Porozumění blikání světelných zdrojů

14/4/2016

 

Jako u každé technologie i vývoj LED diod na trhu osvětlení nebyl vždy úplně hladký. Přes všechny nesnáze již LEDky ušly pěkný kus cesty a každá další generace posouvá laťku kvality o kus výš.

 

 

Výrobci neustále reagují na očekávání zákazníků. Zlepšují kvalitu barev, ceny výrobku, životnost, účinnost a ovladatelnost. Další velká pozornost se nyní věnuje problematice blikání.

 

Problematika blikání není ve světelném průmyslu ničím výjimečným. Nicméně, specifické vlastnosti LED osvětlení představují některé jedinečné výzvy. Nejjednodušší definicí blikání je "změna světelného výkonu." Tento základní koncept, nicméně zakrývá mnoho složitých vlastností, které v konečném důsledku činí blikání obtížné kvantifikovatelným. A zatímco blikání v elektrické osvětlení je obecně považováno za nežádoucí, existují situace - zejména s organickým světlem - kde blikání může přidat výrazně osobitou atmosféru osvětlení jako například, blikání/mihotání svíčky nebo odraz slunečního světla od zčeřené vody. Pro účely tohoto článku se zaměříme na nežádoucí aspekty blikání tvořeném elektrickým osvětlením.

 

Definování problému
Než jen změnu světelného výkonu, je důležité rozlišit několik klasifikací blikání.

 

Viditelné blikání: změna světla, buď periodická, nebo přerušovaná, kterou většina uživatelů může vidět jako změnu světelného výkonu, a to i za statických podmínek

 

Stroboskopické blikání: periodická změna světla, která je výsledkem vlastní charakteristiky použitého napájecího zdroje. Je patrná pouze tehdy, pokud se zdroj světla pohybuje, nebo pokud se pohybuje pozorovatel. Ačkoliv je většina problémů obvykle spojována s viditelným blikáním, stroboskopické může být viditelné i neviditelné.

 

Téměř všechny světelné zdroje, mezi které patří i běžné vláknové žárovky, vykazují za normálního provozu a za ideálních podmínek stroboskopické blikání.  Žárovka v provozu při frekvenci sítě 50 Hz blikne při každém poklesu napětí, přičemž dosáhne nuly 100krát za sekundu (2krát za každý cyklus), vlákno žárovky se ochlazuje, čímž se snižuje světelný výkon. Tepelná kapacita vlákna zabraňuje při poklesu napětí, aby vlákno za několik milisekund úplně vychladlo, tak blikání okem téměř nezaznamenáme.

Srovnáme-li žárovku se zářivkou pracující s klasickou tlumivkou a startérem - úplnému zhasnutí žárovky brání tepelná kapacita vlákna (v našich podmínkách sítě 50 Hz zchladne a znovu zažhne 100krát za minutu). Zářivka však nemá žádnou takovou tepelnou hmotu, která by mohla omezit úplné zchladnutí, proto je blikání zářivek výraznější a více patrné. Blikání zářivek s magnetickými předřadníky je stále patrné a může lidem, pracujícím pod tímto světlem nechat zakusit mnohem rafinovanější účinky než jen viditelné blikání v podobě bolestí hlavy, únavy očí a celkového nepohodlí, i když původ tohoto tělesného "neklidu" není přímo viditelný. Při použití vysokofrekvenčních elektronických předřadníků, z nichž většina pracuje na úrovni 40kHz, dochází jen k částečné eliminaci stroboskopického blikání zářivek.

Blikání tedy není jen neodmyslitelná vlastnost světelných zdrojů, je to vlastnost světelného zdroje v kombinaci s příslušnou elektronikou, jako jsou předřadníky u zářivek nebo LED drivery.

 

Čím se liší LED?

Na rozdíl od jiných zdrojů nemají LED diody schopnost emitovat světlo, jakmile se zastaví přívod proudu. Když klesne proud procházející LED na nulu, její světelný výkon klesne na nulu, typicky během několika mikrosekund.

Blikání je tedy funkcí LED světelného zdroje a stability k ní přidružené elektroniky. Jakákoliv změna v napájecím zdroji má na rozkolísání světelného výstupu LED okamžitý vliv.

Můžeme si položit také otázku, na kolik je blikání přijatelné a na kolik problematické. I za ideálních podmínek se množství pozorovatelného blikání dané aplikace může měnit v závislosti na mnoha proměnných jako je:

• Frekvence blikání a to, zda jde o periodické (stroboskopické) nebo nikoliv.

• Tvar vlny blikání

• Věk a zraková ostrost pozorovatele

• Celková úroveň osvětlení

• Pozice, intenzita a možná synchronicita z jiných světelných zdrojů

• Relativní pohyb pozorovatele, světelného zdroje nebo blízkých objektů

 

Všechny tyto faktory ukazují, proč je obtížné přijít s jedinou správnou, všeobecně akceptovatelnou odpovědí na otázku zda daný světelný zdroj bliká.

