и нормы

Пульсации светового потока источников света ограничиваются санитарными нормами, и с каждым годом уменьшаются. А на пульсации яркости экранов санитарных норм нет. При том, что в мониторы и телефоны люди уже смотрят дольше, чем на офлайн-сцены.

Разберемся, как и на что влияет пульсация яркости наблюдаемых сцен, и как в действительности пульсируют источники света и экраны.

Механизм воздействия пульсаций яркости на здоровье человека

Энцефалограмма человека с характерным пиком на частоте пульсирующего освещения еще с 60-х годов публиковалась как доказательство вредного действия пульсаций освещенности на нервную систему.

Слева — контрольная ЭЭГ, справа — с пиком на частоте 120 Гц при включении освещения, пульсирующего с частотой 120 Гц.

Сегодня же, по мнению нейрофизиологов, навязывание нервной системе высокочастотного дополнительного ритма повредить не может. Картинка всего лишь показывает восприимчивость нервной системы к пульсациям освещенности. Вылезает на ЭЭГ пик с частотой изменения значимого параметра окружающей среды — молодец, здоров!

Однако, при длительной напряженной зрительной работе выраженные пульсации освещения действительно вредны, так как мешают движению взгляда.

Застывший взгляд слеп, чтобы видеть, нужно взгляд перемещать. Движение взгляда по лицу одной из самых красивых женщин в истории, Альфред Ярбус, 1965г.

Взгляд человека перемещается скачкообразно — саккадами. Пульсации на частотах 100 Гц и более сознанием не воспринимаются, но провалы освещенности в короткий миг перескока мешают взгляду «зацепиться» за новую точку.

Один и тот же эффект проявляется при быстром движении объекта (карандашный тест), сдвиге фотоаппарата, и быстром перемещении взгляда: наблюдатель видит прерывистый след из фантомов освещенных объектов. Это затрудняет перемещение взгляда на намеченную цель, саккады становятся более частыми и хаотичными.

Появление фантомов перемещающихся объектов при пульсирующем освещении.

Наиболее полным и достоверным обобщением современных данных о влиянии пульсаций освещения на здоровье человека является документ «IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers». Исследования, на которые ссылается документ, показывают следующее:

1. Высокочастотные пульсации освещенности вызывают повышенную усталость, снижение производительности зрительной работы, усталость глаз, головные боли и тревожность.
2. С увеличением глубины пульсаций выраженность негативного воздействия растет.
3. С ростом частоты риски негативного воздействия снижаются.

Самая оптимистичная оценка верхней границы воздействия пульсаций по частоте основана на том, что характерное время развития потенциала действия нервного волокна человека 5 мс, что соответствует ширине полосы пропускания 200 Гц. Отечественный ГОСТ предписывает не учитывать пульсации или гармоники сложных пульсаций на частота более 300 Гц. Однако на практике сложная система из большого числа взаимодействующих нейронов реагирует на частоты до килогерца.

IEEE вводит следующие критерии уровней риска:

1. низкому уровню риска на частотах менее f = 90 Гц соответствует уровень пульсаций, в процентах не превышающий 0,025⋅f; более 90 Гц — не превышающий 0,08⋅f. При частотах более 1250 Гц ограничений на уровень пульсаций нет. Для актуальной частоты 100 Гц уровни пульсации, соответствующие низкому уровню риска, — не выше 8 %.
2. безопасный уровень глубины пульсаций при котором нет статистически выявляемого воздействия — 0,01⋅f для частот ниже 90 Гц и 0,0333⋅f для частот выше 90 Гц. Для частоты 100 Гц заведомо безопасный уровень пульсаций — не выше 3 %.

Что о пульсациях яркости говорит закон

Отечественные стандарты нормируют «просто пульсации» на частотах до 300 Гц, и это правильно, так как заставить миллионы людей учитывать спектральные особенности пульсирующего освещения нереально, хорошо бы учли хоть одну цифру.

Но одной цифры все равно не получилось, санитарные нормы еще со времен СССР регламентируют уровень пульсаций в разных ситуациях не выше 20 %, 15 %, 10 % и 5 %. И со временем количество нормативных документов, указывающих в каких случаях допустимы какие пульсации, становится только больше.

