Закрыть

Коэффициент пульсации света: Коэффициент пульсации в осветительных установках

Коэффициент пульсации в осветительных установках

Коэффициент пульсации освещенности в осветительных установках. Метод расчета.

Пульсации светового потока возникают при питании источников света переменным или импульсным током. Человек зрительно различает пульсации светового потока с частотой, меньшей критической частоты слияния мельканий, лежащей в диапазоне от 35 до 60 Гц в зависимости от области сетчатки глаза, воспринимающей излучение: для фовеальной области КЧСМ составляет 40…55 Гц, для парафовеальной она возрастает до 55…60 Гц, на крайней периферии снижается до 35…40 Гц. Таким образом, пульсации светового потока сильнее заметны периферическим зрением.

Сергей Котов, [email protected]
Выпускник кафедры «Светотехника и источники света» Московского энергетического института. Инженер-проектировщик ООО «СТК «ГЕЛИОСИТИ». Опыт работы по специальности с 2007 года. Принимал участие в реализации проектов освещения объектов ОАО «Северсталь» и ОАО «АК «Транснефть», цехов Калужского турбинного завода, Кирсинского кабельного завода и др.

Данная статья представляет собой лишь теоретическую часть, в которойописывается метод расчета коэффициента пульсации освещенности. Вторая часть статьи — практическая и представляет собой онлайн калькулятор коэффициента пульсации освещенности для осветительной установки на светильниках с различными источниками света.

Видимые глазом пульсации вызывают явное раздражение, но также отрицательное влияние на зрительную работоспособность и нервную систему оказывают неразличимые органом зрения пульсации светового потока, имеющие частоту до 300 Гц. К наиболее опасным последствиям высоких пульсаций светового потока относится возникновение стробоскопического эффекта – иллюзии неподвижности или замедленного движения вращающихся объектов, что может привести к производственным травмам. Повышенная зрительная утомляемость и опасность травматизма диктуют необходимость нормировать коэффициент пульсации светового потока, который в итоге и влияет на коэффициент пульсации освещенности на объекте Кп​.

Содержание

Коэффициент пульсации освещенности: термины и определения

Коэффициент пульсации освещенности — один из качественных показателей внутренних осветительных установок, регламентируемый СП52.13330.2011, а также рядом отраслевых стандартов, санитарных правил и норм. По определению коэффициент пульсации освещенности – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в осветительной установке в результате изменения во времени светового потока источников света при их питании переменным током. В зависимости от разряда зрительной работы, коэффициент пульсаций освещенности ограничивается значениями, не превышающими 10%, 15% или 20% [1].

Нижнее значение коэффициента пульсации было выбрано исходя из возможности его реализации во второй половине XX века. Верхнее значение связано с вероятностью возникновения стробоскопического эффекта при Кп > 20%. В помещениях с дисплеями коэффициент пульсаций освещенности не должен превышать 5% [2]. Коэффициент пульсации освещенности не ограничивается для помещений с периодическим пребыванием людей, при отсутствии в них условий для возникновения стробоскопического эффекта.

Коэффициент пульсации освещенности возрастает при регулировании светового потока источников света с помощью диммеров, работающих по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на частоте до 300 Гц

При питании источников света переменным током промышленной частоты (50 Гц) частота пульсаций светового потока определяется её удвоенным значением и составляет 100 Гц. Наличие таких пульсаций невозможно определить «на глаз», для их выявления применяются измерительные приборы – пульсметры, часто совмещаемые с люксметрами. В настоящее время данные приборы получают широкое распространение, в 2012 году был введён стандарт, содержащий перечень рекомендуемых средств измерения и описывающий, как измерять коэффициент пульсации освещенности К

п [3].

Коэффициент пульсации различных источников света

Высокий коэффициент пульсации освещенности (свыше 30%) характерен для осветительных установок, в которых применяются светильники с разрядными лампами и электромагнитными ПРА, подключенные к однофазной линии питания [4]. Вопреки сложившемуся мнению, пульсации светового потока свойственны в том числе и лампам накаливания с Кп до 15% при подключении к одной фазе). Коэффициент пульсации освещенности на объектах со светодиодными источниками света зависят от схемотехнического решения их блоков питания (драйверов): если с целью удешевления конечного продукта на выходе схемы вместо постоянного тока выдаётся выпрямленный ток промышленной частоты, коэффициент пульсации может достигать порядка 30%. В связи с этим рекомендуется запрашивать у производителей или поставщиков светодиодных светильников техническую информацию по пульсациям светового потока для каждого конкретного продукта.  Также коэффициент пульсации освещенности возрастает при регулировании светового потока источников света с помощью диммеров, работающих по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на частоте до 300 Гц.

Рекомендуется запрашивать у производителей или поставщиков светодиодных светильников техническую информацию по пульсациям светового потока для каждого конкретного продукта

Один из способов снижения коэффициента пульсации в осветительных установках переменного тока – применение электронных ПРА с частотой питания от 400 Гц. При частоте питания свыше 5 кГц Кп составляет менее 1%. Данный способ эффективен для люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, т.к. их применение с электронными ПРА стало практически повсеместным ввиду очевидных преимуществ и относительно невысокой стоимости решения. Частота питания современных ЭПРА для люминесцентных ламп – от 25 кГц. Ранее для снижения Кп в осветительных установках с многоламповыми люминесцентными светильниками применялись электромагнитные ПРА, работающие по схеме с расщеплённой фазой, обеспечивающей питание одной части ламп в светильнике отстающим током, другой – опережающим.

Разрядные лампы высокого давления  (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ) применяются, как правило, в одноламповых светильниках, поэтому подключение по схеме с расщеплённой фазой для них является неактуальным. Применение РЛВД с электронными ПРА не приводит к существенному снижению Кп ввиду относительно низкой частоты выходного тока (порядка 135 Гц), ограниченной физическими особенностями работы горелок ламп.

Наиболее распространённый способ снижения Кп для РЛВД в осветительных установках с трёхфазными групповыми линиями – так называемая расфазировка – поочерёдное присоединение светильников к разным фазам сети. Максимальное снижение Кп достигается при установке в одной точке двух или трёх светильников, питаемых от разных фаз.

В таблице 1 приводятся значения Кп для основных типов источников света, установленных в одной точке при питании от одной, двух или трёх фаз.

Таблица 1. Значения коэффициента пульсаций для источников света, установленных в одной точке и подключенных к 1, 2 или 3 фазам

Тип источника света Коэффициент пульсации, %
1 фаза 2 фазы 3 фазы
Лампа накаливания 10…15 6…8 1
Люминесцентные лампы с ЭмПРА:
ЛБ (цветность 640)
ЛД (цветность 765)

34
55

14,4
23,3

3
5
Дуговые ртутные лампы (ДРЛ) 58 28 2
Металлогалогенные лампы (ДРИ) 37 18 2
Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) 77 37,7 9

 

Данное планирование расфазировки является идеальным, но значительно чаще встречается применение одного светильника в точке с поочерёдным соединением соседних светильников в ряду к разным фазам сети, реже – поочерёдное соединение соседних рядов светильников к разным фазам.

Оценить эффективность применения расфазировки в цепях переменного тока промышленной частоты с целью снижения  коэффициента пульсации в осветительных установках общего освещения со светильниками с разрядными лампами и электромагнитными ПРА можно с помощью предлагаемого метода расчёта, основанного на требованиях, предъявляемых при измерении К

п и инженерном методе расчёта Кп по таблицам [4]. Данный метод может применяться для расчёта Кп в осветительных установках с металлогалогенными лампами (например, серии HPI Plus), дуговыми ртутными лампами (ДРЛ) и люминесцентными лампами типа ЛБ или ЛД и их зарубежных аналогов – ламп цветности 640 и 765 соответственно.

Коэффициент пульсации освещенности: алгоритм вычисления

1. Моделирование осветительной установки в расчётной программе.Необходимые исходные данные: габариты помещения, коэффициенты отражения его поверхностей, наличие затеняющих объектов, схема и высота установки светильников, высота плоскости нормируемой освещённости). Наиболее распространённой расчётной программой является DIALux, поэтому методика расчёта будет рассматриваться на его примере.

2. Распределение светильников по фазам согласно электрическому проекту или схеме. Ввиду того, что в программе DIALux расчёты проводятся по сценам освещения, для удобства получения результатов следует добавить светильники каждой фазы к  соответствующим элементам управления (Фаза A, Фаза B, Фаза C), которые затем необходимо добавить к соответствующим сценам освещения (Фаза A, Фаза B, Фаза C). Либо можно создать отдельные расчётные файлы со светильниками от каждой фазы.

3. Определение минимального количества квадратов расчётной сетки. Минимальное количество квадратов расчётной сетки определяется исходя из размеров помещения и высоты подвеса светильников над нормируемой рабочей поверхностью. Минимальное количество квадратов расчётной сетки N1 в квадратном помещении определяется по таблице 2 в соответствии с индексом помещения \( i \):

Формула расчета индекса помещения для последующего расчета коэффициента пульсации освещенности:

\[ i=\frac{a\cdot b}{h0\cdot (a+b)}\qquad(1) \]

Где:
a и b – размеры сторон помещения, м;
h0 – высота подвеса светильников над рабочей поверхностью, м.

Таблица 2. Минимальное количество квадратов расчётной сетки для квадратного помещения

Индекс помещения i Минимальное количество квадратов расчётной сетки N1
Менее 1 4
От 1 до 2 включительно 9
От 2 до 3 включительно 16
Свыше 3 25

Как правило, помещения имеют неквадратную форму. Минимальное количество квадратов расчётной сетки N для неквадратного помещения рассчитывается по формуле:

Формула расчета минимального количества квадратов расчётной сетки N для неквадратного помещения:

\[ N=N1\frac{S_п}{S_к}\qquad(2) \]

Где:
Sп – площадь помещения, м;
Sк – площадь квадрата со стороной, равной наименьшей стороне помещения, м.

4. Создание сетки расчётных точек освещённости.
Расстановка контрольных точек расчёта освещённости производится в центре каждого квадрата расчётной сетки. При размещении контрольных точек расчёта освещённости на плане помещения их сетка не должна совпадать с сеткой размещения светильников. В случае совпадения сеток число контрольных точек на плане помещения следует увеличить. При расположении в помещении крупногабаритного оборудования контрольные точки не должны располагаться на оборудовании. Если контрольные точки попадают на оборудование, сетку контрольных точек следует сделать более частой и исключить точки, попадающие на оборудование.

5. Определение освещённости в контрольных точках для каждой фазы с помощью расчётной программы.

6. В каждой точке максимальное из значений освещённости принимается равным 100%, значения освещённости от светильников оставшихся фаз выражаются в процентах от максимального значения.

7. По результатам п. 6 для каждой контрольной точки определяется значение Кпоуi в соответствии с типом источника света по таблице 3, 4 или 5. Если расчёт производится для двухфазной системы, доля освещённости от третьей фазы принимается равным 0%.

EA, EB, EC — освещённости в контрольных точках от светильников, подключенных к соответствующим фазам (A, B, C).

 

Таблица 3. Значения Кпоуi для ламп ДРИ

EB/EA, %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
EC/EA, % 0 100.0 88.0 79.0 71.5 66.0 61.5 58.0 54.5 52.0 50.5 49.0
10 88.0 76.0 68.0 61.5 57.0 53.0 50.0 47.5 45.0 43.4 42.5
20 79.0 68.0 59.0 53.5 49.0 45.5 42.5 40.0 38.5 37.5 36.0
30 71.5 61.5 53.5 46.5 42.0 39.0 36.5 34.5 33.0 31.5 31.0
40 66.0 57.0 49.0 42.0 36.5 33.0 31.0 29.5 27.5 27.0 26.5
50 61.5 53.0 45.5 39.0 33.0 28.5 26.5 24.5 23.5 22.0 21.5
60 58.0 50.0 42.5 36.5 31.0 26.5 22.0 23.0 22.0 21.0 20.0
70 54.5 47.5 40.0 34.5 29.5 24.5 23.0 19.0 18.0 17.0 16.4
80 52.0 45.0 38.5 33.0 27.5 23.5 22.0 18.0 14.9 14.1 13.4
90 50.5 43.4 37.5 31.5 27.0 22.0 21.0 17.0 14.1 11.2 10.6
100 49.0 42.5 36.0 31.0 26.5 21.5 20.0 16.4 13.4 10.6 8.0

 

Таблица 4. Значения Кпоуi для ламп ДРЛ

EB/EA, %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
EC/EA, % 0 100.0 88.0 79.0 71.5 66.0 61.5 58.0 54.5 52.0 50.5 49.0
10 88.0 76.0 68.0 61.5 57.0 53.0 50.0 47.5 45.0 43.4 42.5
20 79.0 68.0 59.0 53.5 49.0 45.5 42.5 40.0 38.5 37.5 36.0
30 71.5 61.5 53.5 46.5 42.0 39.0 36.5 34.5 33.0 31.5 31.0
40 66.0 57.0 49.0 42.0 36.5 33.0 31.0 29.5 27.5 27.0 26.5
50 61.5 53.0 45.5 39.0 33.0 28.5 26.5 24.5 23.5 22.0 21.5
60 58.0 50.0 42.5 36.5 31.0 26.5 22.0 18.0 16.0 16.0 15.4
70 54.5 47.5 40.0 34.5 29.5 24.5 18.0 14.5 12.7 11.7 11.5
80 52.0 45.0 38.5 33.0 27.5 23.5 16.0 12.7 9.9 8.4 7.9
90 50.5 43.4 37.5 31.5 27.0 22.0 16.0 11.7 8.4 6.0 4.9
100 49.0 42.5 36.0 31.0 26.5 21.5 15.4 11.5 7.9 4.9 2.6

 

Таблица 5. Значения Кпоуi для люминесцентных ламп

EB/EA, %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
EC/EA, % 0 100.0 88.0 79.0 71.5 66.0 61.5 58.0 54.5 52.0 50.5 49.0
10 88.0 76.0 68.0 61.5 57.0 53.0 50.0 47.5 45.0 43.4 42.5
20 79.0 68.0 59.0 53.5 49.0 45.5 42.5 40.0 38.5 37.5 36.0
30 71.5 61.5 53.5 46.5 42.0 39.0 36.5 34.5 33.0 31.5 31.0
40 66.0 57.0 49.0 42.0 36.5 33.0 31.0 29.5 27.5 27.0 26.5
50 61.5 53.0 45.5 39.0 33.0 28.5 26.5 24.5 23.5 22.0 21.5
60 58.0 50.0 42.5 36.5 31.0 26.5 22.0 18.0 16.0 16.0 15.4
70 54.5 47.5 40.0 34.5 29.5 24.5 18.0 14.5 12.7 11.7 11.5
80 52.0 45.0 38.5 33.0 27.5 23.5 16.0 12.7 9.9 8.4 7.9
90 50.5 43.4 37.5 31.5 27.0 22.0 16.0 11.7 8.4 6.0 4.9
100 49.0 42.5 36.0 31.0 26.5 21.5 15.4 11.5 7.9 4.9 2.6

 

8. По результатам п. 7 для каждой контрольной точки определяется значение Кпi по формуле:

Коэффициент пульсации источника света Кпi, формула расчета:

\[ K_{пi}=K_{пoyi}\cdot K_{пis}\qquad(3) \]

Где:
Kпis – значение коэффициента пульсации освещенности применяемого источника света при подключении к одной фазе, определяемое по таблице 1.

