О пульсации светодного освещения и борьбе с ней

Массовое использование светодиодов для освещения, подсветки в мониторах и телевизорах сопровождающееся удешевлением процесса производства порой негативно влияет на качество продукции и зрение пользователей.

Это связано с неподходящей для человека цветовой температурой света, излучаемого светодиодами (светодиодными лампами/лентами, подсветкой мониторов/телевизоров), а также их мерцанием (пульсацией).

Глаза и мозг подсознательно воспринимают даже невидимую пульсацию света с частотой до 300Hz. Негативное влияние искусственного света с неподходящей цветовой температурой и пульсацией затем проявляется в усталости глаз, ухудшении гормонального фона, снижении работоспособности, нарушении суточных ритмов.

Спектр излучения у большинства светодиодов имеет резко выраженный пик в синей области, что не очень хорошо для глаз.

Сравнение спектров излучения ламп накаливания, CCFL-ламп и светодиодов:

Чтобы снизить нагрузку на глаза при использовании монитора/телевизора со светодиодной подсветкой следует подстраивать под время суток цветовую температуру изображения (включать режим работы Low Blue ночью).

Уменьшить мерцание искусственных источников света не так просто. Неплохо себя показывают флюоресцентные источники света (CCFL) с электронной балластной нагрузкой — у них мерцание на уровне около 5%. Лампы накаливания мерцают на 10-30% (чем мощнее лампа, тем меньше пульсаций из-за инерционности нити накала). Светодиодные источники света имеют самый широкий разброс индекса мерцания — обычно в пределах 5-70% (и даже больше при использовании плохого источника питания).

При выборе светодиодных ламп и других LED-источников света стоит обращать внимание на уровень их мерцания. Желательно, чтобы величина мерцания светодиодов не превышала 5% на частоте 100-120 герц (в крайнем случае 10-20%). К сожалению, производители светодиодного освещения обычно скромно умалчивают (или специально скрывают) технические характеристики своей продукции в части, касающейся пульсаций света. В этом им помогает отсутствие стандартов, касающихся вредности мерцания светодиодов и других источников искусственного освещения для зрения, что, видимо, связано с «неподкупностью» или тупостью чиновников.

Рассмотрим подробнее причины возникновения пульсации у LED-компонентов, а также возможные меры борьбы с ней.

Из-за чего возникает мерцание светодиодного освещения (подсветки мониторов)?

Главными причинами мигания светодиодного света являются:

• флуктуации, связанные с питающей линией переменного тока. Обычно это мерцание с удвоенной частотой сети, то есть 100 или 120 Гц (для 50 и 60 Гц сетей соответственно);
• мерцание, связанное с плохим качеством или несовместимостью электронных компонентов светодиодного источника света.

Кроме того, мерцание светодиодов может возникать из-за:

• несоответствия стандарту подаваемого на светодиод напряжения. Обычно это связано с использованием некачественного блока питания, усыханием его электролитических конденсаторов;
• перегрузки источника питания или бросков тока в сети;
• наличия плохих контактов между электронными элементами, входящими в состав светодиодного освещения, а также в местах его соединения с источником питания/сетью (например, из-за окисления/загрязнения разъемов/цоколя);
• использования несовместимых диммеров (регуляторов интенсивности света).

Для оценки качества источника света в контексте его мерцания измеряется минимальное и максимальное значения амплитуды (интенсивности) светового излучения, а также ее среднее значение.

Этот показатель напрямую связан с пульсациями питающего тока и напряжения. При использовании LED-драйверов с ШИМ-регулированием (импульсных блоков питания), пульсация может быть очень сильной из-за того, что силовой ключ открывается на очень короткое время, значительно меньшее последующей паузы.

В этом случае фильтрующие цепи могут не справляться со сглаживанием питающего тока, что приводит к увеличению коэффициента пульсаций вплоть до 100% и даже больше. С течением времени это происходит с большинством LED-ламп и подсветкой LED-мониторов из-за потери емкости электролитических конденсаторов в цепях питания.

Как бороться с мерцанием светодиодов?

Изменение тока и уровня пульсаций питающего напряжения, воздействующих на светодиод, приводят к мгновенному нелинейному изменению интенсивности его свечения.

Пример вольт-амперной характеристики светодиодов Cree XLAMP MX-6:

Как видно из графика, в зависимости от амплитуды пульсаций тока и напряжения изменяется величина динамического сопротивления светодиода (параметр Rdynamic).

В светодиодной подсветке и LED-лампах/лентах используется множество светодиодов, поэтому общее значение Rdynamic для конкретного образца led-освещения завсит от способа соединения светодиодов, входящих в его состав. При последовательном соединении Rdynamic всех светодиодов складываются, а при параллельном — делятся.

Чтобы избавиться от мерцания светодиодов нужно обеспечить постоянство питающего напряжения и тока. Так как источником питания является сеть переменного синусоидального тока, обеспечить стабильность напряжения и тока, питающего светодиоды, можно только благодаря использованию качественного понижающего преобразователя.

