На просторах интернета можно найти немало публикаций на тему пульсаций освещения. Немало существует терминов, определений и методик измерения этого явления. Самые известные это коэффициент пульсаций и индекс мерцания. В чём между ними разница, как их измерить и как на основе измерений оценить качество освещения расскажем в этой статье.
Пульсацией света или освещённости называется изменение во времени интенсивности светового потока источника света. Она хорошо заметна при съёмке фото или видео и проявляет себя в виде тёмных полос на изображении (Рис.1). Пульсация освещенности учитывает изменение светового потока, падающего на рабочую поверхность, частотой до 300 Гц. Пульсация освещенности свыше 300 Гц согласно ГОСТ не оказывает влияния на общую и зрительную работоспособность человека (ГОСТ 33393-2015). Критерием оценки относительной глубины колебаний освещённости является коэффициент пульсаций измеряемый в процентах. Формула для вычисления коэффициента пульсаций имеет следующий вид:
Где Emax - максимальный уровень освещённости, Emin - минимальный уровень освещённости, Eср- площадь под графиком уровня освещённости S за один цикл измерения T (Рис.2).
Если прочертить горизонтальную линию посередине между максимальным и минимальным уровнем графика, томы получим уровень средней освещённости. Очевидно, что в этом случае формула расчёта коэффициента пульсаций может быть упрощена до следующего вида:
Для приведённых на Рис.2 графиков обе формулы дадут одинаковый результат, так как они симметричны. Однако для более сложных случаев упрощённая формула может не вполне отражать реальную картину. Например, для правого графика на Рис.3 упрощённая формула покажет значение 100%, а формула из ГОСТ 200% пульсаций.
Теперь обратимся к следующему определению – индексу мерцания. Термин индекс мерцания не встречается в отечественной литературе и на самом деле является переводом термина flicker index из документа IEEE Std 1789. Формула для вычисления индекса мерцания выглядит следующим образом:
Индекс мерцания показывает отношение площади над средней линией освещённости к общей площади светоотдачи за один цикл измерения (Рис.4). Результат находится между 0 и 1, где 0 полное отсутствие мерцания, а значения близкие к 1 максимальный размах пульсаций. В том же документе мы можем встретить и упрощённую формулу из примера выше, которая учитывает разницу между минимальным и максимальным уровнем освещённости или другими словами глубину модуляции. Называется этот показатель percent flicker а значения его находятся между 0 и 100%.
Нужно отметить, что IEEE не предоставляет конкретных рамок и ограничений для каждого применения, а даёт рекомендации для снижения риска негативного влияния пульсаций освещения на человека. Однако, на страницах этого документа мы можем встретить график (Рис.5) на котором отмечена рекомендуемая безопасная область уровня пульсаций в зависимости от частоты. Для частоты мерцания ниже 90 Гц глубина пульсаций должна быть менее чем 0,025∙f, для частот между 90 и 1250 Гц менее чем 0,08∙f , а для частот выше 1250Гц этот показатель не нормируется. Но это лишь рекомендация и стандартом это пока не стало.
Пожалуй, пора приступить к практической части. В моём распоряжении оказалось два пульсметра. Один из них ТКА ПКМ(08) упоминается в ГОСТ 33393-2015 как рекомендуемое средство измерений.Второй я получил в подарок и характеристики его мне неизвестны. Первым был испытан так называемый бездрайверный светильник. Он представляет собой несколько последовательно соединённых групп светодиодов со схемой управления, которая в зависимости от напряжения в сети питания подключает и отключает одну или несколько групп светодиодов. В результате такой светильник обладает коэффициентом мощности близким к единице, возможностью управления яркостью обычным фазовым диммером, но довольно большим уровнем пульсаций. На Рис.6 показаны результаты измерения в режиме прямого включения в сеть и в режиме диммирования.
