Пульсации. Влияние RGB контроллеров на зрительную систему

Продукция неизвестных китайских производителей часто подкупает своей дешевизной. Электронные торговые площадки, такие как Ebay и Aliexpress, завалены товаром с очень привлекательной ценой. Часто случается так, что купленный товар лишь формально отвечает заявленным параметрам. Это относится и к светодиодной продукции.

Идею написания этой статьи «подкинули» два светодиодных RGB контроллера светодиодных лент, которые повсеместно продаются в электронных магазинах Китая. Один из них не имеющий своего названия, но прекрасно ищущийся по ключевым словам 24Key Mini IR Remote Controller. Второй, впрочем, тоже не имеющий своего названия, RGBW контроллер с радиоволновым пультом управления с сенсорными кнопками (2.4G Touch RF Dimmer Remote Controller). Использование его в качестве управления светодиодными лентами для освещения помещения потерпели фиаско по причине жуткого мерцания лент. Причина — низкая частота ШИМ, которая делает пульсации ленты заметными периферийным зрением.

И так обо всём поподробней — для начала объясним, что такое регулирование с помощью ШИМ и почему данный метод широко применится в освещении, а также чем он может быть вреден.

Регулировка яркости светодиодов с помощью ШИМ

Начнём с того, что есть два метода регулирования интенсивности свечения светодиодов: аналоговый метод и широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Исходя из названия, первый способ регулирования заключается в том, что регулируя подводимое к светодиоду напряжение, меняем его интенсивность свечения. Хотя этот метод с виду прост, он обладает недостатками. Во-первых, яркость светодиода, из-за очень сильной зависимости тока от подведённого напряжения, регулируется в очень узком диапазоне напряжений. При небольшом, казалось бы, повышении напряжения ток увеличивается значительно и запросто может превысить максимально допустимые значения. В результате чего перегрев светодиода и преждевременный выход его из строя. Конечно, правильней было бы следить за значением проходящего тока, получая, таким образом, обратную связь. Так, по сути, мы получаем метод управления с помощью постоянного тока. Т.е. ограничиваем проходящий через светодиод ток на определённом значении с помощью напряжения. И все-таки и этот метод управления имеет свои недостатки. Это, прежде всего, зависимость температуры свечения от проходящего тока. Так, например, при номинальном токе 350 мА температура свечения будет равна 5500К, а при уменьшенном до 100 мА – 5800К. Получается, что светодиодная лента не только будет слабее светить, но и поменяет оттенок свечения. К прочим недостаткам можно отнести сложность регулирования в областях малой интенсивности свечения.

Выйти из данной ситуации позволяет ШИМ регулирование. Как оно работает? Вкратце — интенсивность свечения регулируется путём изменения соотношения включенного и выключённого состояния ленты. Т.е., например, при частоте ШИМ 1000 Гц длина периода 1 мс. И, желая включить светодиодную ленту, скажем на 10% яркости, она в течение одного периода включается на 0,1 мс, а остальные 0,9 мс выключена. Глаз человека довольно таки инертен и не замечает быстрые включения и выключения света. Таким образом, создаётся иллюзия уменьшения интенсивности света.

Заметим, что светодиод в этом случае светит либо на максимуме возможностей, либо полностью выключен. Т.е. во включённом состоянии на него подаётся такое напряжение, чтобы проходящий через него ток соответствовал наиболее оптимальному с точки зрения эффективности светоизлучения значению. Чуть меньше – светодиод работает не на пике возможностей, чуть больше и весь «лишний» ток пойдёт в нагрев. Имея в виду, что ток в большой степени зависит от подводимого напряжения, точно выставить необходимой напряжение непросто. Поэтому в светодиодных лампах применяется ШИМ регулирование с обратной связью по току (точнее применяются электронные преобразователи, регулирование которых основано на этом принципе).

Но для управления светодиодными лентами точного регулирования напряжения не требуются. Роль примитивных регуляторов тока выполняют стоящие в ленте резисторы. С точки зрения схемотехники и имея в виду возможности современных микроконтроллерных систем, этот метод регулирования светодиодной лентой наиболее простой.