Но во внегосударственных стандартах можно и нужно использовать упрощенные нормы. Достаточно принять, что в местах постоянного пребывания людей допустимы пульсации не выше 3 %. Это и обосновано, и заведомо соответствует всем санитарным нормативам, и в большинстве случаев выполняется автоматически.

Еще пять лет назад добиться пульсаций яркости, например, светодиодного светильника, менее 15 % было чрезвычайно трудно. И сегодня попадаются экземпляры с уровнем пульсаций в десятки процентов, особенно часто среди малогабаритных ламп (типа G9 и т.п.) из-за трудностей размещения полнофункционального драйвера в столь в малом объеме да еще и за малые деньги. Но для типичного современного добросовестно изготовленного светодиодного светильника пульсации освещенности на уровне 1-2 % — норма. И превосходная норма!

Но не стоит быть перфекционистом. Требовать сегодня уровень пульсации 0,5 % и менее — значит напороться на завышенную цену, а подчас и на обман. Неоправданно дорого производить что-то идеальное, это подтвердит любой разработчик. Покупатель же общается не с разработчиком, а с менеджером, чья работа обещать «— да, конечно, у нас ровно то, что вам нужно».

Реальные значения пульсаций яркости

В 2015 году я в должности и.о. главного редактора журнала «Светотехника» курировал исследование фактических параметров светотехнических приборов рынка. В том числе я передал в LampTest.ru 5 штук обследованных в аккредитованной лаборатории лампочек, и убедившись, что результаты измерений AlexeyNadezhin совпадают с нашими, включили в статистику данные по более чем четыремстам лампочкам из его проекта.

И со студентами кафедры Светотехники МЭИ измерили спектр и глубину пульсаций 111 разных моделей мониторов найденных в комнатах общежития МЭИ. В работе использовали внесенный в реестр средств измерений и поверенный люксметр-яркомер-пульсметр «еЛайт02».

И вот что выявили:

Типичный уровень пульсаций уличных натриевых светильников — около 30 %. Типичный уровень пульсаций светильников с люминесцентными трубчатыми лампами 4×18 с «классическим» ЭМПРА, стоящих в большинстве учреждений и учебных заведений — более 40 %.

Типичный люминесцентный светильник пульсирует на удвоенной частоте сетевого напряжения 100 Гц с глубиной пульсаций более 40 %.

Лампы накаливания пульсируют меньше люминесцентных, но тоже будь здоров. Данные LampTest согласуются с данными, полученными прямым измерением в лаборатории компании Эко-Е ее техническим директором Сергеем Мамаевым, куда я для измерений привез сумку разнообразных лампочек накаливания, купленных в крупных сетевых магазинах. С ростом мощности свечение нити накаливания становится более инерционным, уровень пульсаций падает, но все равно остается выше приемлемого значения.

Пульсации светового потока ламп накаливания разных мощностей. Здесь и далее зеленым выделен заведомо безопасный уровень по критериям IEEE.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) пульсируют примерно вдвое меньше ламп накаливания (6-10% против 15-20%). Светодиодные лампы бывают двух разновидностей — большая часть очень хороша, меньшая пульсирует как угодно вплоть до 100 % (ужас-ужас). Светодиодные светильники всех мастей большей частью хороши, пульсации низкие.

Коэффициент пульсации исследованных КЛЛ (а), СД ламп (б) и офисных светодиодных светильников, уличных и промышленных светодиодных светильников (г).

В 2016-2017 годах я совмещал должность руководителя производственной светотехнической лаборатории и измерил множество светильников разных производителей. Сегодня уровень пульсаций светодиодного светильника выше 10 % вызывает удивление. Значения до 3 % — фактическая норма.