9. Для удобства полученные результаты сводятся в таблицу 6.

 

Таблица 6: Пример результатов расчёта коэффициента пульсации

№ расчётной точки i Освещённость от светильников фазы A Освещённость от светильников фазы B Освещённость от светильников фазы C Кп_оуi Кпi
1 200 лк (100%) 100 лк (50%) 50 лк (25%) 42,3% 15,6%

 

10. Коэффициент пульсации освещенности Кп определяется как среднее арифметическое всех значений Кпi, полученных в п. 9.

\[ K_п=\frac{1}{N}\sum^{N}_1K_{пi}\qquad(4) \]

Где:
N – количество расчётных точек.

Коэффициент пульсаций освещенности для конкретного помещения. Пример расчета

Рассмотрим применение данного метода на конкретном примере: производственный цех размерами 60 х 18 х 10 м, высота установки светильников 9 м, светильники устанавливаются на поперечных балках с шагом 6 м, нормируемая средняя горизонтальная освещённость на уровне 0,8 м: 200 лк, разряд зрительных работ: IV (средней точности, коэффициент пульсаций < 20%).

1. Моделирование осветительной установки в DIALux

Коэффициенты отражения поверхностей в промышленном помещении выбираются в соответствии с одним из наименее благоприятных возможных условий: потолок – стекло (6%), стены – бетон (27%), пол – цемент (27%). Коэффициент запаса (в DIALux – коэф. уменьшения) принимается равным 0,71.

Выбранный тип светильников: подвесной BOX LAMA Q 250W с широкосимметричным отражателем 48D и защитным стеклом с металлогалогенной лампой HPI Plus 250/743 BU. Для обеспечения нормируемой освещённости на рабочей поверхности потребуется 27 светильников, установленных в 3 ряда с шагом 6 м (по 9 светильников в ряду). Результаты светотехнических расчётов приведены на рис. 1 ниже.

 

2. Распределение светильников по фазам

В рассматриваемом примере будет использовано распределение светильников по фазам в соответствии со схемой:

A – B – C – A – B – C – A – B – C
B – C – A – B – C – A – B – C – A
C – A – B – C – A – B – C – A – B

Выделение светильников каждой фазы для присоединения к соответствующим элементам управления в DIALux удобнее производить сверху вниз, слева направо (см. рис. 2).

 

Светильники каждой фазы необходимо присоединить к соответствующим элементам управления. Для удобства элементы управления следует переименовать в соответствии с фазами A, B, C.
Затем каждый элемент управления присоединяется к соответствующей сцене освещения (см. рис. 3). Для удобства сцены освещения целесообразно переименовать в соответствии с фазами A, B, C.

 

3. Определение минимального количества квадратов расчётной сетки (см. рис. 4).

 

 

Определение индекса помещения в соответствии с формулой (1):

\[ i=\frac{a\cdot b}{h0\cdot (a+b)}=\frac{60\cdot 18}{8,2\cdot (60+18)}=1,69 \]

Минимальное количество квадратов расчётной сетки N1 для квадратного помещения определяется по таблице 2 в соответствии с индексом помещения i: 9. Ввиду того, что помещение имеет прямоугольную форму, минимальное количество квадратов расчётной сетки N рассчитывается по формуле (2):

\[ N=N1\frac{S_п}{S_к}=9\frac{60\cdot 18}{18\cdot 18}=30 \]

4. Создание сетки расчётных точек освещённости. Площадь помещения составляет 1080 м2, минимальное количество квадратов расчётной сетки – 30 шт. При данных параметрах максимальная площадь квадрата расчётной сетки составляет 36 м2, т.е. 6х6 м. Контрольные точки расчёта освещённости следует располагать в центре квадратов расчётной сетки.

5. Определение освещённости в контрольных точках для каждой фазы. Для наглядного представления результатов расчёта в DIALux следует отметить пункт «Расчётные точки (обзор результатов)» для сцен освещения каждой фазы. Значения освещённости от каждой фазы в 30 контрольных точках заносятся в таблицу (см. таблицу 7 ниже).

6. В каждой из 30 точек максимальное значение освещённости принимается равным 100%, значения освещённости от светильников оставшихся фаз выражаются в процентах от максимального значения.

Например, в точке 1 освещённость от фазы А составляет 46 лк, от фазы B – 49 лк, от фазы C – 18 лк. Максимальной является освещённость, создаваемая светильниками фазы B – 49 лк, данное значение принимается равным 100%. Освещённость от фазы A составляет 94% от максимальной освещённости, от фазы C – 37%. Процентные соотношения заносятся в таблицу (см. таблицу 7 ниже).

7. По результатам п. 6 для каждой контрольной точки определяется коэффициент пульсации осветительной установки Кп_оуi по таблице 3, т.к. применяемый источник света — металлогалогенная лампа.
Например, в точке 1 Кпоу1 определяется по таблице 3 на пересечении значений 94% и 37% и равен 28,3% (точное значение получено с помощью интерполяции табличных данных). Полученные значения Кпоуi заносятся в таблицу (см. таблицу 7 ниже).

8. По результатам п. 7 для каждой контрольной точки определяется значение коэффициента пульсаций источника света Кпi по формуле 3. Для металлогалогенных Кпис = 37% (по таблице 1).
Например, для точки 1.

Коэффициент пульсации освещенности:

\[ K_{п1}=K_{пoy1}\cdot K_{пис}=28,3\%\cdot 37\%=10,5\% \]

Полученные значения Кпi заносятся  в таблицу (см. таблицу 7).

9. Полученные результаты сводятся  в таблицу 7:

 

Таблица 7: Результаты расчётов коэффициента пульсаций Кп

№ расчётной точки Освещённость от светильников фазы A Освещённость от светильников фазы B Освещённость от светильников фазы C Кпоуi Кпi
1 46 лк (94%) 49 лк (100%) 18 лк (37%) 28.3 10.5
2 42 лк (84%) 50 лк (100%) 49 лк (98%) 12.4 4.6
3 25 лк (48%) 35 лк (67%) 52 лк (100%) 26 9.6
4 56 лк (77%) 73 лк (100%) 52 лк (71%) 18 6.7
5 76 лк (97%) 78 лк (100%) 77 лк (99%) 8.9 3.3
6 55 лк (74%) 53 лк (72%) 74 лк (100%) 18.3 6.8
7 69 лк (92%) 65 лк (87%) 75 лк (100%) 12 4.5
8 86 лк (93%) 92 лк (100%) 87 лк (95%) 10.4 3.8
9 75 лк (100%) 64 лк (85%) 70 лк (93%) 12.3 4.6
10 77 лк (100%) 70 лк (91%) 66 лк (86%) 12.4 4.6
11 88 лк (95%) 88 лк (95%) 93 лк (100%) 10.2 3.8
12 71 лк (92%) 77 лк (100%) 66 лк (86%) 12.3 4.6
13 66 лк (86%) 77 лк (100%) 70 лк (91%) 12.4 4.6
14 93 лк (100%) 88 лк (95%) 88 лк (95%) 10.2 3.8
15 66 лк (86%) 70 лк (91%) 77 лк (100%) 12.4 4.6
16 70 лк (91%) 66 лк (86%) 77 лк (100%) 12.4 4.6
17 88 лк (95%) 93 лк (100%) 88 лк (95%) 10.2 3.8
18 77 лк (100%) 66 лк (86%) 70 лк (91%) 12.4 4.6
19 77 лк (100%) 70 лк (91%) 66 лк (86%) 12.4 4.6
20 88 лк (95%) 88 лк (95%) 93 лк (100%) 10.2 3.8
21 70 лк (91%) 77 лк (100%) 66 лк (86%) 12.4 4.6
22 64 лк (85%) 75 лк (100%) 70 лк (93%) 12.3 4.6
23 92 лк (100%) 86 лк (93%) 87 лк (95%) 10.4 3.8
24 65 лк (87%) 69 лк (92%) 75 лк (100%) 12 4.5
25 53 лк (72%) 55 лк (74%) 74 лк (100%) 18.3 6.8
26 78 лк (100%) 76 лк (97%) 77 лк (99%) 8.9 3.3
27 73 лк (100%) 57 лк (78%) 52 лк (71%) 17.9 6.6
28 35 лк (67%) 25 лк (48%) 52 лк (100%) 26 9.6
29 50 лк (100%) 42 лк (84%) 49 лк (98%) 12.4 4.6
30 49 лк (100%) 46 лк (94%) 18 лк (37%) 28.3 10.5

 

Как видно из таблицы 7, при отсутствии затеняющих объектов в помещениях с симметричным расположением сетки светильников каждой фазы относительно сетки расчётных точек, значения освещённостей в расчётных точках также имеют симметрию (в рассматриваемом случае – только в поперечной плоскости). Следовательно, для расчёта Кп с достаточной точностью можно использовать половину расчётных точек (с 1 по 15 или с 16 по 30).

10. Коэффициент пульсации Кп определяется как среднее арифметическое всех значений Кпи, полученных в п. 9.

Коэффициент пульсации освещенности. Формула расчета:

\[ \begin{eqnarray*} K_p=\frac{1}{N}\sum^{N}_1K_{pi}=\frac{1}{30}(10,5+4,6+9,6+6,7+3,3+6,8+\\ 4,5+3,8+4,6+4,6+3,8+4,6+\\4,6+3,8+4,6+4,6+3,8+4,6+\\4,6+3,8+4,6+4,6+3,8+4,5+\\6,8+3,3+6,6+9,6+4,5+10,5)=\\=5,3\% \end{eqnarray*} \]

 

 

Таким образом, коэффициент пульсации освещенности в данном промышленном помещении равен 5,3%, что значительно ниже нормируемого значения 20%.

Чем меньше коэффициент пульсации освещенности осветительной установки в зависимости от рассматриваемой схемы, тем сложнее и дороже будет её реализация с точки зрения стоимости монтажных работ и электротехнических материалов

Предложенная в примере схема расфазировки является одной из наиболее оптимальных. Рассмотрим также ряд схем подключения светильников в трёхфазной сети:

Подключение поперечных рядов к отдельным фазам: Кп = 10,9%.

A – B – C – A – B – C – A – B – C
A – B – C – A – B – C – A – B – C
A – B – C – A – B – C – A – B – C

Подключение продольных рядов к отдельным фазам: Кп = 13,6%.

A – A – A – A – A – A – A – A – A
B – B – B – B – B – B – B – B – B
C – C – C – C – C – C – C – C – C

Подключение светильников одной фазы в шахматном порядке для обеспечения равномерного распределения освещённости в дежурном режиме работы осветительной установки (светильники фазы А): Кп = 13,3%.

A – B – A – C – A – B – A – C – A
B – A – C – A – B – A – C – A – B
A – B – A – C – A– B – A – C – A

Подключение светильников к двум фазам в каждом продольном ряду трёхфазной сети: Кп = 8,2%.

A – B – A – B – A – B – A – B – A
B – C – B – C – B – C – B – C – B
C – A – C – A – C – A – C – A – C

Чем меньше коэффициент пульсации освещенности осветительной установки в зависимости от рассматриваемой схемы, тем сложнее и дороже будет её реализация с точки зрения стоимости монтажных работ и электротехнических материалов (щитов управления, пускателей, автоматов, кабелей, лотков, монтажных коробок и др.).

В связи с этим целесообразно рассматривать несколько вариантов схем расфазировки и выбирать наиболее простой из удовлетворяющих нормируемым требованиям.

Программа расчета коэффициента пульсации освещенности

Автором статьи совместно с Андреем Леготиным ([email protected]) была разработана программа, производящая автоматизированный расчёт пп. 3, 6 – 10. Исходными данными являются габариты помещения, высота подвеса светильников относительно расчётной плоскости, тип источников света и значения освещённости в контрольных точках, полученные в расчётной программе.

Программа производит расчёт индекса помещения, автоматически предлагает минимальное количество расчётных точек (возможен ручной ввод), рассчитывает коэффициент пульсации освещенности для металлогалогенных, ртутных и люминесцентных ламп с электромагнитными ПРА в каждой контрольной точке, а также коэффициент пульсации освещенности всей осветительной установки. Программа доступна в режиме онлайн на нашем сайте www.heliocity.ru/pulsacii-osveshchennosti/

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. СП 52.13330.2011 Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*.
2. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».
3. ГОСТ Р 54945-2012 Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности.
4. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Знак. – 972 с: ил.

Пульсация светового потока

На многие вещи, связанные с повседневной деятельностью человека, зачастую влияет качество света—это давно известный факт. Иногда мы даже не задумываемся о последствияхпроцессы проходят на подсознательном уровне, почти как во сне. Как снизить нагрузку на мозг в четыре раза и увеличить эффективность труда, а также о других эффектах пульсации светового потокаподробнее в нашей статье.

В двух словах

Пульсация светового потока = эффект мерцания.

Снижение пульсаций источника света является важной составляющей в борьбе за качество света. В последнее время одним из заметных трендов на рынке LED-освещения становится гонка за нулевым значением коэффициента пульсации. Так ли это важно на самом деле, давайте разбираться

Подробнее о коэффициенте пульсации

Пульсация светового потока—это одна из основных характеристик источников искусственного освещения, отражающая частоту мерцания и качество света в целом. Характеризуется данный эффект специальным параметром—коэффициентом пульсации.

Для тех, кто любит формулы и ГОСТы

Коэффициент пульсацииэто относительная величина и измеряется она в % от разности максимального и минимального значений освещенности в люксах, приведенная к усредненному значению освещенности за период.

В России  ограничения по значениям Kп светильников регламентируются СНиП 23-05-95, ГОСТ 17677-82 и СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. В Европе и США подобных норм не существует. Основные ограничения, существующие в России:

  1. Пульсации освещенности, частотой до 300 Гц, на рабочих местах не должны превышать 20%, в некоторых случаях (при работе с ПЭВМ) – 5%.

  2. В местах временного пребывания (коридоры, лестницы, переходы и т.п.) уровень пульсации не нормируется.

  3. Не нормируются пульсации освещенности, частота которых превышает 300 Гц.

Предыстория появления эффекта

Физика работы LED такова, что включение диода возможно только при определенном значении силы тока и его направлении. Для подключения светодиодных светильников в цепях переменного напряжения (бытовой сети) и управления их яркостью мы, как специалисты-светотехники, вынуждены применять специальные пускорегулирующие устройства—LED-драйверы и диммеры с широтно-импульсной модуляцией—ШИМ (о ней читайте в нашей следующей статье).

И здесь все просто—колебания тока на выходе таких устройств порождает колебания светового потока LED, именно поэтому применение пускорегулирующей аппаратуры в системах освещения порождают подобный специфический эффект.

В этом плане обычная лампа накаливания подвержена тем же самым воздействиям со стороны питающей сети. Однако, она более инертна по своим характеристикам, поэтому мерцания частотой в 50 Гц фактически отсутствуют.

Теперь немного о том, как пульсация света может влиять на самочувствие человека и чем она опасна.

О пороге восприятия частоты пульсаций света и их влияние на человека

В большинстве случаев человеческий глаз не фиксирует пульсацию источника искусственного света, поскольку существует определенный порог восприятия, связанный с особенностями нашего зрения и частотой самих пульсаций.