Подарочный пульсметр позволяет оценить форму сигнала и частоту, что очень полезно в исследовании характера пульсаций. В левой части Рис.6 мы можем наблюдать характерную форму сигнала для диммирования с отсечкой фазы, а в правой части полный сигнал. Исходя из теоретических размышлений можно сделать вывод, что оба прибора работают по формуле из ГОСТ, так как если бы они работали по упрощённой формуле, и учитывали лишь размах пульсаций, то в обоих режимах приборы показали бы 100% из-за размаха пульсаций от 0 до максимального уровня. Однако, несмотря на то, что пульсации по этой формуле могут превышать 100% ,пульсметр ТКА ПКМ(08) ограничен в показаниях выше 100%, о чём можно прочесть в инструкции по эксплуатации для этого прибора.
Следующий вопрос как себя поведут пульсметры на частоте сигнала выше 300Гц, а также при измерении пульсаций светильников с ШИМ диммированием. Был собран стенд, состоящий из ШИМ регулятора, светодиодного модуля и осциллографа. За неимением подходящего датчика света осциллограф был подключен напрямую к выводам светодиодного модуля и отслеживал не собственно пульсации света, а пульсации питающего напряжения. На Рис. 7 можно наблюдать результаты измерения на частоте ШИМ 368Гц.
Видно, что оба пульсметра сохранили способность измерения, хотя на подарочном приборе отображение формы сигнала и потеряло былую стройность. Включив на осциллографе функцию измерения среднего и максимального напряжения можно проверить точность приборов по рассмотренной ранее формуле:
Как видим, результат практически совпадает с показаниями ТКА ПКМ(08) , а вот показания второго прибора не особо внушают доверия. Забегая вперёд, хочу отметить, что точность показаний зависит от частоты и от скважности сигнала. Чем более короткие паузы или вспышки в свечении светильника, тем ниже точность измерения. Обусловлено это, видимо сравнительно низкой частотой оцифровки, которая для прибора ТКА ПКМ, например, составляет 3000 Гц. На Рис.8 можно наблюдать результаты измерения на частоте 1800Гц. Однако приборы, хотя и с погрешностью, фиксировали наличие пульсаций на частотах вплоть до 10кГц, что странно, так как ГОСТ не регламентирует мерцание света частотой выше 300 Гц. Как в этом случае определить, какие пульсации допустимы, а какие нет с помощью приборов подобных ТКА ПКМ непонятно. Как минимум хотелось бы видеть на приборе частоту фиксируемых колебаний освещённости.
Заключение
Для оценки качества освещения наряду с интенсивностью и спектром необходимо исследовать и уровень пульсаций. Некоторые пульсации освещения мы можем заметить невооружённым глазом, для обнаружения других необходимы соответствующие приборы. Но в любом случае это важный вопрос, который влияет на показатели комфортности освещения, а в некоторых случаях может и вовсе негативно сказаться на здоровье. Для описания характера пульсаций достаточно трёх основных параметров – частота, глубина модуляции (размах пульсаций) и отношение глубины модуляции к средней освещённости. Для измерения пульсаций на рабочем месте или дома достаточно воспользоваться пульсометром, хотя и не все из них имеют возможность измерять частоту. Задачей этой статьи не было детальное рассмотрение всех правил и норм касаемо пульсаций освещённости, с этими правилами можно ознакомиться в ГОСТ, СанПиН и СНиП. Здесь мы лишь рассмотрели общие вопросы касающиеся данной темы. Для выбора осветительных приборов для той или иной задачи, а также для оценки их качества необходимо придерживаться рекомендаций, описанных в соответствующих документах.
Литература:
1. ГОСТ 33393-2015 Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности.
2. IEEE 1789-2015 - IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers
3. IEC TR 61547-1:2020 Equipment for general lighting purposes - EMC immunity requirements - Part 1: Objective light flickermeter and voltage fluctuation immunity test method
4. ENERGY STAR Method Of Measurement For Light Source Flicker
5. IESNA THE LIGHTING HANDBOOK Tenth Edition 2011