Míhání a stroboskopický jev – 3. část

Míhání a stroboskopický jev se po nástupu elektronických předřadníků pro zářivky staly historickou kapitolou světelné techniky. Světelné diody se svou strmou voltampérovou charakteristikou a rychlou odezvou světelného toku na změnu proudu však tyto jevy vrátily zpět do popředí zájmu. V této části bude popsán vliv typických způsobů napájení a stmívání světelných diod na časový průběh jejich světelného toku. (První část série vyšla v č. 1/2018, druhá v č. 3/2018)

Napájení stejnosměrným proudem

Tento triviální způsob napájení LED je z hlediska časových artefaktů nevhodnější, protože produkovaný světelný tok se v čase nemění. Světelná dioda nebo modul jsou připojeny s použitím rezistoru nebo stabilizátoru proudu ke zdroji napětí. Mnoho typů nalepovacích LED pásků je určeno k napájení konstantním napětím, typicky 12 nebo 24 V. Sériové kombinace několika diod jsou k napájecí sběrnici připojeny prostřednictvím rezistoru, u vyšší třídy pásků pomocí tranzistorového stabilizátoru proudu s tepelnou ochranou.

Podobný způsob napájení se používá i u některých LED náhrad žárovek na síťové napětí. Lineární stabilizátor zde napájí sériové spojení přibližně 100 diod z usměrněného a vyhlazeného síťového napětí. Tepelné ztráty na stabilizátoru jsou přijatelné při příkonech do asi 10 W. Kromě nulového míhání je výhodou i velmi malé elektromagnetické rušení.

Obr. 1. Lineární regulace proudu

Stmívání stejnosměrným proudem CCR (z angl. Constant current reduction, též Amplitude dimming) představuje stmívání LED pomocí lineární regulace proudu, viz obr. 1. Tento způsob napájení rovněž neprodukuje žádné míhání. S klesajícím proudem se však mírně mění spektrum vyzařovaného světla a zvětšují se rozdíly mezi jednotlivými diodami. Potenciální slabinou je nestabilita regulace při nízkých intenzitách pod 3 % z maxima. Jejím řešením může být pulzující výstup (Hybrid Dimming [1]), popř. v kombinaci s výstupní filtrací (Filtered Dimming [1]), viz obr. 2. V lineární oblasti je opět výhodou nízké vyzařované elektromagnetické rušení, díky kterému lze použít delší vodiče mezi LED a napájecím komponentem.

Obr. 2. Různé způsoby regulace při nízké intenzitě

Stmívání pulzně šířkovou modulací

PWM (z angl. Pulse Width Modulation) představuje ve světelné technice periodické přerušování světelného toku s dostatečnou frekvencí, aby se uplatnil Talbotův zákon, tj. aby člověk vnímal pouze střední hodnotu světelné veličiny. Střední hodnotu lze snadno měnit změnou střídy. Na tomto principu je možné konstruovat jednoduché stmívače či zařízení na míchání barev z více kanálů. Výhodou jsou velmi malé ztráty, protože se spínací tranzistory nacházejí ve stavu buď sepnuto (minimální napětí a plný proud), anebo rozepnuto (plné napětí a žádný proud). Ztráty vznikají hlavně při přechodech mezi těmito stavy, což vede výrobce ke snaze používat nižší frekvence (několik set hertzů). Potenciální slabinou jsou opět nízké intenzity, kdy je světlo vyzařováno v podobě krátkých intenzivních záblesků. Světelné pulzy jsou detekovány sítnicí a přenášeny do zrakové kůry mozku až do frekvence asi 4 kHz. U některých napáječů se proto při nejnižších intenzitách zvyšuje frekvence PWM až na 8 kHz. Nevýhodou PWM je strmost hran průběhu proudu, který nese velký podíl harmonických složek a může působit velké elektromagnetické rušení. Řešením je výstupní filtrace a zkrácení délky vodičů.

Modifikace stmívání PWM

U vícekanálových napáječů se pro kanál s teplým světlem někdy používá PWM s vyšší frekvencí, viz obr. 3. Podle Kruithofovy křivky lze předpokládat jeho častější využití při nižších intenzitách. Míhání je při přímém pohledu více patrné právě v červené oblasti spektra a s rostoucí frekvencí je méně pozorovatelné.

Obr. 3. Dvoukanálové stmívání PWM s různými frekvencemi (Helvar LL60/2-E-DA-iC)

Napájení spínaným měničem

K buzení světelných diod např. ve stolních svítidlech napájených ze síťového adaptéru se často používají spínané měniče v topologii BUCK (snižující), popř. BOOST (zvyšující). Výstupní proud má trojúhelníkový průběh s velkou stejnosměrnou složkou. Zvlnění při pracovních frekvencích v desítkách až stovkách kilohertzů neprodukuje žádné viditelné časové artefakty, viz obr. 4. Ačkoliv se tyto obvody skládají jen z několika součástek, konstrukce je mimořádně citlivá na uspořádání komponentů a jejich spojů. Nesprávně navržený obvod s výkonem několik wattů tak může být silným zdrojem elektromagnetického rušení.

