Устранение пульсации светодиодных ламп. Мерцание разных лампочек

Устранение пульсации светодиодных ламп. Мерцание разных лампочек

Светодиодные лампы постепенно вытесняют с рынка лампы накаливания. Это связано с тем, что LED-устройства потребляют меньше электроэнергии, излучая то же количество света. Однако, обладая неоспоримыми преимуществами, светодиодные лампы иногда создают пользователям немало проблем.

Владельцы LED-светильников могут столкнуться с ситуацией, при которой лампы начинают мерцать. Причем данная проблема возникает не только со светодиодами, но и с люминесцентными и лампами накаливания. Мерцание возникает как в работающих светильниках, так и в момент, когда они находятся в выключенном состоянии.

Тем не менее, для экономии электричества мы рекомендуем купить светодиодные лампы для дома.

Почему выключенные лампы мерцают

Прежде чем искать ответ на этот вопрос, необходимо рассмотреть конструкцию светодиодной лампы. Несмотря на то, что она подключается к сети, по которой подается переменный ток, ее рабочее состояние поддерживает постоянный. Кроме того, светодиоды способны функционировать при напряжении меньше 220 В.


В конструкции подобных ламп предусматривается такое устройство, как драйвер. Оно меняет переменный ток на постоянный, попутно снижая напряжение. В месте, где располагается вход в драйвер, размещены 4 диода. За нивелирование пульсации, возникающие в процессе перевода переменного тока в постоянный, отвечают электролитические конденсаторы. Аналогичные компоненты используются в выпрямителях. Напряжение подается в емкостный фильтр, после которого оно поступает на электросхему, которая преобразует его и стабилизирует на выходе.

Часто причиной, объясняющей появление мерцания выключенной лампы, являются выключатели, снабженные подсветкой. Последний регулярно подает ток на светодиод. То есть, во включенном состоянии выключатель электроэнергия поступает напрямую через контактную систему, а после выключения они идет через неоновую лампочку, встроенную в конструкцию. Данная лампочка функционирует под малой нагрузкой, через которую, в свою очередь, перетекает ток.


Постепенно энергия, проходящая через выпрямители светодиода, заряжает конденсатор, установленный в LED-лампе. По мере увеличения напряжения, накопленного из-за описанного выше процесса, его количество достигает величины, достаточной для срабатывания светодиода. В момент возникновения вспышки происходит полная разрядка конденсаторов, и в будущем этот процесс повторяется вновь. Частота появления описанных явлений зависит от нескольких параметров LED-лампы, включая емкость встроенного конденсатора и ее мощности.


Аналогичное объяснение можно дать вспышкам энергосберегающим лампам. Они имеют схожее со светодиодами строение. То есть, в конструкции энергосберегающих ламп предусматриваются выпрямитель, фильтр и другие компоненты. Несмотря на то, что люминесцентные лампы работают на основе полупроводников, они также периодически вспыхивают, если подключены к выключателям с подсветкой.

Решение проблемы мерцания ламп, возникающего при работе с подобными устройствами, вполне очевидно. Для устранения описанного эффекта потребуется заменить выключатель с неоновой подсветкой на стандартный или удалить встроенную лампу. Последнее решение никак не повлияет на работоспособность всей системы.

Однако в некоторых случаях избавиться от неоновой лампочки не представляется возможным. Например, ее наличие обусловлено особенностями интерьера помещения, в котором установлен выключатель. Либо последний отличается довольно сложной конструкцией, и для решения проблемы потребуется сторонняя помощь электрика.

Прекратить мерцания светодиодных ламп в подобных ситуациях можно, если перенаправить ток, который протекает через неоновую лампочку, на другой путь. Выполнить эту задачу проще, когда выключатель связан с группой ламп, размещенных, например, в люстре. Устранить мерцание можно, если в последней нужно установить галогеновую или лампу накаливания малой мощности. Последние обладают меньшим сопротивлением, чем у остальных осветительных приборов. Поэтому ток будет переходить через такие лампы.

