Проблема пульсаций в современном освещении

Пульсации освещенности: проблемы, метрология и расчет

Дек 28 • Разработка и проектирование, Статьи • 34918 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (101 votes, average: 4,86 out of 5)
Загрузка...

Пульсации освещенности: проблемы, метрология и расчет.
Современные системы освещения имеют множество преимуществ перед устаревшими лампами накаливания и даже газоразрядными лампами, среди которых выделяются высокая энергоэффективность, большой срок службы, низкая стоимость обслуживания, более широкие и новые сферы применения и многое другое. Поэтому переход на современное энергосберегающее освещение неизбежен.  Однако современным системам освещения на современном этапе свойственны свои недостатки – это, во-первых, относительно высокая цена, недостаток опыта правильного применения, большая доля некачественной продукции, несоответствие параметров источников света действующим нормативам. Очень часто, как показывает практика, наши клиенты сталкиваются с проблемой повышенных пульсаций светового потока и вытекающей из этого пульсации освещенности.

Опубликовано в журнале Lumen&ExpertUnion №3/2013

 

Сергей Мамаев

Сергей Мамаев, mamser72@gmail.com
технический директор ООО «Эко-Сфера»
Окончил в 1996г. Московский Инженерно-Физический Институт по специальности «Микроэлектроника». 1993-2008 г. — ведущий разработчик и технический директор приборостроительной компании «НТМ-Защита», с 2008г. соучредитель и технический директор приборостроительной компании «Эко-Сфера». Участие в разработке и серийном выпуске более 20 измерительных приборов и систем автоматизации.

Пульсации освещенности и их влияние на организм человека

Требования нормативных документов к уровню пульсации освещенности мы рассмотрим чуть позже. Предварительно хотелось бы вкратце затронуть проблему влияния пульсаций света на организм человека. К сожалению, многие производители систем освещения и инженеры по освещению относятся к этим требованиям как к бесполезному раздражающему фактору, усложняющему им жизнь. Однако, исследования воздействия пульсирующего света на организм человека, которые проводились с середины ХХ века, показали, в частности, что мозг человека воспринимает пульсации света, частотой до 300 Гц. Например, в работах [1] приводится ЭЭГ мозга человека (Рис.1), на которой видно, что при воздействии пульсирующего света на ЭЭГ мозга появляются навязанные пики активности с частотой пульсации света. Эти навязанные ритмы подавляют естественные биоритмы нервной системы (в данном примере, частота пульсаций света составляла 120Гц).

Рис. 1. ЭЭГ человеческого мозга в затемненной комнате (а), ЭЭГ человеческого мозга в комнате, освещенной лампами, с частотой пульсации светового потока 120 Гц

Рис. 1. ЭЭГ человеческого мозга в затемненной комнате (а), ЭЭГ человеческого мозга в комнате, освещенной лампами, с частотой пульсации светового потока 120 Гц

В ходе проведения тех же экспериментов было установлено, что при уровне пульсаций света 5-8% уже возникают признаки расстройства нормальной электрической активности мозга, а пульсации, глубиной 20%, вызывают такой же уровень расстройств нормальной активности мозга, как и пульсации освещенности с глубиной 100%. Также была определена критическая частота пульсаций света 300 Гц, выше которой человеческий организм воспринимает пульсирующий свет как постоянный. Аналогичные результаты были получены в работе [2]. Надо отметить, что видимые (частотой до 60…80 Гц) и невидимые глазом (от 60…80 Гц и до 300 Гц) пульсации света оказывают разное (визуальное и невизуальное) воздействие.

Видимые глазом пульсации освещенности вызывают прямое зрительное раздражение, мы их ощущаем, они доставляют дискомфорт, утомляют зрение, нервную систему и мозг. Однако мы их видим и пытаемся сознательно или на уровне подсознания бороться с ними – ограничивать время пребывания в помещениях с пульсирующим светом, рефлекторно настраиваем зрение и мозг на ограничение влияния таких пульсаций, в конце концов меняем раздражающую нас лампу или светильник на другую, с отсутствующими пульсациями. Таким образом, вред или, по крайней мере, дискомфорт от видимых пульсаций мы хорошо ощущаем и, по мере возможности, боремся с ними.