Obr. 4. Proud tekoucí LED při napájení spínaným měničem

Na stejném principu pracují i měniče v nejrozšířenějších LED náhradách žárovek na síťové napětí; typická pracovní frekvence několika zkoumaných typů s paticí E27 byla 100 kHz a u miniaturizované verze pro patici E14 byla 200 kHz.

Stmívání spínaného měniče

Integrované obvody pro tyto měniče obvykle obsahují vstup pro stmívání pomocí PWM (viz příslušný odstavec). Některé navíc umožňují stmívání stejnosměrným napětím, které lze získat dolnofrekvenční filtrací PWM z řídicího obvodu a zamezit tak míhání.

Napájení nevyhlazeným usměrněným proudem

Dvojcestně usměrněné napětí a předřadné rezistory se často používají u pásků na síťové napětí nebo u vánočních řetězů. V některých případech za usměrňovačem chybí filtrační kondenzátor, má nízkou kapacitu nebo provozem již ztratil původní vlastnosti. Světlo diod pak pulzuje dvojnásobkem frekvence sítě, což nemusí být při přímém pohledu vidět, ale v periferním poli je blikání znatelné, viz obr. 5. Při částečném selhání usměrňovače již diody pulzují na frekvenci sítě a míhání je viditelné i při přímém pohledu do zdroje.

Obr. 5. Proud tekoucí LED při napájení nevyhlazeným stejnosměrným napětím

Napájení nevyhlazeným usměrněným proudem s přepínáním sekcí

Již od počátku osvětlování světelnými diodami se výrobci snaží vyvinout napájecí obvod, který by se obešel bez elektrolytických kondenzátorů (které jsou hlavním zdrojem poruch a omezené životnosti elektroniky) a pokud možno i bez indukčností. Představme si řetězec 100 světelných diod s V_f = 3,2 V zapojených do série. Ten je možné připojit na usměrněné síťové napětí (u_max = 325 V) pomocí malého rezistoru. Ve vrcholech usměrněného napětí budou diody svítit na svůj plný výkon. S klesajícím napětím ovšem prudce pohasnou. Kdyby se s klesajícím napětím část diod přemostila, zbývající diody by svítily mnohem více. Toto přemosťování sekcí lze několikrát opakovat a prodloužit tak část periody, po kterou svítí alespoň některé diody. Vrcholem snažení v této oblasti jsou patrně obvody Seoul Acrich [2], které se připojují přímo za usměrňovací můstek a ke svému provozu nepotřebují ani elektrolytický kondenzátor, ani indukčnost; průběh světelného toku viz obr. 6.

Obr. 6. Průběh světelného toku Seoul Acrich 2

Průzkum míhání v terénu

Při výběru světelného zdroje s integrovaným měničem, svítidla nebo napájecí komponentu je vhodné sledovat i jejich míhání, aby bylo přijatelné pro zamýšlené využití. K tomu je možné využít přenosné měřiče míhání, tzv. flickermetry, nebo funkce měření míhání u kapesních spektrometrů.

Pro orientační testování si autor postavil detektor míhání s fotodiodou, operačním zesilovačem a malým audiozesilovačem pro vestavěný reproduktor, který umožňuje míhání „slyšet“. Tak se mu otevřel zcela nový svět, ve kterém každé svítidlo, displej či kontrolka vydávají svůj charakteristický zvuk. Uváží-li se, že mozek tyto časové změny osvětlení registruje, je otázka, co s nimi vlastně dělá. Tyto signály jsou velmi rozmanité a svítící objekty nevydávající žádný „zvuk“ jsou překvapivě vzácné.

Dva mýty o míhání

Žárovkové světlo údajně nemíhá
Okamžitá teplota vlákna žárovky trochu kolísá s dvojnásobkem síťové frekvence, a tak se v čase mění jak světelný tok, tak i teplota chromatičnosti. Činitel vlnitosti (k_f) světla žárovek bývá kolem 5 %.

Světlo zářivek s elektronickým předřadníkem (EP) prý nemíhá
Pracovní frekvence EP v řádu desítek kilohertzů napovídá, že časové změny světelného toku nemůže lidské oko registrovat. Výstupní část předřadníku je však napájena z usměrňovače, resp. obvodu PFC, jehož výstup může být zvlněný v rytmu síťového napětí. Toto zvlnění roste se stárnutím filtračních kondenzátorů v napájecí části předřadníku a v praxi byly naměřeny hodnoty činitele vlnitosti světla přesahující 5 %.

Literatura :
[1] Helvar LED Luminaire Solutions [online]. [cit. 2018-11-06]. Dostupné z: https://goo.gl/7W6bWc
[2] Seoul Acrich [online]. [cit. 2018-11-06]. Dostupné z: https://goo.gl/2qocc4

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 1/2019 na straně 20.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.