И эти изменения произошли стремительно. Недавно попали в руки БУ-шные экземпляры одного из лучших трековых светильников для освещения музеев — ERCO. Эффективность около 90 лм/вт при КЦТ=3000 К и Ra=90 — уровень для ERCO двух-трехлетней давности, но приемлем и сегодня. Но что такое: поворачиваю гониометр со светильником и вижу на экране свистопляску, проверяю уровень пульсаций — более 30 %. Породистые источники питания Tridonic из этих светильников придется выкидывать и заменять на любые современные с пульсацией

Ну и самое интересное — пульсации яркости экранов мониторов. Наиболее жестко уровни пульсаций отечественные нормативы ограничивают в помещениях с дисплеями из-за следующего обстоятельства: если освещать сцену одновременно двумя пульсирующими на разной частоте источниками, на нервную систему воздействуют и обе эти частоты и целый букет их производных, включая низкочастотную разницу. Еще в СССР не знали как бороться с пульсацией яркости мониторов и привычно «завернули гайки» светотехникам.

Пульсация яркости мониторов и экранов вызвана ШИМ-регулировкой подсветки, поэтому на 100 % яркости пульсация как правило равна нулю, и при уменьшении яркости растет. Для примера у монитора AOC i2769vm при максимальной яркости пульсации отсутствуют, при 95% яркости пульсации составляют 8,5%; при половинной яркости (см. рисунок ниже) достигают 100%; а при яркости меньше половины глубина пульсаций все также 100%, но между вспышками света появляются паузы темноты.

Характер пульсаций яркости экрана AOC i2769vm. Здесь и ниже приведены скриншоты программы Эколайт-АП

Типичный пример характера и спектра пульсаций экрана смартфона на примере Samsung S7 Edge — при понижении яркости пульсации растут с 5 % до 69 %, и с 60 Гц на 241 Гц меняется частота основной гармоники. Возможно изменение частоты связано с конструктивной особенностью самосветящихся AMOLED-экранов. Отметим, что повышение частоты по критериям IEEE не вывело параметры пульсаций экранов из опасной зоны.

Форма (вверху) и спектр пульсации (внизу) яркости экрана Samsung S7 Edge при уровнях яркости 100 % и 50 %.

Поэтому перед измерениями для статистики яркость мониторов и экранов смартфонов выставлялась на 50 %. Результаты катастрофические. В зеленую и даже в желтую зону попала лишь незначительная доля экземпляров. У части экранов основная гармоника на частоте менее 70 Гц, что по данным IEEE приводит к выраженным недомоганиям, головным болям и даже эпилептическим припадкам.

Частота и глубина пульсации экранов мониторов, ноутбуков и носимой электроники.

Является ли пульсация экрана телефона катастрофой? Нет, но при чтении желательно выставлять яркость на 100 %, а в транспорте смотреть не в телефон, а на девушек.

Примечание 1: Пост является популярным изложением результатов, опубликованных в Оптическом журнале на русском языке и в OSA publishing на английском языке.
Примечание 2: Если вы в Москве, и имеете доступ к большому объему включенных мониторов и телефонов (шоурум магазина электроники?), предлагаю все ваши устройства перемерить.

Источник

Что значит коэффициент пульсации освещенности

Коэффициент пульсации освещенности – один из качественных показателей, используемый при проверке света в помещениях разного назначения. Этот критерий не на слуху, но он оказывает большое влияние на человека, при нарушении установленных норм повышается утомляемость и возрастает опасность травматизма на производствах. Поэтому его проверяют специальным оборудованием, чтобы убедиться, что свет соответствует установленным стандартам.

Что такое коэффициент пульсации освещенности

Под этим термином подразумевается относительная глубина колебаний освещенности ламп или светильников, возникающая во время работы оборудования при его питании переменным током. По сути, это показатель изменения яркости, который присущ тому или иному виду оборудования и влияет на комфорт выполняемой работы. При превышении регламентных показателей работоспособность снижается, причем, чем дольше пульсация влияет на зрение, тем выше утомляемость.

Допустимое значение зависит от типа выполняемой работы и зрительного напряжения, которое требуется в конкретной ситуации. Большинство норм были установлены, исходя их возможностей осветительного оборудования, используемого в середине прошлого века. В тот период нормы составляли 10, 15 или 20%, некоторые из них используются до сих пор, другие стали жестче и изменились в меньшую сторону.

Во всех помещениях, в которых используется компьютерная техника или установлены дисплеи, показатель пульсации освещенности не должен превышать 5%.

