Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2011 №1

Визуальная различимость миллисекундного выключения светодиодного источника света

Баранов Вадим


Кратковременное, незаметное для человека выключение светодиодного светильника позволяет измерять уровень естественной освещенности под ним и в зависимости от полученных данных автоматически включать/выключать освещение. На какое же максимальное время светильник может быть погашен, чтобы это не было воспринято человеком как мигание? Принято считать, что выключение источника света на 1/24 с будет незаметным для человеческого глаза. Однако это предположение, основанное на том, что 24 кинокадра в секунду воспринимаются человеком как непрерывное изображение, неверно.

Использование светодиодных источников света (далее — светодиодов или СД) не только обеспечивает ощутимую экономию электроэнергии и затрат на обслуживание по сравнению с другими лампами, но и предоставляет широкие возможности по управлению устройством.

При разработке контроллера наряду с другими функциями управления целесообразно реализовать две функции управления яркостью СД:

  1. автоматическое поддержание освещенности на заданном уровне;
  2. включение/выключение СД в зависимости от уровня естественного освещения (функция день/ночь).

Обе эти функции основаны на использовании датчика освещенности — фоторезистора или фотодиода. В целях экономии предпочтительно использовать один датчик освещенности с одним каналом усиления сигнала.

Для реализации первой функции — поддержания уровня освещенности — достаточно направить датчик в сторону освещаемого объекта и периодически анализировать поступающий от этого датчика сигнал. Обработка выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и в зависимости от результата корректируется яркость СД.

Для определения уровня естественного освещения (вторая функция) проще контролировать освещенность вне зоны действия СД. Тогда датчик, контролирующий естественное освещение, должен быть направлен в противоположную от освещаемого объекта сторону. Но в этом случае для реализации обеих функций потребуется два датчика: один, направленный на освещаемый объект, второй — в сторону от освещаемой поверхности.

Чтобы использовать лишь один фотодатчик, его нужно направить на освещаемый объект и измерять поступающий от датика сигнал при вклюенном СД для реализации функции автоматического поддержания освещенности. Для контроля уровня естественного освещения нужно кратковременно выключать СД и измерять естественную освещенность в паузе, при выключенном СД. Минимальная длительность паузы определяется временем установления усиленного сигнала фотодатчика на входе АЦП, обрабатывающего сигнал, и временем преобразования. Но на какой интервал времени можно выключать СД, чтобы глаз человека не успел заметить мигания света? Известно, что при частоте 24 кадра в секунду человек воспринимает изображение на экране как непрерывное. Значит, при частоте световых импульсов, превышающей 24 Гц, человеческий глаз будет воспринимать свет как ровный, непрерывный. Однако есть и дополнительные требования: ширина световых импульсов должна быть одинакова, частота стабильна. Чтобы проиллюстрировать справедливость этих требований, сделаем небольшое отступление.

Для тестирования способности люксметра ЛГ09 фиксировать форму импульсных световых сигналов был разработан их источник на микроконтроллере и суперяръком белом светодиоде. Интерес представляли частоты 50, 100, 200 и 400 Гц. Чтобы записать люксметром ЛГ09 сигналы указанных частот в один файл, микроконтроллер передавал один период сигнала частотой 400 Гц, потом один период сигнала частотой 200 Гц и по одному периоду частотами 100 и 50 Гц, затем эта последовательность без дополнительных пауз повторялась. Результат записанных люксметром ЛГ09 световых сигналов представлен на графике (рис. 1).

Минимальная частота в последовательности составляла 50 Гц. Она более чем вдвое превышает частоту кадров при воспроизведении кинофильмов, однако мерцание света воспринималось как весьма сильное.

Вернемся к допустимому времени выключения СД. Предположение, что выключение СД будет незаметным, если пауза в его свечении составит 41,67 мс, что соответствует одному периоду частоты 24 Гц, оказалось неверным. Для определения интервала времени выключения СД, при котором его мигание будет незаметным, был изготовлен макет на микроконтроллере, управляющем яркостью СД посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) частотой 112,5 Гц.

Первоначально интервал времени выключения составлял один период этой частоты, или 1000/112,5 = 8,89 мс (это почти в 4,69 раза короче одного периода частоты 24 Гц). Сигнал с указанной паузой в 8,89 мс, повторяющейся раз в 2,275 секунды (производилось выключение на один период частоты 112,5 Гц через каждые 256 периодов), подавался на пару светодиодов: суперъяркий белый и обычный зеленый. На рис. 2 представлен макет устройства с включенными светодиодами.