Начиная с частот 60-80Гц (зависит от индивидуальных особенностей человека) мы перестаем визуально ощущать воздействие пульсаций освещенности – мы их не видим. Такая частота называется критической частотой слияния мельканий (КЧСМ). То есть наш мозг не успевает обрабатывать поступающую информацию об изменениях интенсивности светового потока. Однако, эти пульсации освещенности детектируются зрительными рецепторами, но не обрабатываются как визуальная информация и воздействуют напрямую на работу прочих отделов мозга. В конечном итоге, высокочастотные пульсации света влияют на гормональный фон человека, суточные биоритмы и связанные с ними работоспособность, утомляемость, эмоциональное самочувствие.

При длительном воздействии пульсации освещенности могут приводить уже к хроническим заболеваниям не только органов зрения, но и сердечно-сосудистой и нервной системы. То есть, мы видим, что требования к уровню пульсаций освещения возникли не на пустом месте и задолго до появления современных источников света.

Проблема недостатка серьезного контроля за уровнем пульсаций освещения постоянно поднимается российскими медиками [3]. Идет постоянная работа по разработке современных стандартов качества освещения.

 

Нормативные требования к уровню пульсаций освещенности

Требования к уровню пульсаций искусственной освещенности разбросаны по разным нормативным документам. Вот выдержки из некоторых:

1. В СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» указывается, что коэффициент пульсации освещённости рабочей поверхности рабочего места не должен превышать 10% – 20% (в зависимости от степени напряжённости работы), при этом нормируются только те пульсации, частота которых ниже 300 Гц.
2. В ГОСТ 17677-82 «Светильники. Общие технические условия» приведены требования к рабочей частоте пускорегулирующей аппаратуры (ПРА) светильников с люминесцентными лампами. Она должна быть не ниже 400 Гц.
3. В СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 „Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» указывается, что коэффициент пульсаций освещения при работе на ПЭВМ не должен превышать 5%.

Итак, можно обобщить, что пульсации освещенности, частотой до 300 Гц, на рабочих местах не должны превышать 20%, а в некоторых случаях (при работе с ПЭВМ) – 5%. В местах временного пребывания (коридоры, лестницы, переходы и т.п.) уровень пульсации не нормируется. Также не нормируются пульсации освещенности, частота которых превышает 300 Гц.

C 1 января 2013 года введен в действие новый ГОСТ Р 54945-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности». В этом документе, наконец-то, однозначно прописаны все формулировки, методы измерения и расчета пульсаций освещенности.

Пульсации освещенности: расчёт пульсации светового потока

По ГОСТ Р 54945-2012 уровень пульсации освещенности характеризует коэффициент пульсации (Кп). Он представляет собой отношение разности между максимальным и максимальным значениями освещенности к среднему значению освещенности за время измерения.

Ф. 1. Формула расчета коэффициента пульсации по ГОСТ Р 54945-2012

Ф. 1. Формула расчета коэффициента пульсации по ГОСТ Р 54945-2012

где Емин – зафиксированный минимум значения освещённости (см. Рис.2),
Емакс – зафиксированный максимум значения освещённости (см. Рис.2),
Еср – среднее значение освещённости за время измерения (см. Рис.2)

Рис. 2. Графическое изображение параметров пульсации светового потока

Рис. 2. Графическое изображение параметров пульсации светового потока

По ГОСТ Р 54945-2012 в качестве Еср необходимо брать интегральное значение освещенности. Тогда полная формула для расчета коэффициента пульсаций имеет вид:

Формула расчета коэффициента пульсации по ГОСТ Р 54945-2012

Ф. 2. Формула расчета коэффициента пульсации по ГОСТ Р 54945-2012

где Т – время измерения.
Однако, до недавнего времени, для расчетов коэффициента пульсации в качестве Еср часто использовали среднеарифметическое значение:

Ф. 3. Формула расчета Еср

Ф. 3. Формула расчета Еср

тогда формула для расчета пульсаций освещенности принимает вид:

Ф. 4. Полная формула расчета коэффициента пульсации освещенности

Ф. 4. Полная формула расчета коэффициента пульсации освещенности

 

 

Особенности расчета коэффициента пульсаций

При измерении сигналов с формой, близкой к гармонической, результат расчет коэффициента пульсаций по формулам (2) и (4) практически совпадают. Однако, при расчете коэффициента пульсации импульсных сигналов, результаты расчетов по формуле (2) и (4) могут сильно отличаться. В частности видно, что при расчете по формуле (4) значение Кп никогда не может превысить 100%, в то время, как при расчете по формуле (2), при больших скважностях сигнала, может значительно превышать 100% и более.