Влияние пульсаций ШИМ на глаза

Практически все диммеры и RGB контроллеры управляют интенсивностью света по этому методу. Подвох заключается в том, что подобные частые включения и выключения, или другими словами пульсации, оказывают негативное влияние на здоровье человека, а именно на органы зрения и центральную нервную систему. Мерцающий свет перегружает зрительную и нервную систему человека. Типичный результат воздействия пульсирующего светового потока — повышенная утомляемость, сухость и боль в глазах, головные боли, раздражительность. При длительном воздействии пульсации света могут приводить к хроническим заболеваниям.

Система нормативных документов в строительстве СНиП 23-05-95 чётко описывает нормы предельно допустимой пульсации света излучаемого искусственным источником света. Строго говоря, в рабочих и жилых помещениях уровень пульсаций не должен превышать 20%. И это в полной мере относится к регуляторам светодиодных лент, ведь в некоторые моменты уровень яркости равен нулю и из этого следует, что процент пульсации при ШИМ регулировании равен 100%!

Но не забываем, что глаз человека довольно таки инертно реагирует на изменение интенсивности света. Согласно различным исследованиям, в независимости от процента пульсации, при частоте более 1250 Гц (читай и частоте ШИМ), пульсации не оказывают никакого влияния здоровье, они не наблюдаются ни периферийным зрением, ни напрямую. Т.е. частота ШИМ светодиодных диммеров, при ста-процентной пульсации не должна быть меньше 1 кГц.

Имея в виду возможности современных микроконтроллерных систем, этот метод регулирования светодиодной лентой наиболее простой.

Кстати на эту тему написал неплохую статью для журнала «Современная электроника» (2013, №4) Илья Ошурков. В ней приводится множество ссылок на различные научные труды, и вкратце описываются результаты этих работ. Так вот в этой статье указывается цифра невосприимчивости пульсаций света частотой более 300 Гц. Эту цифру часто можно встретить на различных интернет-ресурсах посвященных освещению.

Даже если считать эту цифру нижней границей, то описанные ранее регуляторы на дотягивают и до неё.

Измерения показали, что частота ШИМ для первого контроллера составляет всего 156 Гц, а для второго и вовсе 130 Гц! Использовать его для освещения ни в жилых, ни в рабочих помещениях недопустимо.

Конечно, назначение маленького RGB контроллера далеко не в том чтобы регулировать общее освещение комнаты, а лишь управлять акцентной подсветкой. Но второй, имеющий канал для белой светодиодной ленты наверно мог сгодиться и для большего. На деле 130 Гц ШИМ производит раздражающий мерцающий свет, не только утомляющий глаза, но создающий стробоскопический эффект.

Справедливости ради, стоит отметить, что при включенном максимальном уровне света пульсации исчезают, и контроллер вполне мог бы сгодиться для работы в режиме «вкл-выкл».

Возникает закономерный вопрос: а почему бы производителям не сделать частоту ШИМ, скажем 1000 Гц? Ведь практический любой современный микроконтроллер в своём составе имеет аппаратный ШИМ модуль и частоту модулирования сделать равной 1000 Гц пустяковое дело. Возможно дело в том, что в угоду низкой себестоимости используются устаревшие дешёвые микроконтроллеры без аппаратного ШИМ модуля, где регуляция интенсивности свечения реализована на программном уровне. А учитывая небольшую тактовую частоту микроконтроллера, сделать высокочастотный ШИМ с большим количеством уровней яркости не представляется возможным. Другим объяснением могло бы стать использование дешёвых полевых транзисторов в конструкции, которые, имея очень высокую ёмкость канала, просто бы сильно грелись при более высоких частотах ШИМ.

С другой стороны, бесконечно увеличивать частоту ШИМ невозможно из-за того что она может превратиться в мощный источник радиопомех.

К сожалению, продавцы редко указывают частоту ШИМ (PWM – Pulse Width Modulation) характеристиках. Но удалось выяснить, что частота ШИМ контроллера модельного ряда LED REMOTE RF MINI продающегося под брендом LTECH равна 500 Гц, что гораздо лучше описанных здесь контроллеров.