Рассматриваемый коэффициент возрастает, если для регулировки яркости света используются диммеры. Причем, изменения наблюдаются только у устройств, работа которых основана на принципе широтно-импульсной модуляции. Имеет значение и частота, если она ниже 300 Гц, то влияние особенно заметно.

Если освещение питается от переменного тока с промышленной частотой, составляющей 50 Гц, частота пульсации вычисляется в удвоенном значении, поэтому равна 100 Гц. Зрительно определить пульсацию в этом случае невозможно. Поэтому для контрольных замеров применяют специальные приспособления — пульсметры. Чаще всего это не отдельное устройство, а универсальное оборудование, совмещенное с люксметром. В 2012 году был введен ряд стандартов, касающихся средств измерения и их поверки, поэтому все приспособления должны соответствовать установленным нормам.

Нормы и требования к частоте пульсации

Тут все зависит от типа используемого оборудования и особенностей его подключения. Стоит отметить, что самые высокие показатели пульсации света, превышающие 30% присущи электромагнитным ПРА и газоразрядным лампам, работающим от однофазной линии. Поэтому их чаще всего используют для уличного освещения и мест, в которых не требуется постоянное зрительное напряжение.

Кстати! Вопреки сложившемуся мнению пульсация присуща и стандартным лампам накаливания. Когда они работают от однофазной питающей сети, показатель может составлять до 15%.

Отдельного внимания требует светодиодное оборудование. Принцип его работы отличается от стандартных вариантов, показатель зависит от схемотехнических особенностей используемого в системе блока питания. Во многих дешевых изделиях для снижения себестоимости на выходе вместо постоянного напряжения подается выпрямленный ток с промышленной частотой, что приводит к тому, что пульсация может достигать отметки в 30%.

При покупке светодиодного оборудования надо обязательно запрашивать у производителя или поставщика техническую документацию со всеми основными показателями, включая пульсацию света. Причем, необходимо изучать данные о каждом продукте отдельно, даже если они похожи по характеристикам. Нередко бывает, что рабочие показатели у двух почти одинаковых светильников сильно различаются.

Не стоит забывать и о том, что показатели пульсации существенно увеличиваются при использовании в системе диммеров с частотой до 300 Гц. Лучше использовать варианты с показателями, превышающими 400 Гц. Также стоит отметить, что если частота питания более 5 кГц, то показатели мерцания снижаются до 1%.

Этот вариант особенно хорошо работает со стандартным и компактным люминесцентным оборудованием. Благодаря современным технологиям на них можно подавать питание с частотой свыше 25 кГц, что позволяет обеспечить минимальное мерцание света без дополнительных устройств.

Норма пульсации освещенности зависит от источника света и количества фаз, к которым подключается оборудование. Основные коэффициенты для самых распространенных ламп таковы:

1. Лампы накаливания при подключении к однофазной линии должны обеспечивать коэффициент мерцания в пределах от 10 до 15%, двухфазной – от 6 до 8%, трехфазной – 1%.
2. Люминесцентные лампы ЛБ, работающие от одной фазы — 34%, двух – 14,4, трех – 3%.
3. Люминесцентные лампы ЛД, присоединенные к однофазной линии – 55%, двухфазной – 23,3, трехфазной – 5%.
4. Ртутные дуговые лампы при работе от однофазного напряжения должны обеспечивать коэффициент мерцания не более 58%, двухфазного – 28%, трехфазного – 2%.
5. Металлогалогенные источники света при работы от одной фазы должны соответствовать норме коэффициента мерцания в 37%, двух фаз – 18%, трех фаз – 2%.
6. Натриевые лампы высокого давления, работающие от однофазной линии – 77%, двухфазной – 37,7%, трехфазной – 9%.

Причины стробоскопического эффекта

Стробоскопический эффект – явление искажения восприятия движущихся или вращающихся элементов оборудования. Это часто можно заметить на вращающемся шкиве токарного станка, при определенных условиях создается иллюзия, что он стоит на месте или крутится в обратную сторону. Явление наблюдается в случаях, когда частота переменного тока, питающего светильник, получается кратной частоте вращения оборудования или механизмов.

Чаще всего подобное явления можно наблюдать в производственных помещениях, освещаемых люминесцентными лампами. По сути, из-за переменной подачи электроэнергии получается так, что период включения и выключения лампы накладывается на периодичность вращения механизма.