Многократными исследованиями доказано, что критическая частота восприятия пульсаций—300 Гц, при достижении этого значения человеческий мозг перестает воспринимать их как таковые. При частоте до 120 Гц мозг на подсознательном уровне воспринимает пульсацию как некий “месседж” и пытается его обработать. Считается, что таким образом, человек воспринимает до 4 частот мерцаний от различных источников света, что в значительной степени повышает “загруженность” его центрального вычислителя—головного мозга.

Можно выделить два вида влияний пульсации светового потока на человека: краткосрочные и долгосрочные, см. таблицу 1.

 

Таблица 1

Влияние пульсаций на человека

Краткосрочное влияние

Долгосрочное влияние

  • усталость органов зрения

  • снижение внимания

  • утомляемость организма

  • замедление активности мозга

  • тошнота и нарушение пищеварения

  • нарушение циркадных ритмов

  • депрессия

  • бессонница

  • патология сердечно-сосудистой системы

  • патология органов зрения

  • патология ЖКТ

  • эректильная дисфункция

  • расстройство НС

Стробоскопический эффект — положительные и отрицательные стороны

Наиболее опасным последствием пульсации света можно назвать стробоскопический эффект на промышленных объектах, где присутствуют быстро движущиеся открытые механизмы и детали машин. Частота их вращения может совпасть с частотой мерцания света и может показаться, что механизм неподвижен, что зачастую является причиной серьезных травм и повреждений, см.рисунок ниже

Эффект мерцания источника света может быть зафиксирован при фото- и видеосъемке на коротких выдержках—тот эффект, о котором было рассказано в самом начале статьи. Данный неприятный момент может испортить не только несколько фотографий, но и испортить имидж студий и съемочных павильонов.

Световое оборудование для клубов и концертных площадок

Лазерные и диодные стробоскопы—это одни из самых распространенных световых девайсов, которые любят применять в клубах и на дискотеках. Интересный кратковременный световой эффект повышает настроение посетителям и является абсолютно безвредным для человека.

В заключение от Aledo

В последнее время нам все чаще приходится слышать о том, что на рынке появляются светильники с коэффициентом пульсации 1-2%—это результат борьбы производителей LED за конкурентные преимущества, о которых мы писали в самом начале статьи.

Наша позиция в этом вопросе такова: коэффициент пульсации источника света 20%—это абсолютно нормальное и допустимое значение, обозначенное в ГОСТе и СанПиНе. Конечно, существуют условия труда и быта человека, где необходимо максимальное снижение Kп (до 5% и ниже), но это весьма частные и редкие случаи. Мы всегда стараемся анализировать проект, исходим из реальных потребностей наших клиентов и предлагаем наиболее рациональные варианты для систем освещения.

Кстати, в шоуруме kaledoscop есть специальный прибор, который мы используем для тестирования наших решений и поставляемого оборудования,—пульсометр. Приезжайте к нам в гости, за чашкой кофе или чая, мы сможем показать на деле, что такое пульсация светового потока и какие решения существуют в России и мире для снижения подобного эффекта.

Пульсация света - вред здоровью, мифы и правда, коэффициент пульсации и его измерение

негативное влияние на организм пульсаций светаОдной из самых главных страшилок, которыми нас пугают специалисты по традиционному и светодиодному освещению, является так называемая пульсация света.

Данному явлению особо подвержены некачественно собранные и дешевые экземпляры светильников. Характеризуется такой параметр коэффициентом пульсации.

Давайте рассмотрим как обнаружить вредные пульсации, чем их замерить, от чего они зависят и какими нормативными документами и правилами регламентируются.

Влияние пульсаций света на организм и мозг

от чего происходит пульсация светаЕсли покопаться поглубже в этом вопросе, то окажется что не все пульсации одинаково вредны. Некоторые из них можно даже игнорировать и не измерять.

Впервые процесс влияния пульсаций света на организм человека был подробно изложен в журнале «Светотехника» в далеком 1963-м году. Суммируя изложенный в ней материал, можно сделать некоторые выводы.

Например, пульсации света имеющие частоту до 300Гц, действительно оказывают негативное влияние на наш организм.

При постоянном воздействии такого света, изменяется привычный суточный ритм и общий гормональный фон. При мерцании на частоте до 120Гц, наш мозг реагирует на это «мельтешение» и пытается воспринять несуществующую информацию, обрабатывая ее и загружая себя. Вполне естественно, что это напрямую сказывается на усталости.

Вот вам наглядный эксперимент и результаты ЭЭГ головного мозга. В первом случае (рисунок А) — человек сидит в затемненной комнате, а во втором (рисунок Б) — он находится в помещении с пульсирующими лампами частотой 120Гц.измерение ЭЭГ головного мозга человека при пульсации света

Посмотрите на ненормальные пики активности и представьте как это сказывается на биоритмах и вашем общем самочувствии.

Но если данные пульсации имеют частоту выше 300Гц, то они просто никоим образом не фиксируются телом и мозгом человека.

И соответственно никакого влияния на него не оказывают.

ГОСТ, правила и нормативные значения

На основе данных заключений ученых и был разработан ГОСТ Р54945-2012 «Методы измерения коэфф. пульсации освещенности». ГОСТ действителен и используется всеми производителями на данный момент.

В нем подробно описаны методы измерения и какими приборами это следует делать.прибор для замера коэффициента пульсации

Главный вопрос для потребителя заключается в том, какое максимальное значение коэффициента пульсаций может быть у разных источников света в тех или иных помещениях.

Эти предельные параметры регламентируются несколькими сводами правил СП. своды правил регламентирующие уровень пульсаций света

Минимально безопасное значение, которое указано в них — это 5%. Многие другие источники и статьи в интернете говорят о цифрах в 3% или даже в 1%. Так вот, в данных сводах правил, речи о таких малых величинах даже близко не идет.какой минимальный коэффициент пульсаций должен быть у лампочек

Вот сводная таблица рекомендуемых значений коэффициента пульсаций для разных помещений:таблица нормативных значений коэффициента пульсаций в разных помещениях

При этом запомните, что для нежилых помещений пульсации вообще никак не нормируются.

Поэтому если где-то и встретите на светильниках ЖКХ данные, что у них пульсация 10% или даже 5%, не стоит особо верить таким техническим параметрам.светильники жкх какой должен быть коэффициент пульсаций у них

Для подавляющего большинства таких светильников, замеры просто не производятся, так как не требуются по закону.111_DNaT

А зачем производителям лишние траты и повышение цены своего товара по сравнению с конкурентами?

Мониторы и смартфоны

Кстати, немного отвлекаясь от лампочек, стоит заметить, что почти у каждого второго монитора пульсации выше 30%, а у некоторых и под 100% можно найти.

Поэтому домашние лампочки с 10%, это еще цветочки в нашей повседневной жизни. Вы например, каждый день проводите минимум час или два, уткнувшись в экран смартфона. А они пульсируют как кислотная дискотека. нужно ли вытаскивать зарядку от телефона из розетки на ночь

Многие после этого даже удивляются откуда «ноги растут» и кто виноват в постепенном ухудшении их здоровья.

Еще один любопытный момент, касающийся предельных цифр, заключается в следующем — для вашего мозга нет большой разницы, сидите вы под лампочкой с коэффициентом в 20% или в 100%.иллюзия мерцания для глаз

В обоих случаях уровень расстройства будет схожим. Может отличаться только время воздействия эффекта.

Когда возникает стробоскопический эффект

А еще при Кп>20% возможно появление стробоскопического эффекта.

Это когда движущиеся и вращающиеся объекты (вал двигателя, лопасти вентилятора), для ваших глаз будут казаться неподвижными.

иллюзия мерцания для глаз

Это весьма травмоопасно. Поэтому на производствах в закрытых помещениях с искусственным освещением, стоит очень строго подходить к вопросу выбора правильных светильников.

Пульсации у традиционного освещения и методы снижения

Высокие значения Кп характерны в первую очередь для разрядных ламп с электромагнитными ПРА (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ). что такое индукционная лампа сравнение с ДРЛ ДНаТ люминесцентными и светодиодными

Здесь они в легкую могут достигать величин выше 30%. Кстати, обычные лампочки накаливания, также имеют пульсации до 15%. Но мы этого особо не замечаем, так как эффект гасится тепловой инерцией.

что такое индукционная лампа сравнение с ДРЛ ДНаТ люминесцентными и светодиодными

Лампочка накаливания это в первую очередь неплохой обогреватель (большая часть всей энергии у нее уходит в тепло), и только затем уже источник света. как собрать обогреватель из галогеновой и простой лампочки накаливания

При этом чем мощнее лампочка, тем меньше ее коэффициент.зависимость коэффициента пульсации лампочки накаливания от ее мощности

Здесь зависимость определяется инерционностью разогрева и остывания вольфрамовой нити.

Очень эффективным способом снижения коэфф. пульсаций, которым почему-то мало кто пользуется — является установка в одной точке нескольких ламп питающихся от разных фаз. Вот наглядная таблица для разных типов ламп и зависимость их пульсаций при подключении от 1-й, 2-х или 3-х фаз.таблица снижения коэффициента пульсации от подключения лампочек в одной точке по разным фазам

Более кардинальный метод для ламп ДРЛ, ЛБ и им подобным — это замена электромагнитной ПРА на электронную, с одновременным повышением частоты до 400Гц.таблица снижения коэффициента пульсации от подключения лампочек в одной точке по разным фазам

Кстати, многие до сих заблуждаются, думая что светодиоды в отношении теплопередачи и эффективности убежали далеко вперед. Это не всегда соответствует действительности. И с КПД светодиодов тоже не все так гладко. как повысить кпд светодиодов

Светодиодное освещение и мерцание

В светодиодных светильниках многое зависит от качества сборки блоков питания (драйверов). Если у них на выходе не постоянный ток, а выпрямленный с промышленной частотой, то пульсации в 30% не такая уж и редкость.

Но в общем, касательно светодиодных источников света и коэфф. пульсации ГОСТ четко говорит: ГОСТ и пульсации света светодиодных светильников и лампочек

Исходя из этого, прежде чем делать какие-то замеры, убедитесь что частота пульсаций от вашего светильника не превышает 300Гц. В противном случае может и измерять ничего не потребуется.

Хотя есть здесь и исключения — например профессиональный свет для фото или видеосъемки. как сделать кольцевой свет своими руками

Здесь даже при величине свыше 300Гц нужно обращать внимание на любые мерцания. Дело в том, что при видеосъемке и фотографировании, идет жесткая привязка частот источников света к другим наборам параметров — частоте кадров, выдержке и т.п.

Хотя и никакого влияния на человека здесь уже не будет, зато очень даже будет присутствовать влияние на качество съемки.кольцевая вспышка для фотосъемки

А еще коэффициент пульсаций резко повышают всевозможные диммеры, собранные по принципу ШИМ и работающие на частоте до 300Гц. виды диммеров какой выбрать для светодиодных ламп

Поэтому будьте предельно осторожными в их применении.

Как и чем замерить коэффициент пульсаций

Если пульсации в ваших лампах есть и они действительно вредные, то качественные замеры согласно ГОСТ, производятся по технологии с использованием осциллографа.замер коэффициента пульсаций ламп при помощи осциллографа

С его помощью можно измерить любую частоту пульсации и высчитать коэффициент у любых светильников. Формула расчета следующая (более подробно читайте в ГОСТе):формула расчета коэффициента пульсации ламп

В относительно рабочих, а не в стерильных лабораторных условиях, также должны применяться рекомендуемые измерительные приборы. Вот их перечень:рекомендуемые измерительные приборы для измерения коэффициента пульсации согласно гост

Одним из самых популярных приборов является ТКА-ПКМ 08.прибор ТКА ПКМ 08 для измерения пульсаций света

Такой аппарат оцифровывает сигнал с фотодатчика на частоте 3000Гц. Если частота источника света выше, то полученные данные от этого прибора уже будут существенно искажены. И верить им или нет, решать только вам.

Зачастую подобные девайсы объединяют в себе сразу несколько приборов — люксметры, яркомеры, пульсметры.

Все эти аппараты очень дорогие, так как проходят соответствующую поверку с дальнейшим внесением в реестр. А это существенным образом повышает цену прибора.

Если вам нужны замеры, что называется «для себя», без последующего предоставления их результатов в госорганы, то никто не запрещает посмотреть в сторону и более дешевых аналогов.различные приборы пульсметры для замера коэффициента пульсаций

Тем более есть экземпляры с очень хорошими отзывами.

Например аппарат Radex Lupin.прибор radex lupin для замера пульсаций света

Как проверить лампочку на пульсацию — народные способы

К самым простым и распространенным бытовым способам проверки пульсаций относятся следующие методы:

  • мобильный телефон

прибор radex lupin для замера пульсаций света

Просто посмотрите на свет лампочки через экран смартфона. То что не видно вашему глазу, будет весьма заметно на камеру.

Правда имейте в виду, что некоторые аппараты имеют встроенную возможность принудительного подавления мерцания. Поэтому вы можете ничего и не увидеть, хотя эффект и будет присутствовать.принудительное сглаживание мерцания в фотоаппарате

Подносить нужно максимально близко, чтобы нить накала или рассеиватель занял по максимуму все пространство экрана.

принудительное сглаживание мерцания в фотоаппарате

Сделайте фотоснимок лампочки без вспышки. Если на нем будут темные полосы - это признак мерцания.проверка мерцания лампочки фотоаппаратом

  • карандашный метод

Поднесите на свет лампочки карандаш или линейку и начните ею мельтешить наподобие вентилятора или веера.карандашный метод проверки пульсации лампочки

Если появится эффект "застывших лопастей" или вы будете видеть несколько карандашей, то пульсация больше нормы.

Чем отчетливее будут очертания, тем больше коэффициент. Такие остаточные контуры фигур из-за световых мерцаний, проявляются и в повседневной жизни.остаточные явления контуров фигур из-за мерцания и пульсации

Раскрутите детскую юлу под источником освещения. При появлении стробоскопического эффекта, меняйте лампочки.что такое индекс цветопередачи CRI и верить ли ему

Однако подобные народные способы выявляют пульсацию до 100Гц. А вот от 100Гц до 300Гц, они могут и подвести. Поэтому полагаться на них не стоит.

Какая частота хуже всего

Большинство дешевых китайских светодиодных лампочек, как раз таки и работают на частотах до 300Гц. Таким образом, незаметно день за днем ухудшая ваше самочувствие, и оказывая свое губительное влияние.

что такое индекс цветопередачи CRI и верить ли ему

Человеческий глаз без посторонних девайсов, способен различать пульсации с частотой от 60 до 80Гц. Далее идет невидимое для нас, но не для нашего мозга мерцание. как мы различаем цвета

Чем "хороши" видимые пульсирующие лампы? Тем что мы их замечаем, и интуитивно стараемся меньше времени проводить под их воздействием. Либо в конце концов меняем их на другие.

А вот самыми опасными будут те мерцания, которые визуально не заметны.

как мы различаем цвета

Из-за большой интенсивности на этих частотах, наш мозг уже не успевает обрабатывать всю информацию, однако зрительные рецепторы продолжают ее воспринимать. Причем не как визуальную составляющую.