В иных обстоятельствах, когда предложенные решения по тем или иным причинам невозможно реализовать, поможет использование постоянного резистора. Для устранения мерцания подойдет прибор с сопротивлением в 51 Ом и мощностью от 2 Вт и выше. Подключая резистор параллельно к любой из ламп, можно исключить возникновение рассматриваемой проблемы в будущем. Он устанавливается в соединительном коробе или на патроне. Последний вариант применяется в том случае, если к выключателю подключена только одна лампа.

Все выводы резистора необходимо изолировать. Кроме того, рекомендуется укрыть его термоусаживаемой или изоляционной трубкой.

Но не только описанная выше причина может спровоцировать мерцание светодиодных ламп. Данное явление происходит также в том случае, если рядом с ними пролегают другие электрокабели. Близкое расположение элементов электросети способствует тому, что напряжение от одного из них постепенно перетекает в другой. Решить эту проблему можно аналогичными путями: внедрить резистор либо установить лампу накаливания.

Работающая мерцающая лампа

Светодиодные лампы могут мерцать, находясь во включенном состоянии. В подобных ситуациях человек не замечает этого явления, которое, однако, оказывает незаметное влияние и воздействует прямо на подсознание. При длительном воздействии мерцающей лампы у людей нарушается сон и развивается повышенная утомляемость. Кроме того, регулярное нахождение рядом с таким светодиодом снижает остроту зрения.

Мерцание, как и в предыдущем случае, возникает из-за конденсатора. В случаях, когда последний имеет малую емкость, то фильтр не выполняет своих функций. Переменный ток добирается до светодиодов, заставляя их мерцать с частотой в 100 Гц.

Согласно действующим СНИПам, в помещениях, отведенных под медицинскую деятельность или предназначенных для пребывания детей, частота подобных мерцаний на должна превышать 10-20%. Данный показатель варьируется в зависимости от типа объекта, который необходимо рассмотреть. Несмотря на то, что по другим помещениям интенсивность пульсаций никак не регламентируется, ею нельзя пренебрегать в силу вышеописанных причин. Тем более если учесть, что частота мерцаний у некоторых светодиодов доходит до 60%.

Многие производители светодиодных ламп или LED лент не предоставляют информацию о том, с какой частотой возникают пульсации. Чтобы определить этот параметр, необходимо самостоятельно провести тесты. Однако они не позволяют установить частоту, а лишь «сообщают» о наличии такого мерцания.

Первый тест заключается в следующем: в комнате, где используется LED-лампа, нужно отключить другие осветительные приборы, оставив гореть только светодиод. Далее перед ним следует быстро помахать карандашом. Если в результате образуется сплошной след, то светодиод работает без пульсаций. О наличии мерцания «сообщает» след, разбивающийся на отдельные фрагменты.

Для второго теста потребуется устройство, способное записывать видео или делать фотографии. Приблизив камеру мобильного аппарат на расстояние в один метр от источника света, можно на экране заметить черные полосы, свидетельствующие о пульсациях светодиода.

Чтобы исключить мерцание у LED-ламп, необходимо заменить текущий конденсатор на элемент большей емкости. При этом он должен иметь схожие размеры и параметры выходного напряжения.

Также мерцание может возникать, когда LED-лампы сочетаются дриммером. Не каждый светодиод предназначается для работы с регулятором светимости. Кроме того, некоторые дриммеры не всегда правильно изменяют уровень свечения.

Задали вопрос: мерцают ли они?

Если говорить коротко - то нет, лампы FlexLED не мерцают вообще. Подробнее и в сравнении с другими лампами сейчас расскажу.

Тестирование проводилось элементарно: брался датчик времени отклика, которым тестируются мониторы, прижимался к лампе (через фильтр, т.к. мощная лампа в упор для него ярковата) и снималась осциллограмма. На осциллограмме горизонтальной штриховой линией отмечено положение нуля.