Из соображений безопасности все производственные помещения ранее освещались лампами накаливания, так как у них показатель мерцания намного ниже, что сводило к минимуму опасность стробоскопического эффекта. В современных условиях лучшим решением стали светодиодные светильники, но только при условии использования качественного оборудования с блоками питания, подающими постоянный ток.

Влияние пульсаций на организм человека

Это явление было замечено достаточно давно, самые масштабные исследования проводились в середине прошлого века. Согласно результатам, любая световая пульсация с частотой до 300 Гц оказывает негативное влияние на организм человека.

Если постоянно находиться в помещении с некачественным светом, будет меняться суточный гормональный ритм. Кроме того, если мерцание имеет частоту до 120 Гц, человеческий мозг реагирует на постоянные изменения и постоянно пытается обработать поступающую информацию на подсознательном уровне.

Из-за длительного напряжения люди намного быстрее и сильнее устают. Теряется концентрация, снижаются умственные способности. Также это влияет на тех, кто занимается интеллектуальным трудом – из-за высокой загрузки мозга принимать решения и проводить исследования намного сложнее, эффективность снижается в разы.

Если мерцание превышает 300 Гц, оно никак не воздействует на людей и не перегружает их мозг. Стоит ориентироваться на этот показатель при выборе оборудования.

Как и чем измерить коэффициент пульсаций

Все требования и нормативы, касающиеся характеристик света, изложены в нормах ГОСТ Р54945-2012 «Методы измерения коэффициента пульсации освещенности». Именно этим документом руководствуются проектные и контролирующие организации.

Использование измерительных приспособлений

Все контролирующие организации, а также предприятия для определения коэффициента пульсации используются осциллографы. С их помощью можно очень быстро и точно провести замеры в помещении любого размера и формы. Ранее для расчетов применялась формула, показанная ниже.

Также можно применять специальные программы. В этом случае вводятся все необходимые данные, после чего производятся расчеты.

Для профессионального использования подойдет только поверенное оборудование, поэтому применяется определенный перечень осциллографов или универсальных приспособлений. Для дома можно приобрести модель попроще, она не будет идеально точной, но сможет сориентировать по показателю пульсации, этого достаточно для оценки освещения.

Таблица нормативов для некоторых типов помещений.

Объект	Коэффициент естественной освещенности, %	Искусственная освещенность, ЛК	Коэффициент пульсации, %
Жилые комнаты (гостиные, спальни)	2	150	—
Детские комнаты	4	400	10
Рабочие комнаты (кабинеты, офисы)	3	400	15
Рабочее место оператора ПК	—	300	5
Классные комнаты, аудитории	4	500	10
Торговые залы	4	500	10
Дороги	—	2-30	—
Пешеходные пространства	—	1-20	—
Эвакуационное и аварийное освещение	—	0,1-15	—

Народные методы

Если осциллографа под рукой нет – можно использовать простые методы, которые позволят определить мерцание, которого не видно в обычных условиях. Самые популярные способы:

Смартфон. Включается фотокамера и подносится к лампочке так, чтобы источник света занимал все пространство. Если на изображении будут полосы, значит коэффициент пульсации превышает допустимую норму.

В некоторых смартфонах есть функция подавления мерцания, поэтому проверить пульсацию не получится.

Способы снижения пульсации освещения

Тут может быть несколько путей решения. Все зависит от особенностей помещения и типа используемых приборов, чаще всего используют такие методы:

1. Подключение светильников к двух- или трехфазной линии попеременно. За счет сдвига напряжение подается неравномерно и мерцание снижается.
2. При питании от трехфазной линии количество светильников должно быть кратно трем, двухфазной – двум.
3. Замена устаревшего оборудования на современное светодиодное.
4. Использования люминесцентных ламп с современным блоком питания на 5 кГц или выше.

В видео обсуждается влияния световых пульсаций на безопасность участников дорожного движения.

Контролировать пульсацию освещения надо обязательно. Она влияет на комфорт пребывания человека, его утомляемость, а в производственных помещениях от этого показателя зависит безопасность.

Источник