 

Současná měření

Většina měření blikání začíná u fotodetektoru, který je schopen vysokorychlostního měření a který přibližně odpovídá spektrální citlivosti lidského oka. Fotodetektor je spojen s osciloskopem nebo jiným nástrojem, který zachycuje a zaznamenává výsledný elektrický signál při vysoké rychlosti, například sběr tisíců vzorků za sekundu. Výsledný tvar vlny pak může být zpracován na základě různých algoritmů k vytvoření metrik blikání. V současné době jsou nejpoužívanější "Index blikání" (Flicker Index) a "Procento blikání" (Percent Flicker), které definuje Příručka IES (IES Handbook).

Zatímco jsou obě tyto hodnoty poměrně snadno měřitelné a spočítatelné, mají několik nedostatků. Zaprvé, tyto hodnoty jsou vypočteny nezávisle na frekvenci. Světelný zdroj, který bliká 10 000 Hz, což je za hranicí lidské zrakové ostrosti, má stejnou hodnotu jako světlený zdroj, který bliká 10 Hz a je zřetelně viditelné všem.

Kromě toho jsou tyto metriky nevhodné pro zachycení přerušovaného nebo přechodného blikání. Nejvhodnější jsou pro porovnávání světelných zdrojů s periodickým tvarem křivky na stejné frekvenci. Více informací k tomuto tématu na http://energy.gov/eere/ssl/technology-fact-sheets

Vzhledem k těmto nedostatkům, se nejvíce testování blikání provádí pomocí subjektivního pozorování:
vyškolení pozorovatelé, s dobrou zrakovou ostrostí, pozorují světelný zdroj za řízených podmínek. Nepřekvapivě výsledky často vyúsťují v lišící se odpovědi na otázku "bliká to?". Odpovědi obvykle závisí na pozorovateli, což činí výsledky obtížně reprodukovatelné pro místně se lišící testování. Dalším potenciálním problémem je, že stroboskopické blikání mimo rozsah viditelných frekvencí, které mohou přispět k neviditelnému nepohodlí, není specificky měřitelné pomocí těchto metod testování. I přes tyto nedostatky je stále subjektivní pozorování nejvíce rozšířenou metodou, která nejlépe odráží chování a očekávání zákazníka v této oblasti.

Novější techniky měření blikání se snaží překonat nedostatky "indexu blikání" a metody "Procento blikání" spojením praktičnosti a užitečnosti metody vizuálního pozorování. Tyto vyspělejší algoritmy i nadále používají měření tvaru vlny, ale inklinují k faktoru frekvenčně specifického měření.

Ty často zahrnují přijímání FFT (Fast Fourier Transform) ze signálu, což umožňuje kompletní tvar vln/křivky i při neperiodickém průběhu, které mají být analyzovány jako součet jednotlivých frekvencí. Tato metodika umožňuje těmto algoritmům uplatňovat zvláštní váhy u konkrétních frekvencí – např.frekvence, které jsou s větší pravděpodobností viditelné, nebo které by mohly způsobovat bolesti hlavy a nepohodlí/neklid. Teorie umožňuje vědcům počítat s oběma stroboskopickým a přechodným/přechodovým blikáním, a na základě konkrétní aplikace – např. vysoce výkonné architektonické osvětlení oproti pouličnímu osvětlení.

 

Současný výzkum
Rensselaer Polytechnic Institute Lighting Research Center (LRC) byl časný obhájcem analýzy základních frekvencí odpovědných za blikání. Jejich Doporučené metriky pro posuzování přímého vnímání blikajících světelných zdrojů (leden 2015) využívá tento přístup, a připojuje k výsledné hodnotě pravděpodobnost, zda bude typický pozorovatel schopen detekovat blikání či nikoliv (http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/recommends/flicker.asp).

Nejnovější vývoj v oblasti kmitání představuje zveřejnění IEEE 1789-2015, IEEE Doporučené postupy pro modulaci proudu u LED s vysokým jasem pro omezení zdravotních rizik uživatele (Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewer (http://bit.ly/1We9abN). Tento dokument byl vyvinut v průběhu několika let mapování a kombinování výsledků z mnoha předchozích studií blikání (viz minulé číslo LED Magazinu - http://www.ledsmagazine.com/articles/2015/06/good-intentions-yield-flicker-standard-with-questions-that-remain.html).

 

Autorem původního článku "Understand the lighting flicker frustration" publikovaného v časopise LEDsmagazine.com v čísle 11/12 2015 je Ethan Biery – LED inženýr a vedoucí výzkumu ve společnosti Lutron Electronics Co., Inc. (lutron.com)