Изучаем вопрос пульсаций источников света

Одним из ключевых критериев качества освещения является пульсация источника, представляющая собой периодическое снижение и повышение его светового потока, как правило с частотой, кратной частоте питающей сети (50 Гц). Как известно, пульсирующие источники крайне негативно влияют на зрительные функции человека и вызывают повышенную утомляемость, а также побочные явления типа головной боли, жжения в глазах и т.п. Для численной оценки этого важного параметра используется понятие коэффициента пульсации, которое может быть примененот как к световому потоку источника (в этом случае это будет коэффициент пульсации источника), так и к общей освещённости, создаваемой в помещении (в этом случае это будет коэффициент пульсации освещения). В общем случае эти два параметра не равны, особенно тогда, когда освещение создаётся несколькими источниками, имеющими разные характеристики по пульсации.

Коэффициент пульсации источника рассчитывается по следующей формуле:

К_П = [(Ф_макс – Ф_мин) / 2Ф_ср] × 100% (1)

где Ф_макс, Ф_мин, Ф_ср – соответственно максимальный, минимальный и средний световой поток источника за один период питающего напряжения. По сути К_П представляет собой отношение размаха пульсаций к среднему световому потоку, выраженную в процентах. Чем меньше этот размах, тем ниже К_П, вплоть до нулевого значения. Напротив, чем меньше среднее значение светового потока (а при высокой скважности пульсаций оно может стремиться и к нулю), тем выше значение К_П. Фактически, с верхней стороны оно ничем не ограничено и может достигать многих десятков, сотен и даже тысяч(!) процентов .

Для реализации правильного расчёта по формуле (1) недостаточно знать только Ф_макс и Ф_мин за период (эти данные можно посмотреть, например, на осциллограмме), необходимо также корректно рассчитать значение Ф_ср, что можно сделать только интегрированием конкретной кривой изменения светового потока. Например, опустив математические подробности, скажем, что для чисто синусоидальной формы кривой среднее значение равно 0,64 максимального:

следовательно коэффициент пульсации в этом случае получится равным

К_П = [(Ф_макс – 0) / (2 · 0,64Ф_макс)] × 100% = 78%

Однако на практике интегрирование иногда оказывается делом слишком хлопотным, особенно когда его нужно реализовать в рамках простого, компактного, а главное недорогого устройства. Именно поэтому многие измерители пульсаций считают К_П по формуле

К'_П = [(Ф_макс – Ф_мин) / (Ф_макс + Ф_мин)] × 100% (2)

то есть с принятым допущением о том, что Ф_ср = (Ф_макс + Ф_мин)/2. К чему это приводит – догадаться нетрудно, вернёмся к нашему примеру с синусом:

К'_П = [(Ф_макс – 0) / (Ф_макс + 0)] × 100% = 100%,

то есть для ламп с К_П<100% этот коэффициент завышается. В то же время, по формуле (2) К_П никогда не может быть выше 100%, следовательно для ламп с К_П>100% этот показатель занижается, притом местами весьма сурово. Вывод: «приборы», считающие по упрощённой формуле, по факту являются всего лишь «показометрами», и получаемые на них цифры далеки от реальности. С тем же успехом можно оценивать степень пульсации просто по картинке с камеры телефона:

Короче говоря, изначально хотелось подойти к данному вопросу по серьёзному и не попасть впросак. Поэтому в качестве измерительного прибора, после предварительного тестирования, был выбран вот такой замечательный аппаратик:

Это люксметр-яркомер-пульсметр Radex Lupin, в котором измерение пульсаций реализовано полностью корректно. Более того, у него даже есть дополнительный режим просмотра осциллограмм светового потока (при подключении к ПК), правда до него пока у нас руки не дошли. При помощи этого замечательного прибора мы провели ряд измерений, которыми и хотим поделиться в этой статье.

Таблица 1. Результаты измерения коэффициента пульсациии для некоторых видов источников света и схем их включения

Несколько комментариев к результатам. Порог чувствительности прибора оказался не нулевой, например для лампы накаливания, запитанной от блока питания или светодиодов батарейного фонаря он показывает значение К_П в пределах 0,6-1,2%. Из этого мы делаем вывод, что подобный уровень означает превосходный результат. Отрадно, что целый ряд обмеренных ламп показали именно такие значения.

Чемпионом по пульсациям оказалась безымянная филаментная светодиодная лампочка, купленная у китайцев:

Пульсирует она действительно просто дико, это хорошо заметно невооружённым глазом. Похоже, что в её схеме применено однополупериодное выпрямление, этим же объясняется чрезмерно низкая мощность (около 3Вт при заявленных 6). Превзойти её смог разве что экран ЭЛТ телевизора, причём по мере поднесения прибора ближе к экрану значения вообще начинали зашкаливать:

Не исключено, что прибор ловил какие-то электромагнитные наводки от отклоняющей системы трубки. Значение в таблице приведено для расположения прибора на расстоянии в пару сантиметров от экрана.

Что касается ламп накаливания, весьма удивили результаты для обычных ЛОН на напряжение 230В, которые оказались в районе 20%. Это довольно много, более того – в литературе часто приводится значение порядка 5-10%, а по нормам освещения целый ряд помещений требует К_П<10%, но получается, что даже лампы накаливания туда не подойдут. Совсем другое дело – галогенные лампы низкого напряжения, их результат даже при питании от обычных электромагнитных трансформаторов гарантированно не превышает 10%, причём по мере роста мощности ламп дополнительно снижается. Пожалуй, эти лампы – настоящий лидер в области «здорового освещения» как по спектральным характеристикам, так и по пульсациям.

Среди люминесцентных ламп наилучшим образом себя показали ЛБ (значения в диапазоне 16-22%). Трёхполосные лампы (8хх) по этому показателю примерно вдвое хуже(!), а лампа ЛДЦ и вовсе показала настоящий антирекорд на уровне 67%. При измерении пульсаций ЛЛ важно размещать датчик в середине лампы и производить её предварительный прогрев, иначе измеренные значения довольно существенно повышаются. Лампы с качественными ЭПРА практически не пульсируют (К_П<2%), а с простыми ЭПРА от КЛЛ пульсируют умеренно (К_П<10%, что всё ещё вдвое лучше, чем у ламп накаливания). Сами КЛЛ пока не обмерялись по той причине, что их не оказалось в нашем распоряжении – в дальнейшем этот пробел предполагается исправить, хотя примерные результаты понятны уже сейчас).

В заключение, наверно, не лишне будет сравнить полученные результаты с литературными данными [1]. Как ни странно, официальной информации по пульсациям ламп накаливания найти не удалось

Таблица 2. Сравнение результатов измерения со справочными данными, рекомендованными для проектирования освещения

Любопытно, что полученные данные во многом расходятся с опубликованными в литературе. Например, для ламп ЛБ К_П заявлен на уровне 25%, а для ЛДЦ – 40%, в действительности для первых он оказался ниже, а для вторых – существенно выше. То же самое касается ламп накаливания и ДРЛ (10 и 65%), в то время как в действительности у ЛН обнаружилась пульсация на уровне ламп ЛБ с ЭмПРА, а у ДРЛ измеренный К_П оказался даже выше, чем у ДНаТ.

Такая вот у нас вышла импровизированная измерительная сессия. Надеемся, что вам пригодятся полученные результаты!

^{[1] Кнорринг Г.М., Фадин И.М., Сидоров В.Н. Справочная книга для проектирования электрического освещения. СПб.: Энергия, 1992
[2] Справочная книга по светотехнике. М.: Знак, 2006
[3] Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М-Л.: Энергия, 1966}