К вопросу о пульсациях выходного напряжения (тока) драйверов для светодиодного освещения

Производители светотехнических установок и другие потребители источников питания для светодиодного освещения (драйверов), среди ряда параметров, характеризующих энергетическую эффективность, точность и качество потребляемой электроэнергии, обращают повышенное внимание на такой параметр, как пульсации выходного напряжения (тока). Этот параметр весьма важен, поскольку напрямую определяет пульсации светового потока светотехнической установки (СУ).

Световой поток, являясь конечным продуктом светотехнической установки,определяет освещённость рабочего места, которая считается одним из наиболее важных гигиенических и санитарных показателей, поскольку влияет на организм человека и на безопасность труда. Значительные низкочастотные пульсации освещённости приводят к повышенной утомляемости, снижению производительности труда и возникновению травмоопасных ситуаций [1, 2]. Именно поэтому они ограничиваются в таких нормативных документах как СНиП и СанПиН.

Несмотря на то, что эти документы существуют достаточно давно, у потребителя, зачастую, нет чёткого понимания границ применения количественных значений оговоренных в этих документах. Нигде не обоснованы причины появления существующих норм. Нет ясности в вопросе влияния и вреда пульсаций освещенности для организма человека. Кроме того, существуют несогласованности и неясности в самих документах.

Это привело к возникновению максимы: «пульсации должны быть меньше 5%». Такое требование справедливо далеко не всегда, и во многих случаях можно использовать источник, обеспечивающий освещённость с пульсациями 10 или 15%. Снижение требований к источнику питания по пульсациям выходного напряжения (тока) позволяет производителям использовать более дешёвые компоненты или снизить их число.

Это положительным образом сказывается на стоимости источника питания, следовательно, выгодно и самому потребителю.

Слепое следование 5-ти процентному барьеру по пульсациям освещённости препятствует более широкому внедрению светодиодного освещения. Отсутствие ясности в этом вопросе приводит к необоснованно завышенным требованиям, вплоть до 1%, Иногда этот параметр превращается в инструмент недобросовестного рекламирования своих источников в конкурсных торгах.

Сложившуюся ситуацию нельзя назвать нормальной и она требует разрешения. В данной статье предпринята попытка внести ясность в данный вопрос, и разграничить требования к пульсациям освещённости для различных областей применения.

Вначале попробуем ответить на вопрос почему, собственно, пульсации освещённости нужно ограничивать.

С точки зрения техники безопасности пульсирующий источник света представляет угрозу, поскольку создаёт условия для возникновения стробоскопического эффекта. Чем он опасен? Например, повреждёнными конечностями, если частота вращения диска циркулярной пилы совпадёт с частотой пульсаций освещения, и невнимательному работнику покажется, что диск не вращается.

Актуализированная версия СНиП 23-05-95 даёт определение этому эффекту только в контексте источника света, питаемого переменным током. Связано это, очевидно, с тем, что предыдущие версии СНиП были ориентированы в первую очередь на газоразрядные источники света, в частности, на люминесцентные лампы.

Формально, в таком изложении понятие о стробоскопическом эффекте к светодиодным источникам света неприменимо, поскольку они в абсолютном большинстве питаются постоянным током. Тем не менее, поскольку постоянный ток через светодиоды всё же пульсирует, опасность травматизма возникнуть может.

Поэтому для производств, использующих фрезерные и токарные станки, циркулярные пилы и прочее оборудование с вращающимися деталями, стробоскопического эффекта следует избегать и обращать особое внимание на коэффициент пульсаций освещённости. Да и вообще везде, где есть «движущиеся, вращающиеся или сменяющиеся объекты» необходимо обращать на это внимание.

Как правило, стробоскопический эффект может возникнуть при глубине пульсаций освещённости больше 20%, но есть случаи, когда он может возникнуть уже при пульсациях более 5% [3].

Помимо прямой опасности получить травму от кажущегося неподвижным станка и прочих движущихся, вращающихся и перемещающихся объектов, есть неочевидное влияние пульсирующего излучения на головной мозг. Упомянутые во множестве статей исследования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР, послужившие основанием для выбора существующих на сегодняшний день норм по коэффициенту пульсацийосвещённости, связывают пульсирующее освещение с изменением частотного спектра электрической активности головного мозга, утомляемостью и головными болями.

Основным исследованием по данной теме можно назвать материал, который представили В.А. Ильянок и В.Г. Самсонова [4] В своей статье они утверждают, что ритмическая деятельность разных групп нейронов мозга отражена в частотном спектре его суммарной электрической активности – электроэнцефалограмме (ЭЭГ). По характеру спектра ЭЭГ можно судить о функциональном состоянии мозга.

При действии ритмических световых раздражений наблюдается изменение частотного спектра ЭЭГ, заключающееся в резком усилении амплитуды навязываемой  и воспроизводимой мозгом частоты (частота пульсаций светового потока /освещённости) и в снижении амплитуд всех других частот, особенно частот альфа-ритма (9-12 Гц), которые в обычной ЭЭГ наиболее выражены (рис. 1).

В работе были исследованы спектры ЭЭГ и их изменения в широком диапазоне частот при действии различных по частоте, интенсивности и длительности ритмических световых вспышек, при одновременном действии двух и более различных по частоте световых ритмов, а так же при различной глубине пульсаций светового потока. В опытах участвовало 120 взрослых людей в возрасте от 18 до 30 лет.

Выяснилось, что изменение спектра ЭЭГ длится  на протяжении всего времени действия светового раздражителя. При наблюдении двух различных по частоте световых раздражителей, обе частоты были усвоены мозгом. В 70% случаев было выявлено усвоение мозгом трёх частот. В 30% - четырёх частот.