В итоге все это воздействует на совершенно другие отделы мозга и провоцирует изменение гормонального фона, биоритмов, повышает утомляемость и ухудшает самочувствие.ухудшение здоровья от пульсаций света

У качественных производителей источников освещения, даже если и есть пульсации, то происходят они на частотах свыше 300Гц. И никакого смысла заморачиваться с поиском точных измерительных приборов и рассчитывать проценты здесь нет.

Данные лампочки все равно будут абсолютно безопасны и никак не испортят ваше настроение и здоровье.7 правил как сделать хорошее освещение и дизайн в комнате и доме

Поэтому если некий "специалист" пугает вас завышенными цифрами, ехидно делая замечания - мол видите, даже Phillips не безгрешен, зачем тогда платить больше?

Задайте ему резонный вопрос: "А на какой частоте получены данные замеры"? Будьте грамотны в вопросах светодиодного освещения и не дайте себя обмануть.

факты, механизмы и нормы / Хабр

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 ~1 %.

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.

Коэффициент пульсации светодиодных ламп

В связи с популяризацией светодиодных источников света у потенциальных покупателей возникают вопросы, связанные с качественными показателями изделия. К сожалению, в розничной торговле многие продавцы не могут дать полноценных ответов, руководствуясь исключительно данными с упаковки. Производителю, в свою очередь, выгодно указывать на упаковке к изделию только «маркетинговые» характеристики.

Значение такого технического параметра, как коэффициент пульсации, не принято приводить в описании. Многие китайские производители даже не нормируют его. Однако негативное влияние пульсирующего освещения доказано научно и нормативно закреплено российскими стандартами. Стоит ли делать акцент на этом физическом явлении при выборе светодиодных ламп? Какую опасность несёт повышенное мерцание для человека?

Определение и единица измерения

Коэффициент пульсации (Кп) является одной из характеристик, которая определяет качество искусственного освещения. Для расчета Кп производят замер уровня освещённости с фиксацией минимального, среднего и максимального значения. Затем данные подставляют в представленную ниже формулу. формула коэффициента пульсацииКоэффициент пульсации светодиодных ламп – безразмерная величина. Для удобства понимания полученный результат отображают в процентном эквиваленте. По данной формуле проводят расчёты, полученные на основании измерений гармонических колебаний. Драйверы светодиодных ламп являются источником негативных сигналов гармонической формы, что упрощает проведение замеров экспериментальным методом.

При наличии в источнике излучения импульсных помех применяют более сложные расчёты. Однако к электрическим схемам блоков питания LED-ламп это не имеет отношения.

Как проверить пульсацию?

Сразу следует отметить, что, во-первых, мерцание лампы возможно только при включении её к питающей сети переменного тока. При питании от аккумулятора или батареек работают светодиодные лампы без пульсаций (Кп=0%). Во-вторых, измерить пульсацию подручными средствами (видео или фотокамерой) невозможно. С их помощью можно лишь утолить своё любопытство и убедиться в наличии мерцания.

Согласно ГОСТ Р 54945–2012, пульсация светодиодных ламп должна измеряться специальными приборами с измерительными преобразователями излучения. В документе приводится ряд приборов, рекомендуемых для проведения измерений:

  • Многоканальный радиометр «Аргус»;
  • Пульсметр-люксметр «Аргус 07» или «ТКА-ПКМ»/08;
  • Пульсметр-люксметр «ТКА-ПКМ»/08;
  • Люксметр-яркомер-пульсметр «Эколайт-01» или «Эколайт-02».

Внешне эти измерительные приборы немного крупнее пульта дистанционного управления, оснащены фотодатчиками, дисплеем и кнопками управления. Как правило, прибор можно подключить к ПЭВМ, и с помощью прикладной программы организовать визуализацию и дополнительные вычисления.

СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 и СП 52.1333.2011

В России требования к качеству освещения регламентируются нормативными документами. В частности, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 устанавливает гигиенические требования к освещению в жилых и общественных зданиях. В жилых комнатах светодиодные лампы должны обеспечивать уровень освещённости не менее 150 Лк. Коэффициент пульсации при этом не нормируется. В общественных непроизводственных зданиях санитарные нормы устанавливают значение Кп в пределах 10-20%.

В своде правил СП 52.1333.2011 большое внимание уделяется нормам искусственного освещения всех типов сооружений, селитебных зон и производственных площадок. В нормативном документе отдельно оговорены требования к светодиодным источникам света. В зависимости от степени напряженности работы в нём приведены допустимые значения коэффициента пульсаций и освещенности.

Отрицательное воздействие

Видимые пульсации светового потока частотой до 80 Гц оказывают негативное влияние на мозг, раздражают нервную систему через органы зрения. В результате человек подсознательно вынужден бороться с дискомфортом, хочет быстрее покинуть зону воздействия мерцающего света. Освещение пульсирующим светом может привести и к реальным производственным травмам. Например, если скорость вращения циркулярной пилы совпадает по частоте светового потока светодиодной лампы, человеку может показаться, что станок не подвижен. Подобные ситуации являются серьезными причинами травматизма на производстве. травма на производствеМерцание в диапазоне 80–300 Гц не воспринимается напрямую человеческим глазом. Однако зрительные рецепторы детектируют данные колебания, которые провоцируют сбои в работе головного мозга. Действуя незаметно, они постепенно сдвигают гормональный фон, способствуют снижению работоспособности, ухудшают эмоциональное самочувствие. Как показали эксперименты – длительное нахождение в зоне пульсаций светового потока способствует возникновению и обострению хронических заболеваний нервной системы.

Как убрать пульсацию в светодиодной лампе?

Во многие светодиодные лампы китайского происхождения устанавливают примитивный блок питания (БП), который назвать драйвером невозможно. Он состоит из RC-цепочки, диодного моста и фильтрующего конденсатора малой ёмкостью, не более 10 мкФ. Именно из-за отсутствия качественного сглаживающего фильтра постоянное напряжение на выходе пульсирует с частотой менее 300 Гц. Ниже представлена схема подобной лампы. схема светодиодной лампы из КитаяУлучшить качество выходного сигнала можно путём замены электролитического конденсатора на аналог большей ёмкости. В результате амплитуда переменной составляющей сигнала снизится в несколько раз. Однако это не всегда возможно, ввиду большого размера конденсатора необходимой емкости.

Основные требования к драйверу – обеспечение светодиодов лампы стабильным током и миниатюрные размеры, необходимые для размещения схемы внутри цоколя. Поэтому самым надёжным способом значительно снизить коэффициент пульсации, является замена некачественного блок питания на драйвер со встроенным ШИМ-регулятором.

Если по субъективным причинам не удаётся избавиться от вредного мерцания светодиодной лампы, то рекомендуется установить её в помещении с наименьшим количеством включений. Наметив очередную покупку светодиодной лампы, делайте выбор в пользу сертифицированной продукции известных брендов.

Коэффициент пульсации: светового потока, светодиодных ламп

У современных потребителей светодиодные источники освещения становятся всё более и более популярными. Поэтому возникает всё больше вопросов, связанных с качественными характеристиками изделий. Коэффициент пульсации — одно из значений, к которому стоит присмотреться заранее.

Коэффициент пульсации светового потока

Коэффициент пульсации — название показателя, определяющего качество потока света от соответствующих приборов, размещённых внутри помещений. Ещё применяют термин «частоты мерцания света при питании источника переменным током».

Формула для КП

Внимание! Если приборы питаются от сети на 50 ГЦ, пульсация ламп составит 100 Ггц.

Газоразрядные источники энергии приводят к увеличению показателя на 30%. В том числе — если они подключены к однофазному току через электромагнитную пускорегулирующую аппаратуру.

15% может достигать пульсация по отношению к лампе накаливания, которая подключена к одной фазе.

От схемы драйвера пульсация зависит, когда речь о светодиодных лампах. 30% — стандартная величина, если на выходе применяют прямой ток, для которого характерна промышленная частота. Подключение диммера ШИМ способно ещё больше увеличить уровень.

Прибор для измерения коэффициента пульсации освещенности

Специальный прибор пульсомер определяет значение, на основе которого в дальнейшем организуют все расчёты. Показатели фиксируются как средние, так и минимальные с максимальными. В качестве единиц измерения предпочтение отдают киловаттам и киловольтам, разница между которыми не существенна. Ниже описано, как проверить коэффициент пульсации светодиодных ламп.

Проверка приборами

Мерцание лампы происходит, только если она подключена к источнику тока, постоянного или переменного. Светодиодные лампы вообще могут работать без пульсаций, если их подключают к аккумуляторам либо работа идёт от батареек. Простых подручных средств точно не хватит для измерения этого показателя. Они позволяют лишь убедиться в том, что мерцание присутствует. Отдельно проверяют мощность трансформаторов 1000 кВа, перевести в кВт которые не составит труда.

Многоканальный радиометр

Главный регулирующий документ в этом случае — ГОСТ Р 54945-2012. Он говорит, что для измерения применяют только специализированные приборы с преобразователями излучения. Норматив описывает и сами приборы, применяемые в таких мероприятиях:

  • люксометр-яркомер-пульсметр «Эколайт-01», «Эколайт-02»;
  • пульсметр-люксметр «ТКА-ПКМ»/ 08;
  • пульсметр-люксметр «Аргус-07», ТКА-ПКМ/08;
  • многоканальный радиометр «Аргус».

Измерительные приборы во многом напоминают стандартный пульт дистанционного управления, по размеру немного меньше его. Присутствует несколько элементов управления:

  • кнопки;
  • дисплей;
  • фотодатчики.

Прибор допускает подключение к персональным компьютерам. Благодаря прикладным программам проще визуализировать основные вычисления, организовать дополнительные при необходимости. Они облегчают измерение мощности трансформатора 1000 кВа.

Таблица КП для разных типов ламп

Светодиодные лампы

Мерцающее освещение создают абсолютно все работающие источники света. Светодиодные варианты не стали исключением. Есть несколько способов для проверки пульсации по отношению к приборам данной категории:

  • направление на приспособление камеры мобильного телефона. Мерцание лампы будет заметно сразу, если показатель достаточно высокий;
  • можно сделать фотографию светильника, когда вспышка выключена. Если на снимке проявились тёмные полосы — это не очень хороший показатель;
  • лампу можно направить на карандаш или линейку, а потом подвигать ею. Так создаётся имитация работы вентилятора. Пульсация света точно выше допустимых параметров, если появляется так называемый эффект фиксированных положений у вращающихся лопастей;
Пульсация светового потока
  • под тестируемым источником света запускают юлу. Стробоскопический эффект должен настораживать владельца, которому надо измерять показатели.

Лампы накаливания

Один из вариантов проверки показателя — бесплатная программа «ЭкоЛайт-АП». Она позволяет внимательно изучить такие характеристики, как:

  • Характер пульсации.
  • Форма.
  • Частотные составляющие.
  • Максимальное, минимальное значение.

Но нужно приобрести профессиональные приборы, имеющие такое же название «Эколайт». Допустимый вариант — люсметр-пульсметр-ярокметр «Люпин».

Люминесцентные лампы

Производители современных осветительных приборов делают всё возможное, чтобы соблюдать действующие нормы. Но есть и множество подделок, у которых пульсация явно нарушает существующие законы.

Процесс измерения

Для люминесцентных ламп характерен коэффициент пульсации, равный 100 Гц. Точные цифры зависят от мощности. Чем она выше — тем меньше указанный параметр. Это правило тоже можно использовать в дальнейших измерениях.

Сама величина коэффициента обусловлена электронным пуско-регулирующим автоматом. Если светильник оснащён качественными аксессуарами с самого начала — то при его работе не должно возникнуть проблем.

Единицы измерения

Обычно эту величину рассматривают как безразмерную. Либо результат измерений допускается указывать в процентах от какого-то конкретного числа.

Формулы расчёта

Стандартная формула для этого показателя выглядит следующим образом:

Kn = ((Emax- Emin)/2ECP) * 100%.

Emax и Emin — соответственно максимальные и минимальные уровни освещённости за определённый временной промежуток. Ecp — средняя величина на протяжении того же времени.

Упрощенная формула

Формула будет упрощённой, если речь об источниках переменного тока. Тогда разницу между максимальным и минимальным значением делят на сумму этих показателей, на последнем этапе перемножая результат на 100%.

В качестве среднего значения берут среднеарифметические цифры. Главное — что коэффициент пульсаций не может превышать 100%, вне зависимости от других условий и факторов.

Другое дело — когда за основу берут среднеквадратичные значения. В этом случае результат может быть больше 100%. То есть в каждом случае отдельно принимают решения о том, когда и какой метод использовать.

Пульсацию с частотой до 80 Ггц невозможно заметить в визуальном плане. Но раздражение нервной системы при нахождении рядом с таким источником света будет присутствовать.

Лампа накаливания

На подсознательном уровне такие помещения хочется покинуть побыстрее, чтобы снова оказаться в комфортной зоне.

Если пульсация отличается слишком выраженным характером — вероятно получение серьёзной производственной травмы. Нарушение общего гормонального фона, общее снижение работоспособности — негативное воздействие пульсации, которая находится в пределах 80-300 Ггц, постоянно работает рядом с человеком.

При разборе самой дешёвой светодиодной лампы внутри нельзя увидеть полноценный драйвер. Вместо этого пользователь увидит самый простой блок питания. Он состоит из нескольких компонентов:

  • RC-цепь;
  • диодный мост;
  • фильтрующий конденсатор, обладающий невысокой мощностью. Обычно она не больше 10 мкФ.
Диодный мост на лампах

Высококачественные фильтры в таких конструкциях отсутствуют, поэтому выходное напряжение отличается пульсообразной рваной формой.

Замена конденсатора на аналогичное устройство с большей ёмкостью часто становится выходом из ситуации. Но такие решения не всегда допустимы. Например — если пространство сильно ограничено.

Внутри цоколя пространство обустроено так, чтобы у всех внутренних предметов были конкретные габариты. Поэтому единственно верный и возможный вариант для снижения пульсации — полная замена примитивных блоков питания на качественные драйверы, у которых есть встроенный ШИМ-регулятор. Можно приобретать устройства, у которых качественные комплектующие смонтированы изначально.

Дополнительные советы по снижению пульсации.

Внимание! Некоторые светодиодные светильники мерцают всегда, вне зависимости от того, включены они или нет.

Для такой ситуации есть три причины:

  • слишком простая схема драйвера;
  • неправильная настройка выключателей с подсветкой;
  • неисправности в электропроводке лампочки. Для этого важно посмотреть на киловатты и киловольты, разница будет заметна сразу.

Старая проводка из алюминия оказывает негативное влияние на внутренние элементы. Тем более — если используется слишком старый материал для изоляции, либо подключение проводов изначально организовано неправильно. Замена лампы полностью, либо частично — допустимое решение для таких ситуаций.

Пульсация диодных светильников

В заключении необходимо отметить, что при покупке ламп важно выбирать изделия проверенных производителей, которые точно соблюдают все нормы и требования действующих законов. При покупке клиент может требовать сопроводительную техническую разрешающую документацию. То же касается сертификатов качества. С каждым годом поддельной и бракованной продукции становится всё меньше. Большинство лампочек продают не мерцающими.

Пульсации или мерцания светодиодных ламп, что это?