Лампа накаливания

Обычная лампочка накаливания - GE Classic 60W. Тепловой инерционности спирали не хватает, чтобы полностью сгладить мерцания, поэтому яркость лампочки колеблется с частотой 100 Гц. Но глубина модуляции невелика, поэтому глаз мерцание не видит вообще.


Флуоресцентная «трубка»

Флуоресцентная «трубка» T8-600 - Philips TLD 18W/33 с электромагнитным балластом. Мерцает на 100 Гц куда сильнее лампы накаливания, глубина модуляции около 50 %. Кстати, популярные настольные лампы с U-образными «трубками» и электромагнитным балластом (его легко узнать по втыкаемому в розетку блоку питания: это большая и тяжёлая дура, т.к. внутри стоит дроссель) мерцают точно так же, поэтому их вообще-то не рекомендуется использовать для освещения, особенно рядом с монитором. Ищите лампы с электронным балластом.


«Энерсгоберегающая» лампа Uniel

Компактная люминисцентная лампа (КЛЛ) с электронным балластом - Uniel ESL-H21-M09/2700/E27. Мерцает примерно с той же интенсивностью, что и обычная лампочка накаливания, то есть глаз этого мерцания не видит.


«Энерсгоберегающая» лампа OSRAM

Другая КЛЛ, более дорогая, - OSRAM DuluxStar 8W/825. Картина не отличается от Uniel - слабое мерцание, совершенно незаметное для глаза.


Светодиодная лампа GlacialLight

Светодиодная лампа GlacialLight на 17,4 Вт - огромная дура с очень холодным светом. Мерцания нет вообще (!).


Светодиодная лампа FlexLED

Светодиодная лампа FlexLED на 4,5 Вт - довольно скромная, с тёплым светом. Мерцания, опять же, нет вообще никакого.

Впрочем, не все йогурты одинаково полезны:


Светодиодная лампа непонятно чья

Какая-то китайская лампа на 5 Вт - была прислана в ходе выбора производителя для ламп FlexLED, но сейчас её принадлежность установить уже трудно, так как на коробке есть только код модели и мощность, а вот указать своё имя производитель постеснялся. Помимо этикетки, он ещё и явно сэкономил на сглаживающем конденсаторе, в результате чего лампа жесточайше мерцает на частоте 100 Гц с глубиной модуляции 100 %. Смотреть на неё неприятно.

Резюмируем:

  • лампы накаливания и «энергосберегающие» КЛЛ мерцают практически одинаково, для глаза незаметно;
  • флуоресцентные лампы с электромагнитным балластом мерцают значительно сильнее, глубина модуляции доходит до 50 %, периферийным зрением это уже можно заметить, более того, такое мерцание может давать неприятные эффекты при сложении с другими мерцающими источниками света, например, подсветкой монитора;
  • хорошо сделанные светодиодные лампы не мерцают вообще;
  • если за китайцами не следить, они что угодно могут сделать сколь угодно плохо.

Тема воздействия высокой частоты мигания света источников освещения на окружающий мир периодически становится предметом активного обсуждения специалистов. Статьи, поднимающие вопросы о мере влияния невидимого глазом мигания многих современных источников освещения, опубликованы во многих тематических журналах. В частности Rebekah Mullaney, своими публикациями надеется поощрить производителей светодиодных светильников и дистрибьюторов уделять больше внимания поиску решения, наиболее подходящего для благополучия людей.

Знаете ли вы, что большинство источников света в офисных зданиях не обеспечивают непрерывный свет? Высокие частоты мигания едва заметны для невооруженного глаза, но исследования показали, что определенные уровни воздействия мерцающего света могут быть опасными для здоровья человека.

Тем не менее, жестокая ценовая война, начавшаяся с 2012 года, заставляла малые, средние и даже крупные корпорации снижать стоимость изделий в ущерб качеству, оставляя открытым вопрос о том, какое внимание производители уделяют вопросам качества освещения.

Откуда берётся мерцание света?