На Рис.3 приведен пример измерения коэффициента пульсации яркости экрана ЭЛТ-монитора при помощи фотоголовки ФГ-01 и программы «ЭкоЛайт-АП». Хорошо видна разница в несколько раз значений Кп=92,4%, рассчитанного по формуле (4), и Ки=258,5%, рассчитанного по формуле (2).

Рис. 3. Измерение мерцания ЭЛТ-монитора

Рис. 3. Измерение мерцания ЭЛТ-монитора

Об этой особенности расчета необходимо помнить при измерении коэффициента пульсаций у источников освещения, управляемых импульсными преобразователями или источниками питания (например, диммерами). И в целом, следует избегать применения для управления освещением низкочастотных импульсных преобразователей (с частотой преобразования 300 Гц и ниже) и тиристорных регуляторов с фазовой регулировкой мощности (регулировка мощности за счет включения нагрузки лишь на часть периода переменного сетевого напряжения).

 

Измерения коэффициента пульсации освещенности

Сегодня в Интернете на различных тематических ресурсах активно обсуждаются различные способы определения пульсации светового потока от любых источников. Начиная от „карандашного метода“, с помощью цифровых фото- и видеокамер и заканчивая фотодиодом, подключенным к осциллографу. Не будем углубляться в описание и сравнение всех подручных методов (это тема, скорее, для разнообразных форумов и блогов), но, по нашему твердому убеждению, ни один из этих методов не дает хотя бы минимальной гарантии того, что Вы сможете таким способом хотя бы „поймать“ пульсацию, не говоря уже о том, чтобы измерить коэффициент пульсации.

Для измерения пульсаций освещенности в РФ выпускаются специализированные приборы — пульсметры. В часности,  функция измерения коэффициента пульсаций освещенности встроена в  люксметры-яркомеры-пульсметры «ЭкоЛайт» (Рис.4, 5), часть приборов ТКА ПКМ (Рис.6.), «Аргус-07» (Рис.7).

Это профессиональные приборы, разработанные с учетом требований нормативных документов РФ. Они включены в Государственный Реестр Средств Измерений РФ и могут поставляться с метрологической поверкой,  Цена таких приборов составляет от 18000 рублей и выше. Серьезных зарубежных приборов для измерения пульсаций светового потока на рынке РФ не представлено. К сожалению, до недавнего времени на рынке совершенно не были представлены недорогие пульсметры. Однако, с середины 2014 года, в продажу поступает недорогой персональный люксметр-пульсметр-яркомер «Люпин» (Рис.8.), близкий по своим параметрам к профессиональным приборам, но по существенно меньшей цене.

Люпин

Люпин

Для более глубокого анализа пульсаций – их характера, формы, частотных составляющих, максимального, минимального значения, подсчета коэффициента пульсаций двумя различными методами (см. выше), можно использовать бесплатную программу «ЭкоЛайт-АП». Она работает с профессиональными приборами серии «Эколайт» и персональным люксметром-пульсметром-яркомером «Люпин». Некоторые результаты измерений пульсаций, полученные при помощи программы «ЭкоЛайт-АП», приведены на Рис.9, 10, 11.

Пульсации освещенности современных ламп и светильников: опыт измерения

В нашей практике есть множество примеров удачного и неудачного применения новых систем освещения. По приведенным ниже примерам из жизни хорошо видно, что технологии современного освещения находятся еще на стадии становления. И поэтому на рынке присутствует большое количество либо не совсем „зрелых“ решений, либо зачастую откровенных подделок или брака. В то же время, мы видим, что все эти проблемы решаемы, особенно, если перед реализацией проекта освещения провести аккуратную работу по расчету и тестированию предлагаемого решения и заранее локализовать или вообще устранить потенциальные проблемы.