Так же было обнаружено, что воспроизведение мозгом частоты световых мельканий начиналось при 2-3%-ной глубине пульсаций и достигало максимума уже при 20%.

В результате, рекомендуется использовать для освещения СУ, обеспечивающие глубину пульсаций светового потока не выше 5-8% на частоте 100 Гц. Так же утверждается, что при частоте пульсаций 300 Гц и выше никакого действия на электрическую активность мозга не наблюдается и глубина пульсаций роли не играет.

Какие можно сделать выводы из этого исследования?

1) На частоте 100 Гц пульсации светового потока следует ограничивать на уровне 5-8%

2) Наблюдение одного источника пульсирующего излучения вредно для человека, а наблюдение нескольких таких источников (например, ЖК монитор и люминесцентная лампа) ещё вреднее.

3) При освещении пульсирующим светом вращающихся предметов  отражение света от них может привести к одновременному воздействию нескольких различных по частоте некратных друг другу ритмов световых мельканий. В таком случае к стробоскопическому эффекту приплюсовывается ещё и воздействие на мозг.

4) При частоте мельканий выше 300 Гц глубина пульсаций не имеет значения.

Теперь взглянем на нормативные документы, регламентирующие уровень пульсаций освещённости:

1) «Естественное и искусственное освещение» свод правил СП 52.13330.2011, являющийся актуализированной редакцией СНиП 23-05-95*;

2) «Гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту»  санитарно-эпидемиологические правилаСП 2.2.2.1327-03;

3) «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 с изменением и дополнением №1 (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10);

4) «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» санитарно-эпидемиологические правила и нормативыСанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 с изменениями и дополнениями:

• №1 - СанПиН 2.2.2/2.4.2198-07
• №2 - СанПиН 2.2.2/2.4.2620-10
• №3 - СанПиН 2.2.2/2.4.2732-10

Содержимое этих документов, касающееся минимального значения коэффициента пульсации освещённости представлено в табл. 1.

Таблица 1. Различия в требованиях по коэффициенту пульсации освещённости.

Из таблицы видно, что требование «не более 5 процентов» встречается лишь в двух случаях. Во всех же остальных случаях  - 10% или даже 20%. А для некоторых типов помещений коэффициент пульсации освещённости вообще не ограничен.

Попробуем теперь разобрать подробно два самых жёстких требования. Нормы СП 2.2.2.1327-03, очевидно, учитывают, что человеческий организм вполне способен реагировать на две различные частоты световых мельканий, и что для организма это тяжелее, чем работа в помещении с одним источником световых мельканий. Требование вполне справедливо и ясно.

Что же касается СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 со всеми изменениями, то тут необходимо иметь в виду, что цифры 2.4 означают отношение этих правил к гигиене детей и подростков, а «коэффициент пульсаций не должен превышать 5%» можно одинаково применить к чему угодно. Безусловно, можно догадаться из контекста, что речь идёт о пульсациях светового потока, но ведь это прямо не указано. Так же нет и прямого указания, что термин этот необходимо понимать в контексте свода правил СП 52.13330.2011.

В библиографических данных есть ссылка на устаревший СНиП 23-05-95.

Однако, во-первых, приложение №14 со списком библиографических данных в Минюст на регистрацию не представлялось (примечание «КонсультантПлюс»). Во-вторых, библиографические данные являются справочными, и на них нет ссылок в тексте. В-третьих, в устаревшем СНиП 23-05-95 коэффициент пульсаций освещённости относится только к газоразрядным лампам.

Таким образом, по сути, существует только один документ, обязывающий в помещениях компьютерными мониторами использовать СУ, пульсации освещённости которых будут менее 5%. Ни о каких трёх и тем более одном проценте даже речи быть не может. Во всех остальных случаях, а их немало, требования по коэффициенту пульсаций освещенности можно назвать весьма щадящими для производителей источников питания.

Достойным внимания производителей и потребителей можно считать используемый для люминесцентных ламп способ снижения пульсаций освещённости за счёт их включения в три различные фазы сети. Применение этого способа к светодиодным источникам питания, построенным по однокаскадной схеме (совмещение ККМ и РН), с пульсациями выходных параметров на двойной сетевой частоте приведёт к тому, что пульсации освещённости будут уже на безопасных 300 Гц. Это тем более любопытно в виду появления проекта ГОСТ Р «Здания и сооружения. Методы определения коэффициента пульсации освещённости. Проект. Вторая редакция» [5], где коэффициент пульсаций освещённости учитывает пульсации до 300 Гц (см. примечание на стр.1 соответствующего документа). В случае если конечная версия ГОСТ сохранит это примечание, к чему есть все предпосылки, будет обеспечена возможность в самых требовательных применениях на законных основаниях использовать источники питания с пульсациями, превышающими 5%.

Литература:

1. Wilkins A.J. Fluorescent lighting headaches and eye-strain / Wilkins A.J., Nimmo-Smith I., Slater A.I., Bedocs L. // Lighting Research and Technology. – 1989. – № 21. – P. 11-18.

2. Veitch, J.A., McColl S.L. Modulation of fluorescent light: flicker rate and light source effects on visual performance and visual comfort // Lighting Research and Technology. – 1995. – № 27.

3. Ильина Е.И. Почему не принимаются меры для снижения пульсации освещенности // Светотехника. – 2005. – №4.

4. Ильянок В.А., Самсонова В.Г. Влияние пульсирующих источников света на электрическую активность мозга человека // Светотехника. – 1963. – №5. – C. 1–5.

5. Проекты документов / НП Производителей Светодиодов и Систем на их основе, 2011. URL: http://www.nprpss.ru/standarty/proekty-dokumentov.html (дата обращения: 26.08.2012).