Все источники света, работающие на переменном токе (AC), создают мерцающий световой поток из-за флуктуаций тока и напряжения. Флуоресцентные лампы, натриевые лампы высокого давления (HPS), светодиодные источники света имеют общую природу мерцания. Для обеспечения наиболее комфортного и безопасного освещения, требуется питание постоянным током (DC). Частота электрической сети обычно составляет 50 или 60 Гц, частота мерцания люминесцентной лампы обычно выше в два раза частоты электроэнергии, 100 или 120 Гц. Мерцание с малой частотой, примерно от 3 до 70 герц, может привести к судорогам у чувствительных людей, в то время как умеренная частота мерцания, от примерно 100 Гц до примерно 500 герц, незаметна человеческому глазу и может воспринимается только через стробоскопический эффект, однако может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья человека, таким как головная боль, напряжение глаз и усталость.

Стробоскопический эффект заключается в восприятии глазом объектов, освещаемых вспышками света, когда объекты в движении могут отображаться в виде серии неподвижных изображений.

Стробоскопический эффект можно наблюдать несколькими способами. Самый простой - посмотреть на источник света с помощью цифрового фотоаппарата, результат показывает характерный волновой эффект, как на изображении 1. Множественные тени движущегося объекта, как показано на рисунке 3, также являются характерным признаком стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект может привести к ложной интерпретации работы механизмов, например видимость замедленного или неподвижного состояния быстро движущихся элементов.

Рисунок 1 взят с камеры телефона с видимым волновым эффектом стробоскопического источника света, в то время как рисунок 2 такого эффекта не имеет. Фотографии 3 и 4 показывают, что объект в движении, снятый под стробоскопическим источником света, создает перекрытие тени. В случае без стробоскопического эффекта, фото показывает непрерывное движение без присутствия перекрывающихся теней.

В настоящее время нет официальной стандартной процедуры для измерения мерцания, но Светотехническое общество (IES) разработало две методики для количественной оценки мерцания, которые описаны в рекомендациях по разработке осветительных приборов. Первая и наиболее часто используемая методика основана на вычислении процента мерцания. Процент мерцания указывает на среднее количество модуляции или снижения светоотдачи одного цикла включения-выключения. Источник со 100-процентным мерцанием означает, что в какой-то момент цикла он не производит никакого света, в то время как полностью устойчивый свет будет иметь нулевой процент мерцания.

Другая методика даёт индекс мерцания в интервале от нуля до единицы. Индекс мерцания учитывает процент мерцания и две других переменных: форму кривой изменения интенсивности источника света, или выходной кривой, и скважность мигания, которая указывает отношение времени, когда источник света включен к полному циклу включения-выключения. Чем ниже процент мерцания и индекс мерцания, тем меньше источник мигает или создает ощутимый стробоскопический эффект.


Мерцание различных источников света

Несмотря на то, что традиционные лампы накаливания питаются переменным не стабилизированным током, уровень мерцания таких ламп невысок. Спираль лампы накаливания просто не успевает остыть до следующего импульса тока. Совершенно иначе ведут себя люминесцентные и газоразрядные лампы. Они выключаются практически мгновенно при отключении энергии. В 90-х годах прошлого века, решением этой проблемы стало использование электронных балластов (ЭПРА), которые подавали на лампу частоту более 20 кГц, что делало мерцание невидимым для глаза.

Почему мерцают светодиоды

Светодиоды могут давать мерцание света даже больше, чем лампы накаливания или люминесцентные лампы, поскольку являются прямыми преобразователями электрической энергии в свет. Это означает, что пока подается постоянный ток, светодиод будет гореть без мерцания. Как только ток прекратится, светодиод мгновенно погаснет. Если же ток изменится, то пропорционально изменится и световой поток.

В случае простой схемы питания светодиода, в которой нет стабилизации постоянного тока с помощью , яркость светодиода будет изменяться одновременно с циклом переменного тока. Выпрямленный переменный ток вызывает пульсации напряжения и тока на светодиоде. Эта пульсация, как правило, происходит на удвоенной частоте питающей сети - 100 или 120 Гц (США) и также в точном соответствии пульсирует световой поток.