Например, наличие пульсаций у светильника или лампы, как правило, сигнализирует о том, что производитель, возможно, решил сэкономить на производстве, т.к. для обеспечения низкого уровня пульсации требуются некоторые  небольшие дополнительные затраты с его стороны. И будет справедливо предположить, что если производитель немного сэкономил на подавлении пульсаций, то он, скорее всего, мог сэкономить и на других компонентах, что может привести к ухудшению характеристик лампы или светильника, таких как срок службы, цветопередача, энергоэффективность, электромагнитная совместимость, защита от перегрузок и перепадов напряжения в сети и многое другое…

Вот лишь несколько примеров из реальной жизни, связанных с измерением уровней пульсаций, причин их возникновения и борьбой с ними.

1. Московский Инженерно-Физический институт (МИФИ).
Повсеместная замена устаревших светильников на лампах ЛБ-40 и ЭМПРА (коэффициент пульсации около 40%) на светодиодные светильники типа «Армстронг». После замены коэффициент пульсации возрос до 56%, а уже через полгода эксплуатации отмечены штучные случаи выхода светильников из строя. Изучение схемы нового светильника показало полное отсутствие какой-либо схемы управления. Единственная светодиодная линейка из 42 последовательно включенных светодиодов запитана с выхода понижающего трансформатора через диодный мост и фильтрующий конденсатор минимальной емкости.

2. Поставщик «умных» дорогих систем освещения известного зарубежного бренда обратился с вопросом о повышенных пульсациях светового потока поставляемых им светильников на промежуточных уровнях яркости. Измерения с помощью программы «ЭкоЛайт-АП» показали, что яркость светильника регулируется ШИМ-модулятором с рабочей частотой около 200 Гц. Производителю были высланы результаты измерений, на основе которых частота работы ШИМ-регулятора была повышена до 1 кГц. В результате, пульсации светильников снизились до уровня менее 1% на всех  уровнях яркости.

3. Потолочные светтльники типа «Армстронг» с «noname» газоразрядными лампами 4 * 18 Вт и ЭМПРА. Освещенность в контрольной точке 450 лк, коэффициент пульсации освещенности 40%. Проведена замена ламп на новые с индексом цветопередачи Ra > 90 и заменены ЭМПРА на качественные ЭПРА класса А2. При той же потребляемой мощности получили значение пульсаций освещенности менее 0,5% и увеличение освещенности в контрольной точке до 1100лк. Стоимость модернизации минимальна — около 130 рублей за лампу и около 500 рублей за ЭПРА. Итого, около 1000 рублей на один светильник.

Коэффициент пульсаций: заключение

Применение современных систем освещения — это большой шаг вперед в повышении условий жизни человека. Все проблемы, связанные с применением современных источников света — это проблемы роста, они решаемы и в скором времени мы не сможем себе представить жизни без светодиодных, компактных газоразрядных, индукционных или каких-нибудь еще новых типов ламп. А их применение будет не сложнее, чем сейчас «вкрутить новую лампочку». Но это в недалеком будущем, а сегодня надо быть просто немного повнимательнее и аккуратнее при выборе и применении современных источников света, обращая внимание не только на «маркетинговые» характеристики, но и измеренные, как, например, пульсации освещенности.

ИСТОЧНИКИ:

1. Обоснованный подход к нормативам пульсаций светодиодного освещения И. Ошурков – Современная электроника №4, 2012г.
2. Wilkins A.J. Fluorescent lighting headaches and eye-strain / Wilkins A.J., Nimmo-Smith I., Slater A.I., Bedocs L. // Lighting Research and Technology. – 1989. – № 21. – P. 11-18.
3. Ильина Е.И. Почему не принимаются меры для снижения пульсации освещенности // Светотехника. – 2005. – №4.

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »

(function (d, w, c) { (w[c] = w[c] || []).push(function() { try { w.yaCounter33329553 = new Ya.Metrika({ id:33329553, clickmap:true, trackLinks:true, accurateTrackBounce:true, webvisor:true }); } catch(e) { } }); var n = d.getElementsByTagName("script")[0], s = d.createElement("script"), f = function () { n.parentNode.insertBefore(s, n); }; s.type = "text/javascript"; s.async = true; s.src = "https://mc.yandex.ru/metrika/watch.js"; if (w.opera == "[object Opera]") { d.addEventListener("DOMContentLoaded", f, false); } else { f(); } })(document, window, "yandex_metrika_callbacks");