Рекомендуем прочитать:
Чем вредны пульсации или мерцание монитора компьютера?
Энергосберегающие лампы для дома – как выбрать самые лучшие из них
Дешевые светодиодные лампы или дорогие. На чем экономим?

 

Интерес к полупроводниковым осветительным приборам объясняется их преимуществами, на которые указывают специалисты. Одно из наиболее важных – минимальная пульсация светодиодных ламп, а точнее излучаемого ими светового потока. Что это за показатель и какое влияние он оказывает на человека?

 

ВНИМАНИЕ К ПУЛЬСАЦИИ СВЕТА

Человеческий глаз формировался под действием солнечного света, поэтому воспринимает его лучше всего. Но с развитием цивилизации возрастала потребность в дополнительном освещении, которое давало возможность вести активную жизнь после наступления темноты. Сегодня даже представить трудно, как бы мы жили без осветительных электроприборов.

Не так давно самыми распространенными источниками искусственного освещения были лампы накаливания. Они давали теплый мягкий свет, но стоимость его была высока. Создание энергосберегающих осветительных приборов открыло возможности для экономии электроэнергии и средств на ее оплату.

Но после исследования влияния на организм люминесцентного освещения ученые обнаружили: эти светильники отличаются недопустимо высоким коэффициентом пульсации света, поэтому небезопасны для здоровья. После замены электромагнитной ПРА на электронную удалось снизить этот показатель с 25 % до 15-20 %. Но и это значение оказалось неприемлемым для детских учреждений и помещений, в которых постоянно находятся люди, работает компьютерная техника, совершаются производственные операции.

 

КАКОЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПУЛЬСАЦИИ ЛАМП МОЖНО СЧИТАТЬ НОРМОЙ

Действующие нормативные акты, а именно актуализированная редакция СП 52.13330.2011 "Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95"  и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 определяют следующие требования к пульсации света:

  • для помещений, в которых проводятся работы, требующие высокой точности – до 10 %;
  • для помещений с возможностью появления стробоскопического эффекта – до 10 %;
  • для детских учебных и дошкольных учреждений – до 10 %;
  • для работы с компьютерной техникой – до 5%.

Величина коэффициента пульсации ламп не ограничена лишь для складских залов и производственных цехов с периодическим пребыванием в них людей и отсутствием условий для развития стробоскопического эффекта. Последний может создавать опасность на производстве, так как при совпадении частоты мерцаний света и вращения детали она будет казаться неподвижной. А это создаст высокий риск получения серьезной производственной травмы.

Что касается воздействия пульсаций света на организм, то не все они вредны для здоровья. Начнем с того, что при частоте мерцаний выше 50 Гц человеческий глаз их не воспринимает. Но это не значит, что эти пульсации остаются «невидимыми» и для организма: неразличимые для глаз мерцания светового потока регистрируются сетчаткой и мозгом. Это может вызывать головные боли, снижение настроения, ухудшение самочувствия, затяжную бессонницу и другие негативные последствия. Доказано, что световые пульсации никак не влияют на здоровье человека лишь при частоте 300 Гц и выше.

 

О ПУЛЬСАЦИИ ИЛИ МЕРЦАНИИ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП

Абсолютно все световые электроприборы создают мерцающее освещение, в том числе мерцают светодиодные лампы . Коэффициент пульсации лампы накаливания – 15-18 %. Но мы не ощущаем видимого дискомфорта потому, что этот эффект маскируется тепловой инерцией: как известно, лампы накаливания до 90 % электрической энергии превращают в тепло. Как уже упоминалось, высок коэффициент пульсации и у люминесцентных ламп. А вот у качественных светодиодных светильников, оснащенных хорошими драйверами, этот показатель составляет менее 4 %. То есть они допустимы для установки в любых типах помещений.

Чем объясняется низкий коэффициент пульсации светодиодных ламп? Проблему мерцания светодиодных ламп удалось решить с помощью драйвера, который подает к светодиоду постоянный электрический ток. Если производитель не экономит на этом элементе светильника, прибор будет создавать освещение с уровнем пульсации ниже допустимого.

Но не все идут по этому пути. Некоторые компании используют более простые электросхемы, не устанавливают драйвер и рекламируют свою продукцию как LED-светильники переменного тока, привлекая покупателя низкой ценой. Но такие приборы производят свет с пульсацией 40 %, а при использовании диммирования этот показатель становится еще выше.

Стоит обратить внимание, что пульсации в светодиодных лампах могут появится через некоторое время эксплуатации лампы, то есть купили лампу, а через полгода - год, у светодиодной лампы могут измениться характеристики, в том числе один из важных параметров - коэффициент пульсаций. 

Покупка более дорогих светодиодных ламп – дело выгодное с любой точки зрения. Но и при покупке дорогих и качественных ламп, следует помнить, что параметры этих ламп могут отличаться от партии к партии. 

В ночном клубе или на дискотеке стробоскопический эффект может быть уместен и особого вреда здоровью не причинит. Но, если вы проводите много времени или работаете в комнате с высокой пульсацией света, последствия будут.

 

Как проверить пульсацию или мерцание светодиодных ламп?

Вы наверное часто задавались вопросом - как проверить наличие пульсаций светодиодной лампы? Есть несколько простых, но совсем точных способов узнать, пульсирует ли ваша светодиодная лампа:

  • Направьте на нее камеру мобильного телефона. Если коэффициент пульсации очень высок, вы увидите заметное мерцание светодиодной лампы.
  • Сфотографируйте светильник с выключенной вспышкой. Плохой признак – наличие на снимке темных полос.
  • Направьте лампу на карандаш или линейку и подвигайте ею, имитируя работу вентилятора. Если обнаружится эффект фиксированных положений вращающихся «лопастей», значит пульсация света выше допустимой.
  • Запустите юлу под тестируемым источником света. Заметили стробоскопический эффект? Переустановите лампу в тамбур или холл.

 

Стоит отметить, что указанные выше простые способы могут обнаружить пульсации на частоте до 100 Гц, чем и пользуются недобросовестные производители светодиодных ламп и повышают частоту пульсаций выше 100 Гц.

Обнаружить пульсации и точно  измерить коэффициент пульсаций поможет измерительный прибор люксметр RADEX LUPIN с возможностью измерения пульсаций (люксметр–пульсометр–яркомер).

«Правильный» свет поможет сохранить здоровье, повысить работоспособность, снизит зрительное утомление. А «продвинутая» LED-технология с правильными характеристиками даст возможность сэкономить средства, снизив затраты на оплату счетов за электроэнергию и сократив до минимума расходы на покупку новых ламп.

 

Рекомендуем прочитать:
Чем вредны пульсации или мерцание монитора компьютера?
Энергосберегающие лампы для дома – как выбрать самые лучшие из них
Дешевые светодиодные лампы или дорогие. На чем экономим?

Текущий коэффициент пульсации Бак-конвертера

Аннотация

Индуктор и конденсатор образуют фильтр нижних частот в понижающем преобразователе. Угловая частота LC-фильтра всегда рассчитана на низкую частоту, чтобы ослабить пульсации переключения. Как правило, пульсации тока индуктора всегда рассчитаны на 30% от среднего тока индуктора. В этом примечании к дизайну приведен теоретический вывод отношения пульсаций тока к среднему току, также называемый коэффициент пульсации, для получения уравнения размера индуктора.Применяя метод расчета площади-продукта (AP) для проектирования индуктивности, можно получить оптимальный диапазон коэффициента пульсации, который полезен для конструкции конденсатора, а также для общей конструкции преобразователя.

Введение

Преобразователи

Buck широко применяются во многих приложениях с понижением напряжения, таких как встроенные преобразователи точки нагрузки. В основном, выключатель питания и свободный диод преобразуют входное напряжение постоянного тока в прямоугольную форму волны, а затем фильтр нижних частот LC фильтрует высокочастотную пульсацию переключения и шум, чтобы получить почти чистое постоянное напряжение на клемме нагрузки.На рисунке 1 показан типичный понижающий преобразователь

Рисунок 1. (a) Типичный Бак-преобразователь, (b) Напряжение переключения.

Когда включается выключатель питания Q 1 , диод свободного хода D 1 имеет обратное смещение. Входной ток проходит через LC-фильтр для прямой загрузки. Когда Q 1 выключается, D 1 смещается в прямом направлении током индуктивности i L . Форма волны напряжения переключения, показанная на рисунке 1 (б), является пульсирующей прямоугольной. После LC-фильтрации, предполагая, что угловая частота LC намного ниже частоты переключения, выходное напряжение выглядит почти чистым постоянным током.

Понятно, что чем выше индуктивность L, тем ниже емкость C приводит к той же пульсации выходного напряжения. Однако слишком большой индуктор вызывает большой объем и высокую стоимость. При слишком низкой индуктивности возникает большой выходной конденсатор. Это не просто проблема компромисса дизайна. Давайте подумаем о формах тока индуктивности в устойчивом состоянии.

Когда выключатель питания находится во включенном состоянии, напряжение на катушке индуктивности является разностью напряжений между входным и выходным напряжением.

Ток будет линейно увеличиваться с начального значения I L (0),

Когда выключатель питания находится в состоянии ВЫКЛ., Напряжение на индуктивности совпадает с выходным напряжением с отрицательной полярностью.

Напротив, ток индуктора будет линейно уменьшаться на -V o / L с i L (T на ).

Сформировать вольт-сек баланса индуктивности напряжения (1) и (3), можно легко получить коэффициент передачи напряжения,

По сравнению с рисунком 1 (b) LC-фильтр работает как «средняя» функция. Рабочий цикл, D, определяется как время включения духовки на весь период переключения.

Коэффициент пульсации

На рисунке 2 показана форма тока индуктора.Поскольку форма волны напряжения индуктора является пульсирующей прямоугольной, ток индуктивности будет треугольной с определенным уровнем постоянного тока.

Рисунок 2. Форма тока в индуктивности

Пульсирующий ток индуктора определяется как

Очевидно, что ток нагрузки может быть выражен как

Коэффициент пульсации может быть определен как

Когда коэффициент пульсации меньше 2, преобразователь работает в режиме непрерывной проводимости (C.C.M), иначе режим прерывистой проводимости (D.C.M.). C.C.M. работа при полной нагрузке более желательна в соответствующей конструкции понижающих преобразователей для более низкого токового напряжения в силовых полупроводниках. Таким образом, только C.C.M. операция обсуждается в этой статье.

Уравнение (8) можно выразить в формате напряжения

Для фиксированной индуктивности, чем выше входное напряжение, тем выше коэффициент пульсации. Для фиксированного входного напряжения коэффициент пульсации выше, когда индуктивность меньше.Более высокий коэффициент пульсации означает, что через конденсатор протекает больше пульсирующего тока. Если требуется такое же пульсационное напряжение, необходим больший конденсатор.

Зона Продукта Индуктора

Как описано выше, индуктор будет накапливать энергию в течение периода включения переключателя и высвобождать энергию при выключении переключателя. Концептуально ток нагрузки должен проходить через индуктор, так что необходима достаточная площадь намоточного провода. Если рассчитан более низкий коэффициент пульсации (или более высокая индуктивность), необходимо большее количество витков обмотки, что приводит к увеличению размера индуктора.

Введен индекс для измерения размера индуктора, называемый Площадь продукта, который является продуктом эффективной площади поперечного сечения сердечника и площади окна обмотки. Единицей становится м 4 , а не м 3 по объему. Однако площадь продукта прямо пропорциональна объему ядра.

Из закона Фарадея соотношение между индуктивностью (L), пиковым током (i pk ) и магнитным сердечником может быть получено как

, где i pk = I o + ½ Di L , N - витки обмотки, а B м - - максимальная плотность потока магнитного сердечника.A C - эффективная площадь поперечного сечения сердечника.

Из обмотки можно получить следующее уравнение.

, где A wr - площадь поперечного сечения обмотки проводника, J - плотность тока проводника. k w - коэффициент заполнения сердечника, а W a - площадь окна намотки.

Объедините (10) и (11), можно получить

Среднеквадратичный ток индуктора

может быть скомпонован как его постоянный и переменный ток.

Уравнение (12) можно переписать как

На рисунке 3 показан нормализованный размер сердечника в зависимости от коэффициента пульсации для различных рабочих циклов.

Рисунок 3. Соотношение между коэффициентом пульсации и размером индуктора с различным рабочим циклом.

Когда коэффициент пульсации находится в низкой области, размер сердечника будет значительно увеличен и почти плоский при коэффициенте пульсации. Это означает, что существует оптимальный диапазон в области около колена. В основном, высокий коэффициент пульсации приводит к большому фильтрующему конденсатору и наоборот.Например, при D = 0,3 коэффициент пульсации можно рассчитать в диапазоне от 0,2 до 0,4, что приводит к умеренному размеру сердечника и соответствующему размеру конденсатора.

Примеры дизайна

Долговечный преобразователь с частотой переключения 300 кГц имеет следующие рабочие параметры:

В в = 4 ~ 12 В, В из = 1,8 В, Io = 6 А, DV o = 10 мВ относительно емкости.

Предполагается, что выключатель питания и диод свободного хода являются идеальными. В Таблице 1 показана индуктивность для традиционного расчета коэффициента пульсации 30%, а оптимальные расчетные значения из предложенного метода AP приведены в Таблице 2.

Таблица 1. Расчетный коэффициент пульсации 30%

Входное напряжение

(В)

Рабочий цикл

Коэффициент пульсации

Ток пульсации (A)

Пульсация RMS (A)

Индуктивность (мГн)

4

0,30

0.3

1,80

0,52

1,56

8

0,15

0,3

1,80

0,52

1,89

12

0,1

0.3

1,80

0,52

2,00

Таблица 2. Оптимальная индуктивность

Входное напряжение

(В)

Рабочий цикл

Оптимальный коэффициент пульсации

Ток пульсации (A)

Пульсация RMS (A)

Индуктивность (мГн)

4

0.30

0,42

2,52

0,73

1,11

8

0,15

0,45

2,70

0,78

1,26

12

0.1

0,48

2,88

0,83

1,25

Согласно Таблице 1, обычный подход имеет такой же пульсирующий ток, но для более высокого входного напряжения требуется индуктор большего размера. При применении метода AP, показанного в таблице 2, почти одинаковые индуктивности рассчитываются при различном входном напряжении. Тем не менее, пульсирующий ток выше для высокого входного напряжения.В практических высокочастотных конструкциях POCAP или MLCC часто используются в качестве выходных конденсаторов, которые имеют чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), так что требование пульсирующего напряжения легко удовлетворяется.

Резюме

Предлагается теоретический анализ между размером индуктора и коэффициентом пульсации в конструкции преобразователя Бака. Оптимальный диапазон коэффициента пульсации может быть получен для различных входных напряжений методом AP. Это руководство для оптимальной конструкции индукторов понижающего преобразователя.

,
Минимизация мерцания света в светодиодном освещении

Аннотация

Применение светодиодов в автономных модифицированных лампах кажется простым, но следует соблюдать осторожность, чтобы добиться такого же качества освещения, что и обычная лампа, которую пользователь пытается заменить. Мерцание света - один из аспектов, который необходимо тщательно учитывать при разработке светодиодных ламп, чтобы избежать жалоб клиентов с места. В этом примечании по применению объясняется явление мерцания светодиодной лампы в зависимости от топологии драйвера и характеристик светодиода, а также предлагаются решения на основе нескольких светодиодных драйверов Richtek в сочетании с конкретными светодиодными цепочками.Также объясняется практический метод измерения мерцания, который можно использовать для измерения мерцания света в светодиодных лампах.