Даже такая короткая пауза (8,89 мс) оказалась хорошо заметной в свечении как суперъяркого, так и зеленого светодиодов. Записанный люксметром ЛГ09 световой сигнал суперъяркого светодиода представлен на графике (рис. 3, 4). Светодиод выключается раз в 2,257 с на 8,9 мс. Это хорошо заметно (светодиод мигает).

Дальнейшее снижение времени выключения светодиодов показало, что при паузе в 4 мс мигание обоих светодиодов заметно. При паузе в 1 мс мигания зеленого светодиода видно не было, а белый светодиод еще мигал. При паузе в 440 мкс мигание отсутствовало. Поскольку время включения/выключения светодиодов и время установления управляющих светодиодами сигналов на несколько порядков ниже, говорить о том, что светодиоды не успели выключиться, не приходится.

Очевидно, что человек перестает замечать выключение света или смену кадров фильма, которая также сопровождается световой паузой, не потому, что пауза в 1/24 секунды коротка, а потому, что интервал между паузами мал для человеческого восприятия. При этом отдельные, «не мельтешащие», но гораздо более короткие паузы оказываются хорошо заметными.

Во время эксперимента световые сигналы с паузами более 2 мс были записаны люксметром ЛГ09, а с паузами менее 2 мс — контролировались осциллографом с подключенным к его входу фотодиодом. Люксметр ЛГ09 не предназначен для регистрации таких коротких импульсов, так как его усилитель фототока обладает довольно большой постоянной времени, что видно по искажению фронтов и спадов импульсов на графиках, а максимальная частота выборки составляет 8,25 кГц.

Очевидно, заметность мигания СД зависит от его яркости. К сожалению, автор не располагает светодиодными светильниками разной мощности, но вообще следовало бы оценить заметность мигания различных СД при разных уровнях яркости. Заметим, что визуальная оценка мигания светодиода субъективна, хотя оценки автора и пары его коллег на уровне «мигает/не мигает» совпали.

Практические выводы по результатам экспериментов:

  1. Для определения естественной освещенности при направленности датчика на освещаемый объект фоторезистор не подойдет, так как время установления его сопротивления при резком изменении освещения — десятки миллисекунд.
  2. Для используемых СД разной яркости надо определить максимально допустимое время выключения, при котором несколько человек не заметят мигания света, т. е. необходимо изготовить контроллер с управляемым интервалом выключения.
  3. Светоизмерительная часть — фотодиод (датчик) вместе установленной на него оптической насадкой (линзой, трубой, защищающей от непосредственной засветки светодиодным светильником и т. д.) с усилителем тока, совместно преобразующие освещенность в напряжение, — должна:

    1. обеспечить достаточное усиление сигнала (уровень напряжения при максимальной освещенности должен быть близок к максимальному значению входного сигнала используемого аналого-цифрового преобразователя);
    2. гарантировать минимальное время установления сигнала на выходе усилителя фототока, причем аналого-цифровое преобразование должно начинаться после того, как завершится спад сигнала вследствие выключения СД, и заканчиваться до очередного включения СД.

Такая оптимизация времени установления сигнала и времени преобразования позволит без экспериментов определить время выключения СД. Например, при использовании недорогого микроконтроллера со встроенным АЦП время преобразования составит лишь несколько десятков микросекунд. Организация своевременного измерения не вызовет трудностей, так как и коммутацией СД, и запуском аналого-цифрового преобразования управляет один микроконтроллер.

Можно также предложить методику оценки работы светоизмерительной части. Для этого понадобится:

  1. Обеспечить стабильную фоновую засветку. Она должна имитировать естественное освещение, но не должна меняться, например, из-за набежавшего облака. Подойдет лампа или светодиодный светильник, питающиеся постоянным током (при питании переменным током результаты измерения будут искажаться, так как свет будет мерцать, хотя визуально вы этого не заметите).
  2. Организовать вывод результатов преобразования АЦП, оцифровывающего сигнал измерителя освещенности, например на компьютер.

Сначала следует измерить и записать с помощью АЦП уровень освещенности в статическом режиме:

  1. при выключенном СД;
  2. при включенном СД.

Затем в динамическом режиме измерить уровень освещенности при паузе и при включенном СД. Критерием качества работы устройства является совпадение уровней освещенности, зафиксированных в статическом и в динамическом режимах.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке