Regulacje zawarte w nowym rozporządzeniu Komisji UE 2019/2020 (ekoprojekt) zaczną obowiązywać jeszcze przed końcem 2021 roku. W ramach tej dyrektywy uległy zmianie wymagania dotyczące sprzętu elektrotechnicznego, w tym źródeł światła zawierających diody świecące (LED).
Według nowych przepisów, każde urządzenie wykorzystujące diody LED do ogólnych celów oświetleniowych jest źródłem światła, które będzie podlegało nowym regulacjom. Oprócz zmian w zakresie klas efektywności energetycznej wprowadzone zostały zupełnie nowe minimalne wymogi dotyczące parametrów funkcjonalnych w zakresie migotania światła i tzw. efektu stroboskopowego. Zarówno producenci, jak i wprowadzający na rynek mają obowiązek spełnienia minimalnych wymagań i oznakowania produktów zgodnie z nowymi przepisami.
Nowe wymagania, stary problem
Jak wiadomo, LED-y to źródła półprzewodnikowe, które natychmiast reagują na zmienne parametry zasilania. W konwencjonalnych źródłach inercja cieplna znacząco spowalniała zmiany poziomu strumienia świetlnego przy zmiennych warunkach zasilania, dlatego zmiany te nie były tak widoczne. W przypadku LED-ów powrócił stary problem tętnienia i migotania, który już dawno nie był zauważalny w układach oświetleniowych wykorzystujących elektroniczne zasilacze. Dzisiaj, dobierając odpowiedni zasilacz lub projektując nowy układ sterowania do LED, należy wziąć pod uwagę nie tylko kwestie elektryczne, efektywności energetycznej, ale również parametry optyczne zgodne z rozporządzeniem Komisji Europejskiej. Klasa zastosowanego zasilacza będzie miała bezpośredni wpływ na parametry świetlne.
Migotanie i efekt stroboskopowy
Migotanie to okresowa i szybka zmiana wielkości fotometrycznych (strumienia świetlnego) źródła światła lub lampy wynikająca z zakłóceń i charakteryzujących się niejednorodnym (aperiodycznym) przebiegiem. Migotanie światła może być przyczyną dyskomfortu wzrokowego w pracy. Może również powodować migreny, a nawet napady padaczkowe.
Efekt stroboskopowy oznacza zmianę w postrzeganiu ruchu przez statycznego obserwatora w niestatycznym środowisku, wywołaną przez bodziec świetlny, którego luminancja lub rozkład widmowy zmieniają się w czasie.
Zmiany te mogą być okresowe i nieokresowe oraz może je wywoływać samo źródło światła, źródło zasilania lub inne współczynniki wpływu. W środowisku przemysłowym efekt stroboskopowy spowodowany tętnieniem światła może być przyczyną wypadków z udziałem ludzi, ponieważ prowadzi on do zaburzenia percepcji prędkości obracających się obiektów, np. części maszyn. Obserwując szybko poruszające się elementy w zmiennych warunkach oświetleniowych, możemy spostrzegać ten ruch jako spowolniony, możemy też nie zauważać przedmiotów lub widzieć je jako nieruchome.
Nowe miary: PstLM oraz SVM
PstLM to wskaźnik migotania wprowadzony do rozporządzenia, gdzie „st” (ang. short term) oznacza krótki okres, a „LM” metodę pomiaru migotania światła, jak określono w normach. Wartość PstLM = 1 oznacza, że prawdopodobieństwo, iż przeciętny obserwator zauważy migotanie, wynosi 50%. W tabeli 4 rozporządzenia określono wymagany poziom PstLM ≤ 1 przy pełnym obciążeniu i dotyczy źródeł LED i OLED zasilanych z sieci.
SVM to miara widocznego efektu stroboskopowego (ang. Stroboscopic Visibility Measure) – jest to nowa miara określająca prawdopodobieństwo wystąpienia efektu stroboskopowego. Została ona opracowana przez grupę naukowców z Philips Research z uwzględnieniem percepcji postrzegania wzrokowego różnych częstotliwości tętnienia źródła światła. Progiem widoczności efektu stroboskopowego jest wartość SVM równa lub większa od 1. Przy wartości poniżej 1 efekt stroboskopowy nie będzie widoczny dla obserwatora. SVM uwzględnia zarówno częstotliwość, jak i sposób modulacji światła. Uwzględnia on także różną czułość ludzkiego układu przetwarzania obrazu (oko i mózg) na częstotliwość tętnienia.
SVM =〖(∑_(m = 1)^∞ 〖|Cm/Tm|〗^n)〗^(1⁄n), to suma składowych transformaty Fouriera Cm, podzielonych przez Tm, czyli próg widoczności dla sinusoidalnej charakterystyki wyznaczonej dla danej częstotliwości.
Nowe rozporządzenie ekoprojektu dla źródeł LED i OLED daje wytyczne, że SVM powinno być równe bądź mniejsze od 0,4 przy pełnym obciążeniu. Nieobjęte tym wymogiem są tylko lampy HID (ang. High Intensity Discharge Lamp – lampy wyładowcze) o Φuse (ang. useful luminous flux) > 4000 lm oraz źródła światła przeznaczone do zastosowań na zewnątrz budynków, zastosowań przemysłowych lub innych zastosowań, w których normy oświetleniowe dopuszczają CRI < 80.