Связанные части драйвера Richtek LED, упомянутые в этом примечании к приложению: Топология обратного хода PFC: RT7302, Топология PFC Buck: RT8487, Линейная топология: RT7321 и Драйвер PFC MR-16 LED: RT8479.

1. Характеризуя мерцание света в Светодиодные лампы

Для качественного внутреннего освещения необходим равномерно распределенный свет с равномерной светоотдачей и подходящей цветовой температурой.Человеческий глаз чувствителен к изменению интенсивности света на более низких частотах, а колебания интенсивности света могут привести к раздражению, усталости глаз или головным болям.

Существует два вида мерцания света в светодиодных лампах:

    Линия переменного тока
  • частота световых колебаний (как правило, при удвоении частоты линии (100 Гц для линейной частоты 50 Гц и 120 Гц для линейной частоты 60 Гц)
  • Случайный свет флуктуация интенсивности (часто вызванная несовместимостью лампы и компоненты периферийного освещения)

Хотя мерцание выше 75 Гц не заметно для большинства людей, восприятие мерцания связано не только с частотой: оно также связано с интенсивностью пиков и впадин светового потока (модуляция интенсивности) и продолжительностью этих изменений.Два метода количественного определения этого эффекта показаны на рисунке 1:


Рисунок 1. Методы количественной оценки мерцания (Руководство IES 10 th edition)

Измерение Percent Flicker является относительно простым и может использоваться для источников света, которые периодически меняются, с относительно симметричными формами волны.
В источниках света, которые имеют несимметричные формы волны или периодически вспыхивают, индекс мерцания является лучшим способом количественной оценки мерцания, поскольку он способен учитывать различия в форме формы волны (т. Е. Рабочий цикл).

Обычные источники света не лишены мерцания: лампы накаливания имеют относительно низкое мерцание, их процентное мерцание составляет около 10-20%. Это связано с большой тепловой постоянной времени нагреваемой нити. Лампы CFL с магнитным балластом могут иметь довольно сильное мерцание: процентное мерцание от 37 до 70%. Современные лампы CFL с электронным балластом имеют низкое мерцание: процентное мерцание около 5%.

В настоящий момент не существует четкого стандарта в отношении максимально допустимого мерцания в светодиодных лампах, но многие производители светодиодного освещения указывают, что процентное мерцание должно быть менее 30% в диапазоне частот от 100 Гц до 120 Гц.

Светодиодная световая мощность напрямую связана с током, проходящим через светодиод, и по своей природе светодиодная светоотдача мгновенно реагирует на изменение условий тока светодиода. Таким образом, стабильный ток возбуждения светодиодов является основным критерием для достижения работы без мерцания в светодиодных лампах.

2. Связь между мерцанием, светодиодом Текущее и светодиодное напряжение пульсации

Чтобы определить соотношение между мерцанием света, пульсацией тока светодиода и пульсацией выходного напряжения драйвера светодиода, необходимо изучить характеристики цепочки светодиодов.

На рисунке 2 показана зависимость между током светодиода и относительным световым потоком светодиода Cree XLAMP MX-6 высокой яркости.

Рисунок 2. Экстраполяция пульсации тока светодиода к изменению светового потока для светодиода Cree высокой яркости

Синусоидальная пульсация тока светодиода отображается на графике, и результирующее изменение светового потока экстраполируется. Таким образом, изменение тока светодиода немедленно влияет на светоотдачу, но видно, что кривая не совсем линейная.Таким образом, соотношение между пульсацией тока светодиодов и результирующим мерцанием% также не является линейным, и для большинства светодиодов% мигания света меньше, чем% изменения тока.

В большинстве автономных драйверов светодиодов параметры схемы управляют пульсацией выходного (светодиодного) напряжения, а пульсации тока светодиодов являются результатом пульсации выходного напряжения. Поэтому важно знать соотношение между пульсациями напряжения на цепочке светодиодов и пульсациями тока через светодиод. Это соотношение можно найти по кривой I / V LED на рисунке 3.(Тот же Cree XLAMP MX-6 LED)

Рисунок 3. Кривая I / V светодиода с динамическим измерением сопротивления


Динамическое сопротивление светодиода в определенной рабочей точке будет определять соотношение между пульсацией напряжения на светодиодах и результирующей пульсацией тока, как думал светодиод. Это динамическое сопротивление довольно мало, что означает, что очень маленькая пульсация напряжения уже может привести к большой пульсации тока. Поскольку наклон кривой I / V изменяется в разных рабочих точках, динамическое сопротивление необходимо определять вокруг средней рабочей точки светодиода.
В большинстве светодиодных ламп используется несколько светодиодов. При последовательном размещении светодиодов динамическое сопротивление необходимо умножать на количество светодиодов. При параллельном использовании светодиодов динамическое сопротивление необходимо делить на количество параллельных светодиодов.

3. Схема автономного светодиодного драйвера

Чтобы понять причину мерцания 100 Гц / 120 Гц в автономных светодиодных лампах, важно понять основные принципы работы светодиодного драйвера с питанием от сети. Основная схема показана на рисунке 4:

Рисунок 4.Базовое автономное переключение светодиодного драйвера


В большинстве одноступенчатых автономных драйверов светодиодов преобразователь состоит из преобразователя Buck, Buck-Boost или обратного хода для преобразования (выпрямленного) линейного напряжения в подходящее выходное напряжение для возбуждения светодиодной цепочки. Основным контуром обратной связи является измерение тока светодиода, чтобы обеспечить постоянный (средний) ток для светодиодной цепочки.

Для работы без мерцания ток светодиода I СИД должен быть стабильным постоянным током, и, таким образом, напряжение светодиода V СИД будет постоянным напряжением постоянного тока.Поскольку линейное напряжение является синусоидальным, схема должна содержать по меньшей мере один буферный элемент напряжения для преобразования переменного тока в постоянное напряжение. Это может быть C1 или C2 на рисунке 4.

Приложения с низким коэффициентом мощности:

Рисунок 5. Преобразователь с низким коэффициентом мощности

Выбор C1 в качестве буферного элемента (большое значение для C1, как на рисунке 5) обеспечит относительно стабильное входное напряжение постоянного тока для преобразователя, и с помощью контура управления с обратной связью по быстрому току выходной ток I OUT также будет стабильным.C2 потребуется только для фильтрации высокочастотного шума переключения преобразователя и может быть относительно небольшим значением. Содержание линейной частоты в токе светодиода будет небольшим, что приводит к низкому 100 Гц / 120 Гц мерцанию. Однако выбор большого значения для C1 приведет к появлению импульсных входных токов, что приведет к снижению коэффициента мощности, а линейный ток I IN будет иметь высокое гармоническое искажение. Это решение обычно выбирается только в приложениях драйвера светодиодов с низким энергопотреблением (<6 Вт).

Приложения с высоким коэффициентом мощности:

Рисунок 6.Преобразователь с высоким коэффициентом мощности


В настоящее время большинство светодиодных ламп с более высокой мощностью требуют хорошего коэффициента мощности при низких гармониках входного тока. Это означает, что значение C1 должно оставаться небольшим, как показано на рисунке 6, и преобразователь должен также пытаться поддерживать синусоидальный входной ток, что требует контура управления с низкой пропускной способностью. Выходной ток преобразователя с высоким коэффициентом мощности может быть аппроксимирован функцией синуса 2 , которая представляет собой форму косинуса с двойной частотой и средним током светодиода в качестве среднего значения.Элемент буфера напряжения теперь C2, и он используется для уменьшения пульсации напряжения на светодиодной цепочке. Очевидно, что для достижения очень маленькой пульсации напряжения светодиодов потребуются очень большие значения для C2. Пульсация выходного напряжения вместе с характеристиками светодиодов будет определять пульсацию тока светодиодов и последующее мерцание 100Гц / 120Гц этих светодиодных ламп.


Метод проектирования управления мерцанием в одноступенчатых драйверах светодиодов с высоким PFC следующий:

a. Определите максимальное процентное требование мерцания (обычно около 30%)

б.Определить максимальное изменение пика тока светодиода I LED_PP по кривой светового потока в зависимости от прямого тока

с. Определите динамическое сопротивление R DYNAMIC_TOTAL светодиода в рабочей точке по кривой I / V светодиода

д. Определите максимальное напряжение от пика до пиковой пульсации V OUT_PP по всей цепочке светодиодов:

е. Определите требуемое значение выходного конденсатора:

, где:
I OUT_PP - это 2-кратный средний ток светодиода (хорошее приближение для преобразователя с высоким коэффициентом мощности)

В следующих главах показано несколько примеров автономных драйверов светодиодов, рассчитанных на определенный процент мерцания. Расчеты и измерения объясняются, и обсуждаются некоторые решения для уменьшения мерцания светодиодов.

4. Светодиодный драйвер высокой мощности 20 Вт используя RT7302

RT7302GS - это светодиодный драйвер Flyback с постоянным током, использующий регулировку первичной стороны и топологию с постоянным временем включения для получения высокого коэффициента мощности. Преобразователь переключается в граничный режим проводимости.

На приведенном ниже рисунке показан эталонный дизайн для приложения T8 мощностью 20 Вт. Максимальное световое мерцание составляет 30%.

Рисунок 7. Контрольная плата RT7302 с узким форм-фактором для приложений T8

Длинный светильник T8 для этой конструкции T8 мощностью 20 Вт, как показано на рисунке, состоит из 8 параллельных светодиодных цепочек. Каждая строка состоит из 16 последовательно соединенных светодиодов. Тип светодиода - серия Edison Opto PLCC 3022 0,2 ​​Вт. Общая комбинация светодиодных цепочек имеет прямое напряжение 49 В при токе 400 мА.Таким образом, каждая светодиодная цепочка будет получать ток 50 мА.

На рисунке 8 ниже показаны графики из спецификации светодиодов, которые могут предоставить средства для определения допустимой пульсации тока и динамического сопротивления сборки светодиодных цепочек.

Рисунок 8. Графики светодиода PLCC3022 с низким энергопотреблением

Из графика зависимости яркости от тока: при мерцании света 30% ток светодиода может варьироваться в пределах +/- 17,5 мА или 35%. Для всей сборки цепочек (8 цепочек параллельно), пиковое значение тока светодиода может составлять 280 мАПр.

Из кривой I / V: Динамическое сопротивление одного светодиода вокруг рабочей точки 50 мА равно 7.5Ω. Динамическое сопротивление всей сборки светодиодных цепочек составляет 7,5 * 16/8 = 15 Ом

Допустимая пульсация напряжения по всей комбинации струн может быть рассчитана:

Принципиальная электрическая схема светодиодного драйвера мощностью 20 Вт показана на рисунке 9. Это конструкция с высоким коэффициентом мощности. Это означает, что выходной ток во вторичной обмотке будет иметь высокое содержание низкочастотной пульсации с частотой, которая в два раза превышает частоту линии. Основным буферным элементом является выходной конденсатор EC1.

Рисунок 9. RT7302 20 Вт Изолированный светодиодный драйвер с высокой PF

Для расчета частоты линии 50 Гц значение выходного конденсатора можно оценить по:

Конденсатор 330 мкФ был выбран для EC1.

На рисунке 10 ниже показаны измерения выходного тока преобразователя, напряжения светодиода, тока светодиода и светового выхода на входе 230 В / 50 Гц с использованием выходного конденсатора 330 мкФ.

Рисунок 10.

Фиолетовый сигнал - это выходной ток преобразователя со всеми высокочастотными переключениями.Амплитуда в два раза превышает средний ток светодиода и имеет частоту 100 Гц. Пульсация напряжения на светодиоде составляет 3,7 В, из-за большего выходного конденсатора. Средний ток светодиода составляет 400 мА с пульсацией 279 мА, что составляет 34,8% пульсаций. Динамическое сопротивление сборки светодиодов немного ниже, чем рассчитано по графикам светодиодов: 3,7 В / 279 мА = 13,6 Ом.

Диаграмма области справа показывает ток светодиода и измеренную светоотдачу (измерение света производится самодельным датчиком света, см. Главу 9).Пульсация тока светодиода составляет 34,8%, измеренное мерцание - 30,4%, очень близко к требуемому значению.

5. Неизолированный светодиодный драйвер высокой мощности 10 Вт с использованием RT8487

RT8487 - контроллер драйвера светодиода с высоким коэффициентом мощности, который можно использовать в неизолированных приложениях Buck и Buck-Boost. Контроллер использует резонансное переключение в режиме граничной проводимости. В приведенном ниже примере применения показана конструкция мощностью 10 Вт с шестнадцатью последовательными светодиодами Cree XLAMP MX-6 для напряжения цепочки светодиодов 49 В.

Рисунок 11.RT8487 Неизолированный светодиодный драйвер 10 Вт с высокой PF

Драйвер рассчитан на средний выходной ток 200 мА. Мерцание% установлено на 30%. Ток и напряжение пульсации светодиода могут быть получены из графиков ниже.

Рисунок 12. Характеристики светодиодов для Cree XLAMP MX-6

Из графика зависимости яркости от тока: при мерцании света 30% ток светодиода может варьироваться +/- 70 мА или 35%.
Из кривой I / V: Динамическое сопротивление одного светодиода вокруг рабочей точки 200 мА равно 1.7Ω. Динамическое сопротивление всей сборки светодиодных цепочек составляет 1,7 * 16 = 27,2 Ом (обратите внимание, что динамическое сопротивление светодиода выше в диапазоне слабого тока). Допустимая пульсация напряжения на всей комбинации струн может быть рассчитана:

На рисунке 13 показана схема драйвера светодиода. RT8487 используется в топологии Buck с плавающим контроллером. Схема начальной загрузки обеспечивает питание IC, и схема использует только стандартные катушки индуктивности барабанной катушки.

Рисунок 13.RT8487 10 Вт с высоким коэффициентом мощности в плавающей топологии Бака


Для расчета частоты линии 50 Гц требуемое значение выходного конденсатора можно оценить по:

Для EC1 был выбран выходной конденсатор 220 мкФ.

На рисунке 14 показаны выходные измерения для этого преобразователя.

Рисунок 14.

Фиолетовый сигнал - это выходной ток преобразователя Бака, при котором все высокочастотные переключения отключены. Амплитуда переменного тока при 424 мАп немного выше, чем удвоенная средняя сила тока светодиода.Пульсация напряжения на светодиоде составляет 3,07 В, немного ниже, чем первоначально рассчитанное значение из-за большего выходного конденсатора. Средний ток светодиода составляет 200 мА с пульсациями 120 мА, что составляет 30% пульсаций. Динамическое сопротивление сборки светодиодов немного ниже, чем рассчитано по графикам светодиодов: 3,07 В / 120 мА = 25,6 Ом.
График области справа показывает ток светодиода и измеренную светоотдачу (измерение света производится самодельным датчиком света, см. Главу 9). Измеренное мерцание составляет 26.1%, значительно ниже максимального требования.