Как устроена схема питания светодиодных ламп?

Схема питания LED-ламп и других светодиодных источников света обычно включает пять компонентов:

• входная, высоковольтная часть, включающая предохранитель и варистор;
• фильтр электромагнитного излучения;
• выпрямитель;
• DC-DC преобразователь с защитой от перенапряжений и высоковольтных выбросов;
• контроллер, управляющий работой силового ключа, а также обеспечивающий защиту от перегрева, превышения тока и напряжения;
• LED-элементы, излучающие свет, соединенные последовательно и/или параллельно.

В достаточно больших устройствах (телевизорах и мониторах) можно разместить более качественный блок питания, что снижает уровень пульсаций подсветки. В LED-лампах освещения это сделать не так просто из-за их малых размеров.

Упрощенная схема питания простого LED-источника света:

В этой схеме питания светодиодов (и ее производных) для уменьшения пульсаций нужно увеличивать емкость конденсатора C2 на выходе преобразователя.

Емкость конденсатора C1 должна быть достаточной для накопления энергии в объеме потребления светодиодов плюс потери. В то же время, при значительном увеличении емкости конденсатора C1 ухудшается значение косинуса фи (PFC) и растет количество гармоник (помех). Поэтому в качественных источниках питания обычно используется меньшая емкость в высоковольтной части и большая — на выходе конвертера.

Для уменьшения пульсаций на выходе преобразователя дополнительно к электролитическому конденсатору можно подключить накапливающий дроссель.

Для расчета емкости выходного конденсатора используются следующие формулы:

где:
IOUT_PP — удвоенный ток LED-потребления;

VOUT_PP — допустимая пульсация выходного напряжения на светодиодах;

f — удвоенная частота питающей сети.

Допустимое напряжение пульсаций:

VOUT_PP= ILED_PP x Rdynamic_total

На практике величина емкости сглаживающего конденсатора составляет несколько сотен микрофарад (чем больше, тем лучше).

Схема 10-ваттной LED-лампы с контроллером B89916C производства фирмы Philips с накопительным дросселем индуктивностью 4 mh:

В десятиваттной LED-лампе производства Philips используется 14 LED, включенных последовательно:

Их питание обеспечивается AC-DC преобразователем, формирующим постоянное напряжение (около 35V) с током потребления примерно 0.25A.

Диодный мост лампы (MB108) соединен с питающей сетью через небольшой защитный предохранитель. После мостового выпрямителя стоит П-образный контур, образованный двумя накопительными электролитическими конденсаторами (1 мкф 400V) и катушкой индуктивности (3 mh).

Включенные параллельно резисторы (каждый по 9 Ом) используются как токовый шунт.

В схеме используется неизолированный понижающий преобразователь B89916C, способный работать при колебаниях входного напряжения от 85 до 265V:

В него встроен силовой MOSFET, рассчитанный на работу при напряжении до 500 вольт и токе до 180uA. Выходные пульсации сглаживаются LC-контуром. Выходной ток контролируется с точностью ±5%.

Хорошие лампы других производителей, используют похожую схемотехнику и контроллеры, например, в лампах OSRAM часто используют контроллер SL21082AT производства NXP Semiconductors.

В дешевых LED-лампах используется более простая схема, подобная этой:

В этой схеме входной конденсатор (220nF 400V) используется как сопротивление для понижения входного напряжения, а также ограничивает ток потребления на уровне до 12 mA.

Выпрямление напряжения производится с помощью диодного моста (4 диода 1N4007). Электролитический конденсатор во вторичной цепи (4-4.7uF 63V) используется для накопления энергии для питания включенных последовательно LED, сглаживает выходное напряжение, а также ограничивает начальный бросок тока при включении лампы. Резистор на 560 Ω ограничивает ток через светодиоды.

Как видно из схемы простой светодиодной лампы, уровень пульсаций напряжения и тока, питающего LED, должен быть очень высоким, так как конденсатор C2 вряд ли обеспечит достаточный уровень сглаживания. В связи с этим дешевые светодиодные лампы очень сильно мерцают.

Усовершенствованная схема LED-лампы со стабилизацией напряжения с помощью стабилитрона:

Еще один вариант схемы питания LED-ламп со стабилитронами:

При выборе светодиодных источников света обязательно следует обращать на уровень пульсаций. Лучше всего для глаз покупать лампы/подсветку с уровнем мерцания не более 5 процентов. Дешевые лампы вряд ли будут иметь схему и элементную базу, способные обеспечить низкий уровень пульсаций.

Кроме того, в качестве источника света лучше использовать лампы с цветовой температурой, близкой к естественной (2700—3000 К), а индекс цветопередачи R9 — более 80-90.

Современные мониторы практически всегда имеют светодиодную подсветку. При их выборе следует ориентироваться на модели с функциями Flicker Free и Low Blue, а также большой частотой обновления экрана (больше 75 Гц).

В достаточно старых LED-мониторах стоит увеличить емкость электролитических конденсаторов по линии питания подсветки.