Jak mierzyć
Pomiary tych wielkości muszą być wykonywane przy pomocy fotometrycznych przyrządów pomiarowych. Takie urządzenia składa się z wysokowydajnego systemu światłoczułego (fotodioda ze wzmacniaczem transimpedancyjnym) uzupełnionego filtrem optycznym V-lambda, umożliwiającym dostosowanie krzywej czułości systemu do charakterystyki oka ludzkiego (rys. 1).
Rys.1. Shemat systemu do pomiaru tętnienia światła
Mierniki tętnienia światła różnią się czasami pomiaru, częstotliwościami próbkowania, maksymalną częstotliwością przenoszenia oraz rozdzielczością częstotliwościową zależną od rozmiaru FFT (ang. Fast Fourier Transform – szybka transformacja Fouriera). Nie wszyscy producenci stosują się do wytycznych organizacji zajmujących się badaniem problemu tętnienia światła. Urządzenia wysokiej klasy próbkują sygnał z wysokim nadpróbkowaniem – dziesięciokrotnie większym niż najwyższa spodziewana częstotliwość sygnału mierzonego, co jest istotne, gdy chcemy odtworzyć kształt przebiegu sygnału tętnień.
Pomiary wykonuje się w ciemni fotometrycznej, umieszczając miernik w określonej odległości od źródła światła. Zarówno przyrząd pomiarowy, jak i źródło światła powinny być posadowione stabilnie, np. na statywie, ponieważ drgania ręki mogą generować dodatkowe niskie częstotliwości w sygnale. Złącze półprzewodnikowe PN diody LED ma ujemny współczynnik temperaturowy, a więc wartość prądu płynącego przez diodę będzie narastać wraz z jej nagrzewaniem, należy więc odczekać kilka, kilkanaście minut w celu uzyskania stabilnych warunków temperaturowych modułu, co pozwoli na dokładne wyznaczenie miar tętnienia źródła światła.
Inną metodą jest wykorzystanie układu miernika z kulą całkującą, który przy pomiarze strumienia świetlnego pozwala na weryfikację charakterystyki tętnienia.
Należy zwrócić uwagę, że omawiane w artykule miary odnoszą się do rzeczywistych pomiarów optycznych natężenia badanego źródła światła. Mierniki migotania światła budowane do tej pory na podstawie normy PN6100-4-15 to zupełnie inne urządzenia do pomiaru krótko- (wskaźnik Pst = 10 min) i długoterminowych (wskaźnik Plt = 2 godziny) wahań napięcia sieci energetycznej (120 lub 230 V, 50 lub 60 Hz) wywołanych przez zmienną w czasie moc bierną odbiorników zakłócających. Norma ta zakładała pomiar napięcia sieci, a nie bezpośrednio pomiar tętnień natężenia źródła światła; pozwala na symulację układu oko-mózg oraz zakłada stosowanie żarowych źródeł światła.
Czym mierzyć
GL Optic jako jedyna firma w naszej części Europy od ponad 10 lat w Polsce produkuje kompleksowe systemy do pomiarów optycznych źródeł światła, komponentów optycznych oraz lamp i opraw. Do pomiarów tętnienia, migotania i efektu stroboskopowego oferowane są obecnie dwa wysokiej klasy urządzenia pomiarowe. Urządzenia zostały pozytywnie zweryfikowane w ramach współpracy z Philips Research oraz Amerykańską Agencją Energetyki (Departament of Energy – DOE).
GL PHOTOMETER 3.0 LS + FLICKER jest fotometrem klasy laboratoryjnej. Został zaprojektowany z myślą o szybkim fotometrowaniu opraw, a jego elektronika została zoptymalizowana do szybkiej integracji i dużego zakresu pomiarowego. Jest to urządzenie USB stosowane w laboratoryjnych pomiarach na ławie optycznej lub jako część układu pomiarowego z kulą całkującą lub goniofotometrem. Charakterystyka: zakres pomiarowy od 0,0001 lx do 1 000 000 lx, rozdzielczość, częstotliwość próbkowania 125 kHz, klasa filtra A < 3%, oraz 18-bitowy przetwornik A/D.
GL SPECTIS 1.0 T Flicker to przenośny spektroradiometr klasy smart. Łączy pomiar tętnienia światła ze spektralną analizą światła. Korzystanie z urządzenia nie wymaga specjalistycznej wiedzy. Jeden przycisk uruchamia pomiar, prezentując kluczowe dane: natężenie oświetlenia, CRI, TM-30, temperaturę barwową, CCT i inne. Po wybraniu funkcji „Flicker” i ponownym naciśnięciu przycisku pomiaru spektrometr natychmiast ukazuje dane tętnienia światła i SVM. Parametr PstLM jest liczony po dołączeniu do komputera i użyciu analitycznego oprogramowania GL Spectrosoft, który umożliwia także łatwe raportowanie. Urządzenie posiada wygodny dotykowy ekran, intuicyjny system operacyjny Android, automatyczne zapisywanie danych, przesyłanie danych kablem USB na PC oraz Wi-Fi.
Podsumowanie
Projektując układy zasilające oraz sterujące pracą diod LED, należy mieć na uwadze omawiane w artykule parametry tętnienia światła. W wielu przypadkach wystarczy kierowanie się dobrymi regułami projektowymi, jednak coraz wyższe wymagania odnośnie do parametrów oświetlenia sprawiają, że dokładne pomiary parametrów tętnienia światła stają się nieodzowne.
Autor: Mikołaj Przybyła
IES Member, członek CIE
Zaprenumeruj Oświetlenie LED