Диммирование является другой основной причиной мерцания. Обычные диммеры, например тиристорные, модулируют напряжение за счет изменения времени выключения в цикле включения-выключения, снижая световой поток. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) меняет яркость свечения, включая и выключая светодиод на частотах, в идеале превышающих 200 герц.


Воздействие мерцания света на человека

В документах Министерства энергетики США 2013, посвященных исследованиям влияния мерцания света на человека отмечается, что низкая частота мерцания может вызывать эпилепсию, люминесцентные лампы с электромагнитным ПРА, используемые в офисе, также могут вызывать головные боли, усталость, размытие и ухудшение зрения. Стробоскопический эффект иногда вызывает иллюзии при движении в ночное время, в результате чего движущиеся объекты могут показаться замедленными или стоящими на месте. Кроме того, такой эффект также потенциально опасен в промышленных условиях, может привести к проблемам безопасности в строительстве.

Есть определенные группы людей, более уязвимых для негативных последствий мерцания, в том числе дети, больные аутизмом, страдающие мигренью и больных эпилепсией. Поскольку мерцание недоступно для восприятия невооруженным глазом, люди обычно не осознают, что причина дискомфорта, возможно, заключается в мерцании. В этом случае, может быть снижена определенная степень усталости, и повышена общая эффективность работы при изменение качества света.

Методы снижения мерцания светодиодного освещения

Снизить мерцание света позволяет драйвер питания, который может устранить проблему, подавая на светодиод постоянный ток без пульсаций. Однако производители при выборе драйвера питания для своих продуктов учитывают множество факторов, таких как стоимость, размер, надежность и эффективность. Кроме того, область использования светильника также играет роль - мерцание может быть допустимым в определенных условиях освещения.

Производители всегда пытаются оптимизировать полезные качества устройств ровно настолько, сколько требует приложение. Это относится и к мерцанию. Конденсаторы существенной ёмкости могут помочь сгладить пульсации тока, но они тоже имеют недостатки, например они имеют существенный размер и чувствительны к перегреву. В пространстве, которое часто слишком мало, например, во многих светодиодных сменных лампах, большие конденсаторы неприемлемы. Простейшие выпрямители переменного тока с использованием конденсаторов большой ёмкости снижают коэффициент мощности устройства.

В случае светодиодных ламп с диммированием, производители могут модулировать ток с очень высокой частотой, превышающей несколько тысяч герц. Это похоже на для люминесцентных ламп. Однако, чем выше частота, тем ближе физически драйвер должен быть к светодиоду. Иногда потребители хотят располагать драйвер в стороне от системы освещения что не всегда возможно.

Необходимость изготовления устройства питания компактным, эффективным, надёжным, при этом не производящим электромагнитных помех в эфир и питающую сеть, имеющим высокий коэффициент мощности не делает его дешёвым. Однако, среди массы различных вариантов реализации, можно найти золотую середину - приемлемое качество при адекватной цене.

Различные организации, например Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST), U.S. Environmental Protection Agency, National Electrical Manufacturers Association (NEMA) устанавливают лимиты на технические параметры устройств освещения, которые производители не должны превышать. Таким образом, создаётся база стандартов и рекомендаций, следуя которым, производители вынуждены производить качественные изделия.

Литература:

Led Professional - Trends & Technologies for Future Lighting Solutions, Jan 15, 2015

ASSIST Recommends … Flicker Parameters for Reducing Stroboscopic Effects from Solid-State Lighting Systems, by the Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies and the Lighting Research Center, May 2012

“Flicker happens. But does it have to?” by Cree, 2013.

“Exploring flicker in Solid State Lighting: What you might find, and how to deal with it,” by Michael Poplawski and Naomi Miller, Pacific Northwest National Laboratory, 2011.

Dimming LEDs with Phase-Cut Dimmers: The Specifier’s Process for Maximizing Success, ibid., October 2013.



top