Из ранее рассмотренных примеров ясно, что одноступенчатые конструкции с высоким PFC будут генерировать некоторое мерцание, связанное с частотой линии. Степень мерцания зависит от частоты линии, амплитуды переменного тока выходного тока преобразователя, размера выходного конденсатора, а также характеристик тока яркости и динамического сопротивления светодиодной цепочки. Форма выходного тока преобразователя зависит от коэффициента мощности.

Для уменьшения мерцания 100/120 Гц в одноступенчатых драйверах светодиодов PFC необходимо уменьшить пульсации тока светодиодов.Есть несколько возможностей сделать это:

1. Уменьшите амплитуду пика до пика выходного тока преобразователя. Это может быть достигнуто только путем уменьшения коэффициента мощности конструкции, увеличения входного конденсатора и увеличения скорости токовой петли обратной связи. PF и THD могут не соответствовать требованиям, и это решение обычно используется только для маломощных конструкций.

2. Увеличение выходного конденсатора. Чтобы уменьшить пульсации до очень низких уровней, необходим очень большой конденсатор, который увеличивает стоимость и размер.

3. Увеличение динамического сопротивления светодиодной цепочки: выбор светодиодов с более высоким R DYNAMIC или работа светодиодов в нижней области кривой I / V. Можно также разместить резистор последовательно со светодиодной цепочкой, но это добавит дополнительные потери и снизит эффективность преобразователя.

4. Также возможно использовать линейный пост-регулятор для удаления пульсаций на выходе, тем самым сводя к минимуму пульсации тока светодиодов. Простое схемное решение показано на рисунке 15.

Рисунок 15. Схемы удаления пульсаций светодиодов с использованием NPN или PNP-транзисторов


Схема является самосмещающимся повторителем-эмиттером. Конфигурация Дарлингтона используется для поддержания относительно высокого импеданса базового резистора, поэтому для фильтрации пульсаций 100 Гц можно использовать небольшой конденсатор. Схема может быть размещена на V OUT с использованием NPN-транзисторов или на GND с использованием PNP-транзисторов.

Добавление этой цепи уменьшит пульсацию тока светодиода до очень низких значений, близких к 0%.Недостатком схемы удаления пульсаций тока светодиода является дополнительное рассеяние в Q2, которое снижает эффективность драйвера светодиода. Рассеяние в Q2 можно оценить по (V OUTPP /2 + 1,2 В) * I LED .

На рисунке 16 показана схема удаления светодиода, протестированная с помощью драйвера светодиода мощностью 10 Вт. Стабилитрон ZD2 добавлен для ускорения зарядки конденсатора фильтра во время запуска.

Рисунок 16. Схема удаления пульсации, примененная к конструкции 10 Вт

После реализации схемы удаления пульсации ток светодиода полностью ровный и не мерцает.Для светодиодного драйвера мощностью 10 Вт рассеивание в Q2 составляет около 0,63 Вт. КПД водителя падает с 89% до 84,5%. Из-за относительно высокого рассеивания решение для удаления пульсации подходит только для конструкций с более низкой мощностью.

Работа без мерцания в мощных светодиодных драйверах:

Для драйверов мощных светодиодов, которые требуют работы без мерцания, необходим двухступенчатый дизайн: это может быть изолированный обратный ход PFC с отдельной ступенью Buck на вторичной стороне или неизолированный PFC Boost + Buck, см. Примеры на рисунке 17.

Рисунок 17. Изолированная обратная связь PFC с CC Buck

неизолированный PFC Boost с высоковольтным CC Buck

7. Уменьшение мерцания света в линейных автономных драйверах светодиодов

В связи с наличием недорогих высоковольтных светодиодов линейные автономные драйверы светодиодов становятся все более популярными. В линейных драйверах светодиодов Richtek RT7321 и RT7322 для средних мощностей используются четыре высоковольтные светодиодные цепочки, которые динамически подключаются параллельно или последовательно, что увеличивает использование светодиодов в течение полного сетевого цикла.См. Рисунок 18.

Рисунок 18. Линейный светодиодный драйвер RT7321 (230 В) / RT7322 (110 В) с последовательным / параллельным переключением светодиодных цепочек

Поскольку схема не содержит никакого элемента буфера напряжения, очевидно, что ток светодиода не может быть непрерывным в течение полного цикла питания: при пересечении нуля синусоидальной волны ток светодиода будет падать до нуля в течение определенного времени. Это приведет к мерцанию, но изменение светоотдачи не является синусоидальным. Нормальное количественное определение% мерцания не очень подходит для этого типа драйвера светодиодов.Пример поможет прояснить это.

На рисунке 19 показана конструкция линейного светодиодного драйвера мощностью 7 Вт с использованием RT7321CCGSP и высоковольтных светодиодов Philips Lumiled.

Рисунок 19. RT7321CCGSP 7W дизайн

RT7321CGGSP выдает 20 мА в параллельном режиме и 40 мА в последовательном режиме. Каждая цепочка светодиодов использует три светодиода 24 В последовательно и две параллельные строки, чтобы соответствовать текущему уровню светодиодов. Каждая строка будет иметь прямое напряжение приблизительно 72 В, что является подходящим значением для применения RT7321 230 В.Схема нуждается в небольшом X-конденсаторе и последовательном резисторе для защиты от электромагнитных помех. Все компоненты могут быть установлены на плате светодиодов. Измерения на рисунке 20 показывают общий суммарный ток светодиода и световую мощность этой конструкции мощностью 7 Вт.

Рисунок 20. Комбинированный светодиодный ток и световая отдача модели RT7321 7 Вт

Видно, что эта конструкция создает большую пульсацию светодиодов, которая падает до нуля, когда выпрямленное входное напряжение падает ниже напряжения светодиодной цепочки. Расчет процента мерцания всегда приводит к 100% мерцанию.Но поскольку форма волны не синусоидальная, вместо нее можно использовать индекс мерцания.
Области выше и ниже среднего значения могут быть измерены. Было обнаружено, что индекс мерцания этого сигнала составляет около 0,28, что все еще является относительно большим значением.

Можно уменьшить мерцание этой конструкции, добавив небольшую буферную схему. Но поскольку этот линейный драйвер предназначен для обеспечения разумного коэффициента мощности, простое добавление большого входного конденсатора не является подходящим решением.Можно добавить схему заполнения долины, используя небольшие пленочные конденсаторы, что обеспечивает достаточную буферизацию для поддержания активности светодиодов LED1 и LED3 во время пересечения нуля синусоидальной волны и поддержания приемлемого значения коэффициента мощности. Рисунок 21 показывает схему решения.

Рисунок 21.

Поскольку буферные конденсаторы заполнения долины не видят полное выпрямленное линейное напряжение, можно использовать типы 250 В. Диоды и пленочные конденсаторы достаточно малы, чтобы поместиться на плате светодиодов.Коэффициент мощности по-прежнему приемлем на уровне 0,87.

Измеренный общий суммарный ток светодиода и светоотдача этого решения показаны на рисунке 22.

Рисунок 22. Комбинированный ток светодиода и светоотдача раствора со схемой заполнения долины

Теперь видно, что ток светодиода и световой выход остаются постоянными во время пересечения нуля синусоидальной волны. Индекс мерцания для формы волны светового выхода теперь составляет около 0,2. Конечно, он не так хорош, как активные решения с переключаемым режимом, но для многих приложений, которые требуют очень малого форм-фактора, он будет привлекательной альтернативой драйверам с переключаемым светодиодом.

В некоторых применениях со светодиодными лампами может возникнуть случайное мерцание. Это случайное мерцание проявляется как прерывистое изменение света с частотой, не обязательно связанной с частотой линии. Этот вид мерцания часто возникает, когда светодиодные лампы используются в сочетании с существующими периферийными устройствами освещения, такими как диммеры или электронные трансформаторы.
Большая часть существующего осветительного оборудования была разработана для традиционных ламп накаливания или галогенных ламп, которые ведут себя как резистивные нагрузки с относительно высоким энергопотреблением.Большинство светодиодных ламп не ведут себя как резистивная нагрузка, и из-за их более высокой эффективности они потребляют намного меньше энергии. Когда они подключены к оборудованию, цепи могут работать со сбоями или работать с перебоями. Это вызывает мерцание лампы. Чтобы найти решение для этого, необходимо понять основную функцию схемы периферийного оборудования, и необходимо сделать некоторые изменения в схеме светодиодной лампы, чтобы сделать ее пригодной для использования в сочетании с оборудованием.

В качестве примера рассматривается приложение MR-16.На рисунке 23 ниже показано типичное применение лампы MR-16 и ее электрический эквивалент.

Рисунок 23.

Электронная схема трансформатора представляет собой автоколебательный резонансный полумостовой преобразователь. Силовые транзисторы приводятся в действие небольшим трансформатором, который соединен последовательно с выходным трансформатором, чтобы получить пропорциональный нагрузке ток возбуждения базы. Эти схемы очень хорошо работают с резистивными нагрузками, которые обеспечивают стабильный определенный ток нагрузки. Из-за транзисторного привода, зависящего от нагрузки, для запуска цепи необходим минимальный ток нагрузки.Галогенные лампы мощностью от 20 до 60 Вт удовлетворяют этим условиям.

При подключении светодиодных ламп к электронным трансформаторам могут возникать всевозможные проблемы несовместимости:

1. Ступень выпрямителя со светодиодной лампой вообще не похожа на резистивную нагрузку; он ведет себя больше как конденсатор.

2. Низкое энергопотребление светодиодной лампы недостаточно для обеспечения стабильного запуска электронной цепи трансформатора.

3. Емкостная нагрузка может вызвать сильные пики тока, которые могут вызвать защиту электронного трансформатора от перегрузки по току и привести к повторным циклам выключения / повторного запуска.

На рисунке 24 ниже показана типичная недорогая светодиодная лампа MR-16, состоящая из ступени выпрямителя и драйвера Buck LED, подключенного к электронному трансформатору. График области справа показывает соответствующие формы волны.

Рисунок 24.

Теоретически, выходное напряжение 12 В переменного тока электронного трансформатора должно быть достаточным для зарядки V CAP до 16 ~ 17 В постоянного тока , а драйвер светодиода Buck должен иметь достаточное входное напряжение для обеспечения постоянного тока четыре светодиода.Но в действительности видно, что электронный трансформатор активен только в течение коротких периодов. Емкостная нагрузка светодиодной лампы не может обеспечить стабильную работу электронного трансформатора, а буферный конденсатор заряжается только сильными импульсами тока лишь изредка. Из-за этого прерывистого поведения входное напряжение преобразователя Бака иногда падает ниже прямого напряжения светодиодной цепочки, а ток светодиода показывает провал. Это приводит к случайному низкочастотному мерцанию, которое очень хорошо видно.Примечание. Некоторые электронные трансформаторы более чувствительны к емкостным нагрузкам, чем другие. Светодиодная лампа может работать лучше с простыми электронными трансформаторами без защитных функций. Но в целом, многие недорогие светодиодные лампы имеют проблемы с совместимостью при подключении к различным электронным трансформаторам.

Чтобы решить эту проблему несовместимости, необходимо изменить дизайн светодиодной лампы, чтобы она работала больше как галогенная лампа: входной ток должен быть стабильным и должен удовлетворять минимальному рабочему току электронного трансформатора.

Richtek разработал специальные светодиодные драйверы MR-16 для достижения оптимальной совместимости с электронными трансформаторами. Эти драйверы светодиодов используют двухэтапную топологию проектирования: см. Рисунок 25:

Рисунок 25. Двухступенчатая топология светодиодного драйвера MR-16

Первая ступень - это повышающий преобразователь с управлением входным током и выходным напряжением. Вторая ступень - это постоянный ток преобразователя Бака. Ступень Boost контролирует уровень входного тока, чтобы удовлетворить минимальную нагрузку электронного трансформатора, и обеспечивает функцию PFC, поддерживая электронный трансформатор активным в течение полного сетевого цикла.Входное сопротивление будет напоминать резистивную нагрузку. Ступень Buck питается от выходного напряжения Boost, где C1 - буферный элемент. Это повышающее напряжение стабильно и достаточно высоко для последовательного подключения до 5 светодиодов высокой яркости.


На рисунке 26 показано типичное приложение MR-16 мощностью 5 Вт с использованием RT8479C, которое представляет собой полностью интегрированный двухступенчатый светодиодный драйвер MR-16. В этом дизайне используются четыре светодиода Philips Lumiled Luxeon Rebel, соединенные последовательно.

Рисунок 26.

RT8479C содержит два встроенных мощных полевых МОП-транзистора: один для повышения (LX1) и один для Buck (LX2). Усиление работает как управление пиковым током с фиксированным временем выключения, которое обеспечивает определенный минимальный входной пиковый ток и естественную модуляцию тока PFC. Напряжение на шине регулируется усилителем и включает защиту от перенапряжения. Buck - это топология с быстрым гистерезисным постоянным пульсирующим током, которая регулирует ток светодиода до стабильного уровня без мерцания через чувствительный резистор высокой стороны. ACTL может использоваться для управления током светодиода с помощью внешнего диммирующего сигнала или позволяет регулировать ток с понижением тока через резистор NTC.

Рисунок 27. RT8479 Двухступенчатые входные и выходные сигналы MR-16

На рисунке 27 показаны формы входных и выходных сигналов драйвера светодиода RT8479 при подключении к электронному трансформатору. Электронный трансформатор активен в течение большей части периода сетевого напряжения. (Только во время пересечения нуля синусоидальной волны цепь имеет небольшое неактивное время из-за запуска, инициируемого DIAC). Увеличенные формы сигналов справа показывают объединенный цикл переключения трансформатора и наложенное переключение ступени повышения: усиление контроля входного тока поддерживает пиковый ток на входе на определенном уровне, который достаточен для поддержания активной цепи трансформатора.Усилитель также регулирует напряжение шины V CAP до уровня 25 В, что обеспечивает достаточный запас для каскада Бака для управления четырьмя светодиодами со стабильным током без пульсаций. Другое преимущество этого режима работы заключается в том, что коэффициент мощности на входе довольно высок, около 0,97, а отсутствие сильных пиков тока повышает надежность всего приложения.

Несмотря на то, что измерение изменения тока светодиода обеспечит некоторую индикацию мерцания светодиода, лучше измерить фактическое изменение света строки светодиода.Поскольку для расчета процента мерцания необходимо измерять только относительное изменение света , то есть , можно использовать простой фотодатчик со встроенным усилителем. Форма выходного сигнала может быть показана на осциллографе.

Схема на рисунке 28 показывает простой преобразователь света в напряжение с использованием микросхемы TSL257.

Рисунок 28. Измеритель светового мерцания

TSL257 - это простая ИС преобразователя света в напряжение с хорошей линейностью. Он может питаться от одного литий-ионного аккумулятора, что делает его портативным измерительным прибором.Выходное напряжение прямо пропорционально интенсивности света (облучение) и может быть подключено к осциллографу, тем самым показывая флуктуацию света в виде формы волны на экране прицела. Ширина полосы 2 кГц достаточна для измерений мерцания света. TSL257 не дорогой, и его можно купить в Farnell или Digikey.

На следующих рисунках показано, как создать такой инструмент.

Необходимые компоненты: коаксиальный провод, литий-ионный аккумулятор, микросхема TSL257, переключатель, электролитический конденсатор 22 мкФ / 25 В и черная пластиковая коробка с отверстием 3 мм, просверленным в верхней части.TSL257 размещается с датчиком по направлению к отверстию.

