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

Световой поток, являясь конечным продуктом светотехнической установки (СУ), определяет освещенность рабочего места, которая считается одним из наиболее важных гигиенических и санитарных показателей, поскольку влияет на организм человека и на безопасность труда. Значительные низкочастотные пульсации освещенности 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 четкого 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 туманные места в самих документах.

Все это привело к возникновению максимы: «пульсации должны быть меньше 5%». Данное требование справедливо далеко не всегда, и во многих случаях можно использовать источник, обеспечивающий освещенность с пульсациями 10 или 15%. Снижение требований к источнику питания (ИП) по пульсациям выходного напряжения (тока) позволяет производителям использовать более дешевые компоненты или снизить их количество. Такая тенденция положительным образом сказывается на стоимости ИП, следовательно, это выгодно и самому потребителю.

Но слепое следование пятипроцентному барьеру по пульсациям освещенности препятствует более широкому внедрению светодиодного освещения. Отсутствие ясности в этом вопросе приводит к необоснованно завышенным требованиям, вплоть до 1%. Иногда при конкурсных торгах этот параметр бессовестно выпячивается в качестве огромного преимущества.

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

Влияние пульсаций на условия труда и здоровье

Вначале попробуем ответить на вопрос: почему, собственно, пульсации освещенности нужно ограничивать?

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

Актуализированная версия СНиП 23-05-95 дает 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 все же пульсирует, может возникнуть опасность травматизма.

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 освещенности. Да и вообще везде, где есть «движущиеся, вращающиеся или сменяющиеся объекты», необходимо обращать на это внимание.

Как правило, стробоскопический эффект появляется при глубине пульсаций освещенности 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. Упоминаемые во множестве статей исследования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР, послужившие основанием для выбора существующих на сегодня норм по коэффициенту пульсаций освещенности, 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/освещенности) и в снижении амплитуд всех других частот, особенно частот альфа-ритма (9–12 Гц), которые в обычной ЭЭГ наиболее выражены (рисунок).

Рисунок. Изменения в спектре ЭЭГ: а) нормальный спектр в темноте (фон); б) появление доминанты при наблюдении световых пульсаций с частотой 120 Гц

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 также при различной глубине пульсаций светового потока. В опытах участвовали 120 человек 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 трех частот. В 30% — четырех частот.

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

Таким образом, рекомендуется использовать для освещения СУ, обеспечивающие глубину пульсаций светового потока не выше 5–8% на частоте 100 Гц. Также утверждается, что при частоте пульсаций 300 Гц и выше никакого действия на электрическую активность мозга не наблюдается, и глубина пульсаций никакой роли не играет.

Какие можно сделать выводы из этого исследования?

• На частоте 100 Гц пульсации светового потока следует ограничивать на уровне 5–8%.
• Наблюдение одного источника пульсирующего излучения вредно для человека, а наблюдение нескольких таких источников (например, ЖК-монитор и люминесцентная лампа) еще опаснее.
• 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 еще и воздействие на мозг.
• При частоте мельканий выше 300 Гц глубина пульсаций не имеет значения.

Нормы и правила

Теперь взглянем на нормативные документы, регламентирующие уровень пульсаций освещенности:

• «Естественное и искусственное освещение». СП 52.13330.2011, являющийся актуализированной редакцией СНиП 23-05-95.
• «Гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту». СП 2.2.2.1327-03.
• «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 с изменением и дополнением № 1 (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10).
• «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» СанПиН 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 освещенности, представлено в таблице.

Попробуем теперь разобрать подробно два самых жестких 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 идет о пульсациях светового потока, но ведь это прямо не указано. Также 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 освещенности относится только к газоразрядным лампам.

Таким образом, по сути, существует только один документ, обязывающий в помещениях с компьютерными мониторами использовать СУ, пульсации освещенности которых будут менее 5%. Ни о каких трех 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 ИП.

Достойным внимания производителей и потребителей можно считать используемый для люминесцентных ламп способ снижения пульсаций освещенности за счет их включения в три различные фазы сети. Применение этого способа к светодиодным ИП, построенным по однокаскадной схеме (совмещение ККМ и РН), с пульсациями выходных параметров на двойной сетевой частоте приведет к тому, что пульсации освещенности будут уже на безопасных 300 Гц. Это тем более любопытно ввиду появления проекта ГОСТ Р «Здания и сооружения. Методы определения коэффициента пульсации освещенности. Проект. Вторая редакция» [5], где коэффициент пульсаций освещенности 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 // Lighting Research and Technology. 1989. № 21.
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.
5. Проекты документов / НП Производителей Светодиодов и Систем на их основе. 2011. http://www.nprpss.ru/standarty/proekty-dokumentov.html (26.08.2012).