Затем датчик фиксируется непрозрачным эпоксидным клеем. Наконец, другие компоненты связаны.

Из-за высокой светочувствительности TSL257 входящий свет на датчик должен быть значительно ослаблен, чтобы его можно было использовать для измерения прямого света от светодиодных цепочек.Несколько слоев бумаги формата А4 могут быть размещены над отверстием для достижения достаточного ослабления света. Для тестового инструмента было использовано 8 слоев бумаги.

Рисунок 29. Практическое измерение мерцания света

Во избежание влияния окружающего освещения комнатное освещение должно быть выключено. Инструмент должен быть расположен над светодиодной подсветкой, чтобы получить показание светоотдачи с максимальным уровнем около 3 В. Когда происходит ограничение формы сигнала, расстояние до источника света должно быть увеличено, или необходимо добавить больше слоев бумаги для большего ослабления света.Измерьте пиковое и среднее значение выходного сигнала датчика. Применить усреднение для снижения шума. Для синусоидальных сигналов% мерцания можно рассчитать из:

Минимизация мерцания света в светодиодных лампах начинается с хорошего понимания топологии драйвера и характеристик светодиодов. Для одноступенчатых светодиодных драйверов с высокой PF, мерцание света можно количественно оценить, измерить и уменьшить путем выбора подходящего компонента или добавления схем уменьшения пульсаций светодиодов. Большинство случайных мерцаний вызвано проблемами совместимости между светодиодной лампой и периферийным осветительным оборудованием.Тщательный анализ этих систем необходим для решения этих проблем мерцания. Richtek предлагает несколько мощных решений для автономных светодиодных драйверов, которые демонстрируют хорошую совместимость с системой и соответствуют требованиям мерцания света, предъявляемым к сегодняшнему рынку светодиодных драйверов.

,

Ripple Voltage в инструментах выпрямителей

Ripple Voltage Как вы видели, конденсатор быстро заряжается в начале цикла и медленно разряжается через RL после положительного пика входного напряжения (когда диод смещен в обратном направлении). Изменение напряжения на конденсаторе из-за зарядки и разрядки называется пульсирующим напряжением. Как правило, пульсация нежелательна; таким образом, чем меньше пульсация, тем лучше фильтрующее действие, как показано на рисунке ниже.

rectifier-ripple-voltage rectifier-ripple-voltage

half-wave-rectifier-ripple-voltage half-wave-rectifier-ripple-voltage

Рис: Напряжение пульсаций полуволны (синяя линия).

Для данной входной частоты выходная частота двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя, как показано на рисунке 1. Это упрощает фильтрацию двухполупериодного выпрямителя из-за более короткого времени между пиками , После фильтрации двухполупериодное выпрямленное напряжение имеет меньшую пульсацию, чем полуволновое напряжение при тех же значениях сопротивления нагрузки и конденсатора.Конденсатор разряжается меньше в течение более короткого интервала между двухполупериодными импульсами, как показано на рисунке 2.

full-wave-rectifier-ripple-voltage full-wave-rectifier-ripple-voltage

Рис. 1: Период двухполупериодного выпрямленного напряжения в два раза меньше периода полуволнового выпрямленного напряжения , Выходная частота двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя.

capacitor-filter-ripples capacitor-filter-ripples

Рис. 2: Сравнение пульсаций напряжений для полуволновых и двухполупериодных выпрямленных напряжений с одним и тем же фильтрующим конденсатором и нагрузкой, которые получены от одного и того же синусоидального входного напряжения.

Коэффициент пульсации

Коэффициент пульсации (r) является показателем эффективности фильтра и определяется как

ripple-factor ripple-factor

, где Vr (pp) - пиковое пульсационное напряжение, а VDC - постоянное (среднее) значение выходного напряжения фильтра, как показано на рисунке ниже. Чем ниже коэффициент пульсации, тем лучше фильтр. Коэффициент пульсации может быть снижен путем увеличения значения конденсатора фильтра или увеличения сопротивления нагрузки.

ripple-factor-graph ripple-factor-graph

Для двухполупериодного выпрямителя с конденсаторным входным фильтром аппроксимации для пикового импульсного напряжения Vr (pp) и значения постоянного тока выходного напряжения фильтра, VDC, приведены в следующие уравнения. Переменная Vp (прямоугольная) представляет собой нефильтрованное пиковое выпрямленное напряжение. Обратите внимание, что если RL или C увеличивается, пульсирующее напряжение уменьшается, а напряжение постоянного тока увеличивается.

ripple-factors-equation ripple-factors-equation

.Пульсационный ток
и его влияние на производительность конденсаторов - Пассивные компоненты Блог

источник: Блог конденсаторов Faks

Конденсаторы являются критическими элементами в большинстве аналоговых и цифровых электронных схем. Они используются для широкого спектра приложений, включая развязку, фильтрацию, обход, соединение и так далее. Различные приложения имеют разные требования к производительности и требуют конденсаторы с определенными характеристиками. Мощность, рассеиваемая конденсатором, является функцией тока пульсации и эквивалентного последовательного сопротивления.Таким образом, возможность пульсации тока является одним из ключевых параметров, которые следует учитывать при выборе конденсатора для конкретного применения. Другие критические параметры включают емкость, номинальное напряжение, эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентную последовательную индуктивность.

В большинстве электронных устройств сигнал постоянного тока, подаваемый на схему, имеет часть переменного тока. Эта часть переменного тока называется пульсацией тока. Некоторые конденсаторы имеют высокий номинальный ток пульсации, в то время как другие имеют низкий номинальный ток пульсации.Хотя существуют стандарты для расчета этих рейтингов, некоторые производители используют свои собственные методы. В конденсаторах потери мощности и внутренний нагрев зависят от пульсаций тока.

Повышение температуры зависит от пульсаций тока, термического сопротивления и эквивалентного последовательного сопротивления. Общее тепловое сопротивление зависит от теплового сопротивления между компонентом и окружающей средой и внутреннего теплового сопротивления. Тепловое сопротивление варьируется от одного конденсатора к другому в зависимости от площади внешней поверхности и внутренней конструкции.В большинстве конденсаторов эквивалентное последовательное сопротивление зависит от рабочей температуры и частоты.

Пульсирующий ток ухудшает конденсатор, повышая его внутреннюю температуру. Частота отказов конденсаторов напрямую связана с температурой работы, а рабочие конденсаторы при высоких температурах сокращают срок их службы. Как таковой, пульсация тока снижает надежность конденсаторов, тем самым ограничивая общую надежность электронных устройств. Для некоторых конденсаторов производители рекомендуют снижение напряжения, когда они работают при температуре выше 85C.Поскольку пульсирующий ток увеличивает температуру сердечника конденсатора, это является интересным параметром при рассмотрении требований к снижению напряжения для данного конденсатора.

Ток пульсации для керамических конденсаторов
Внутренний нагрев в керамических конденсаторах - это проблема, которая влияет на производительность многих электронных схем. В этих конденсаторах максимальный ток пульсации определяется температурными характеристиками компонента. Пульсирующий ток керамического конденсатора варьируется в зависимости от температуры эксплуатации.Керамические конденсаторы, работающие при более высоких температурах, обладают меньшей способностью пульсации тока по сравнению с конденсаторами, работающими при более низких температурах. По этой причине этот параметр обычно измеряется при комнатной температуре. Метод измерения пульсаций тока этих компонентов варьируется от одного производителя к другому. Поэтому важно понимать метод, используемый поставщиком при анализе данных пульсаций тока для разных конденсаторов.

Превышение номинального тока пульсации керамического конденсатора может существенно повлиять на его характеристики.Хотя нагрев конденсатора выше температуры, указанной производителем, может не вызвать немедленного отказа, перегрев керамических конденсаторов ускоряет их отказ. По сравнению с небольшими компонентами, физически большие керамические конденсаторы имеют более высокие допуски по току пульсации. Большая тепловая масса и объем более крупных конденсаторов позволяют им поглощать больше энергии, и требуется больше времени для достижения их максимальной номинальной температуры.

Коэффициенты теплового сопротивления для керамических конденсаторов с заданным размером микросхемы могут быть различными.Это связано с изменением количества электродных пластин. Компоненты с высокой емкостью имеют больше электродных пластин по сравнению с компонентами с низкой емкостью того же размера. Пластины электродов действуют как теплоотводы, и конденсаторы с большим числом этих пластин легче отдают тепло от своих керамических блоков по сравнению с компонентами того же размера, но с меньшим количеством пластин.

Нагрев в керамических конденсаторах может вызвать температурные градиенты. Эти температурные градиенты могут вызвать растрескивание. Чтобы предотвратить растрескивание, максимальное повышение температуры в керамических конденсаторах обычно ограничено до 50 ° C.В отличие от алюминиевых и танталовых конденсаторов, керамические конденсаторы не подвержены отрицательным пульсациям напряжения. Это потому, что керамические конденсаторы являются неполярными компонентами.

Ток пульсации для танталовых конденсаторов
Внутри чип-танталового конденсатора тепло генерируется током утечки постоянного тока и сигналом переменного тока. Это тепло теряется в окружающей среде посредством сочетания следующих методов теплопередачи: проводимости, конвекции и излучения. Скорость, с которой тепло теряется в окружающей среде, зависит главным образом от градиента температуры между компонентом и температурой окружающей среды.На указанной частоте тепло, генерируемое пульсирующим током, равно произведению квадрата среднеквадратичного значения тока и ESR конденсатора I2R. С другой стороны, ток утечки генерирует тепло, равное произведению тока и приложенного напряжения.

Большинство современных высокопроизводительных цепей работают на высоких скоростях переключения, высоких токах и низких напряжениях, которые требуют очень низких ESR-конденсаторов. Производители конденсаторов снижают эквивалентное последовательное сопротивление танталовых конденсаторов для удовлетворения растущих требований к электронным схемам.Для низковольтных цепей, работающих на большие токи, таких как некоторые современные процессоры, потребность в очень низких ESR еще выше. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление позволяет конденсаторам выдерживать высокие пульсационные токи. Для сравнения, конденсаторы с высокими значениями ESR рассеивают больше тепла и не подходят для сред с высоким пульсирующим током. Поскольку повышение температуры в танталовых конденсаторах является функцией ESR, пульсирующего тока, протекающего через конденсатор, и теплового сопротивления, снижение ESR помогает улучшить способность пульсирующего тока этих компонентов.

Электронные схемы, работающие на очень высоких тактовых частотах, предъявляют более высокие требования к току по сравнению с теми, которые работают на более низких скоростях. Схемы, работающие на таких высоких скоростях, подвергают конденсаторы воздействию больших пульсирующих токов, и для минимизации рассеивания мощности требуются компоненты с очень низким ESR. Избыточное рассеивание мощности может привести к повышению внутренней температуры танталовых конденсаторов до недопустимых пределов. Воздействие танталовых конденсаторов на высокие температуры снижает их надежность и увеличивает их подверженность отказу.

Ток пульсации для алюминиевых электролитических конденсаторов
Алюминиевые электролитические конденсаторы используются для широкого спектра применений, включая накопление энергии, сглаживание и фильтрацию. Некоторые приложения, такие как сглаживание и фильтрация нагрузки электролитических конденсаторов с переменным током пульсации. Этот пульсирующий ток вызывает рассеивание мощности и нагрев, а воздействие высоких температур на электролитические конденсаторы сокращает их срок службы. Кроме того, высокие температуры влияют на емкость, удельное сопротивление алюминия, проводимость электролита и ток утечки этих электролитических конденсаторов.

Во многих электронных схемах конденсатор является компонентом, который ограничивает срок службы системы. Поэтому важно учитывать все факторы, которые могут ускорить частоту отказов этих компонентов, при анализе общей надежности системы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов факторы, которые могут ускорить отказ, включают экстремальные температуры, обратное смещение, экстремальные частоты, переходные процессы и высокие напряжения.

Повышение температуры в алюминиевых электролитических конденсаторах является функцией эквивалентного последовательного сопротивления, среднеквадратичного значения тока, протекающего через конденсатор, и тепловых характеристик компонента.Температура горячей точки, температура в данной точке внутри конденсатора, является ключевым фактором, который определяет срок службы алюминиевого электролитического конденсатора. Температура горячей точки является функцией температуры окружающей среды, теплового сопротивления и потери мощности из-за переменного тока. Внутри алюминиевого электролитического конденсатора повышение температуры и потеря мощности имеют линейную зависимость. Потеря мощности в электролитических конденсаторах происходит главным образом из-за изменений напряжения на диэлектрике, потерь тока утечки и потерь омического сопротивления.

При выборе электролитического конденсатора для применения в силовой электронике важно выбрать компоненты, которые оптимизированы для работы с высокими токами пульсации. Такие конденсаторы специально предназначены для работы в тяжелых условиях. Наиболее распространенным способом повышения способности пульсирующих конденсаторов к току пульсации является минимизация эквивалентного последовательного сопротивления.

Эквивалентное последовательное сопротивление электролитических конденсаторов уменьшается с увеличением количества электродов.Увеличение лазерных сварных вкладок увеличивает способность пульсации тока, тем самым уменьшая внутренний нагрев и продлевая срок службы конденсатора. Кроме того, использование нескольких лазерных сварных вкладок помогает улучшить вибрационную и ударопрочность алюминиевых электролитических конденсаторов.

Ток пульсации для пленочных конденсаторов
В силовых электронных цепях пленочные конденсаторы используются для широкого спектра применений, включая применения для фильтрации на выходе постоянного тока и на выходе постоянного тока. Полипропилен широко используется в конструкции пленочных конденсаторов.Этот диэлектрический материал обладает низким коэффициентом рассеяния и обладает хорошими характеристиками в широком диапазоне температур и частот. По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами пленочные конденсаторы имеют более высокую пульсационную емкость и потенциал напряжения. Емкость пульсирующего тока этих конденсаторов примерно в три раза выше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, пленочные конденсаторы обладают высокой устойчивостью к ударам и вибрациям.

Пленочные конденсаторы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами имеют меньшее эквивалентное последовательное сопротивление.Эта характеристика позволяет этим конденсаторам выдерживать более высокие пульсационные токи. Кроме того, ESR полимерных пленочных конденсаторов относительно постоянен в широком диапазоне температур. Как и в других конденсаторах, пульсация тока вызывает рассеивание мощности в пленочных конденсаторах. Такое рассеивание мощности повышает внутреннюю температуру пленочных конденсаторов, тем самым сокращая их срок службы. Срок службы металлизированных полимерных пленочных конденсаторов в значительной степени определяется температурой сердечника.

Заключение
Возможность пульсации тока конденсатора является одним из ключевых параметров, который следует учитывать при выборе конденсатора для данного применения.Пульсирующий переменный ток вызывает рассеивание мощности и нагрев в конденсаторах. В большинстве конденсаторов повышение температуры является функцией тока пульсации и эквивалентного последовательного сопротивления. Использование конденсаторов с очень низкими значениями ESR помогает минимизировать рассеяние мощности и повысить способность цепи выдерживать высокие пульсационные токи. Срок службы большинства типов конденсаторов в значительной степени определяется внутренней температурой, поэтому необходимо минимизировать тепло, генерируемое пульсирующим током.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *