Изследване на видовете осветление - трептене, ефективност и комфорт

Качественото осветлението в офиса, магазина или у дома е сред най-важните фактори за ефективна работа и комфорт.
"Осветление като осветление" - казват си повечето хора, какво толкова му е различно и какъв е смисъла да се плаща за скъпи осветителни тела от "прехвалени" производители като Philips или Osram.
Доскоро и ние в RMania мислехме по този начин и в стремежа си за максимални икономии заложихме в нашия сервиз на евтино и икономично луминесцентно осветление с електромагнитно захранване (дросел и стартер).
Денят обаче значително се съкрати, а облачните дни станаха повече с идването на есента и работата на изкуственото осветление значително се увеличи.
Оказа се, че луминесцентното осветление не е подходящо за фините сервизни манипулации, поради видимото и дразнещо трептене на светлината, както и съпровождащият го стробоскопичен ефект. Използването на евтиното като техника, но скъпо като разход на електроенергия халогенно осветление бе финансово неприемливо за нас.
Затова малко извън основната ни дейност се наложи да се изявим и като "специалисти" по осветление. При изследването на негативното влияние на офисното осветление много ни помогнаха методиките, които прилагаме за изследване на трептенето на подсветката (CCFL или LED) на монитори и лаптопи, където има сходни проблеми.

Малко научно-популярна теория за управлението на луминесцентните лампи

За разлика от лампите с нажежаема жичка, луминесцентните лампи не могат да работят пряко с мрежовото напрежение от 220В, основните причини за което са:

• За запалване на луминесцентната лампа е необходим импулс от високо напрежение;
• Луминесцентната лампа има отрицателно диференциално съпротивление и след запалването и тока в нея многократно нараства. Ако той не се ограничи, лампата дефектира.

За справянето с тези проблеми, в луминесцентните лампи се използват баласти. Те биват два основни вида:

Електромагнитен (индуктивен) баласт. Състои се от дросел, включен последователно на лампата и стартер, включен паралелно. Това е най-разпространената схема на управление на луминесцентни лампи, особено в изостанали държави като България.

Стартерът - неонова лампа с биметален контакт и кондензатор

Предимството на лампа с такова архаично управление се изчерпва с ниската и стойност и уж по-високата надеждност, а недостатъците и са следните:

• Дълго време за стартиране (1-3сек. в зависимост от износването);
• По-висока консумация от алтернативната електронна схема за управление;
• Ниско-честотен шум (50Hz), генериран от дросела;
• Най-големият недостатък - трептене на лампите с удвоената мрежова честота (100Hz), което е вредно за зрението и то в значителна степен, поради което такъв вид осветление отдавна е забравено в развитият свят;
• Мигането на лампите с индуктивен баласт предизвиква стробоскопичен ефект и затова дори и в България е забранено за използване в производства, където има бързо движещи се обекти;
• При ниски температури лампи с това управление могат и въобще да не стартират.

Най-ефективен начин за намаляване на трептенето на  лампи с дросел и стартер е свързването им към трифазно напрежение, където всяка лампа трепти в различни периоди.

Електронен баласт. Това устройство подава на електродите на лампата не напрежение с мрежова честота, а такова с висока честота (до 20 000Hz), което елиминира видимото за зрението дразнещо трептене, както и стробоскопичният ефект.
При електронно управление с висока честота повече газ остава йонизиран, което значително подобрява ефективността на лампите - повече светлина при по-малко консумация.

Изследване на трептенето на осветлението чрез осцилоскоп

Споменахме по-горе, че лампите с дросел и стартер трептят с честота 100Hz. Защо 100, а не 50, колкото е честотата на мрежовото напрежение? Това е защото за един период на синусоидалния мрежов сигнал лампата светва на максимум два пъти - през положителния и през отрицателния полу-период. Честотата е само един от факторите за оценка на трептенето, защото амплитудата на това трептене е основният "дразнител" за зрението. Амплитудата при "студените" лампи е значително по-голяма от инертните "топли" лампи. Затова трептенето на нажежаема лампа с 100Hz е по-малко дразнещо от това на луминесцентен или LED лампа.
След като се запознахме с тези теоретични положения, нямаше как да не актуализираме осветлението в сервиза ни с електронно управление на лампите.
Модернизацията на класическата (за България) луминесцентна лампа с дросел и стартер към управление с електронен баласт става за минути, а място в корпуса предвиден за масивния дросел има достатъчно почти за всеки вид модерен баласт.
Използвахме следните електронни баласти, предназначени за лампи Philips, каквито имахме:

Използвайки софтуерен осцилоскоп (фотодиод към качествения микрофонен вход на IBM/Lenovo Thinkpad X61 Tablet) снехме следните осцилограми (обхват по вертикала 2,5 миливолта/деление):

Осцилограма от осветлението при електромагнитен баласт

Осцилограма от осветлението при електронен баласт

Виждаме от осцилограмите, че при едни и същи настройки на софтуерния осцилоскоп разликата в амплитудите на двата сигнала е огромна - явно трептящите с голяма амплитуда лампи при електромагнитен баласт, след модернизация с електронно управление показват почти права линия на графиката. 

Най-добре можете да видите разликата преди и след поставянето на електронния баласт на клипа в началото на статията. Клипа е заснет с Panasonic Lumix DMC-GH2 (ISO 3200, настройка на бялото за флуоресцентно осветление). 

След поставянето на електронния баласт бяхме изненадани не толкова от елиминирането на трептенето, който ефект очаквахме, колкото от значителното увеличение на светлината, излъчвана от лампите.

Сравнение на E27 компактни лампи

За сравнението между различните видове компактни лампи използваме софтуерен осцилоскоп, който е инсталиран на Thinkpad X61 Tablet.
Тествахме за трептене почти всички видове лампи, които се ползват за осветление:

• стандартна лампа с нажежаема жичка (75W, производител Osram, E27)
• лампа с нажежаема жичка в халогенен балон (52W, производител Radium, E27)
• китайска LED лампа (3W, E27)
• компактна луминесцентна лампа (20W, Osram Delux Value, E27)
• компактна луминесцентна лампа (20W, GE, E27)
• "куче марка" компактна луминесцентна лампа (15W, UFO, E27)

За всички компактни E27 лампи избрахме амплитуда за измерване на софтуерния осцилоскоп обхват по вертикала 1,5 миливолта/деление.

Лампата на Osram с нажежаема жичка трепти с не много висока амплитуда и с удвоената мрежова честота - 100Hz.

С малко по-голяма амплитуда трепти халогенната лампа. От друга страна меката светлина от такава лампа е много подходяща за спално помещение. Цените на брандираните халогенни лампи (Osram, Philips) не са ниски (5-8лв.), но наскоро купих от IKEA много по-евтини и засега отлично представящи се "крушки" с фирменото лого на магазина.

С двойно по-голяма амплитуда от неикономичните нажежаеми лампи трепти китайската LED "крушка" и наистина - светлината от това "творение" на китайската индустрия е много неприятна поради своето ясно различимо и без камера или осцилоскоп мигане. Тази LED лампа е подходяща за денонощно светене в коридори и мазета, но не и за работно място или помещение за отдих.

Китайското изпълнение на Osram ни изненада неприятно - трептене с немалка амплитуда, а очаквахме в тази лампа световноизвестната компания да постави поне елементарен електронен баласт. От друга страна лампата на Osram има много приятна топла светлина, която е трудно различима от халогенна лампа. Критика към този модел - две лампи изгарят за период от 2-3 месеца, което е по-малко дори от нажежаема лампа и предвид краткия си експлоатационен период тази лампа не би могла в никакъв случай да възвърне разходите си за покупка (около 10лв.) с икономия от електроенергия.

Друга реномирана компания GE ни предлага компактна луминесцентна лампа с аналогични параметри като сила на светене и консумация, но със значително по-малка амплитуда на трептене. Предвид по-ниската си цена от Osram, и не по-малко приятната светлина, тази лампа е доста по-добър избор за икономично домашно осветление.

Тази "куче марка" лампа UFO бе купена от голям хипермаркет (не помня кой) основно заради ниската си цена с предназначение - коридорно осветление. Изненадващо точно тази лампа засрами именитите си конкуренти, защото осцилограмата и показва най-малка амплитуда от всички тествани E27 "крушки". Тази лампа може да трепти минимално, но светлината и е доста студена и неприятна и за съжаление единственото и приложение е само коридорно осветление.

Допълнително

Ето как изглежда луминесцентна лампа Osram отвътре - електронно управление, което не намаля пулсациите на светлината.

"Дисекция" на Osram Delux Value 20W след края на жизнения и цикъл (само два месеца след покупката)

Така изглеждат различни халогенни лампи, които имат напълно еднакви характеристики на трептене на светлината.

Така изглеждат халогенните лампи на Radium, Philips и Ikea, произведени съответно във Франция, Полша и Унгария

Коя лампа не трепти?

Единственото осветително тяло, при което не засякохме трептене на светлината бе това:

Да - това е LED осветително тяло, което ви осигурява идеална за четене и отдих светлина без абсолютно никакво трептене. LED лампата има външен трансформатор, преобразуващ мрежовото променливо в постоянно напрежение. Тъй като това е продукт на реномиран производител, LED лампата свети в приятен за окото топъл цвят.

Заключение. В тази статия искахме да споделим с вас впечатленията си от различните типове осветление. И ако някога без причина на работното си място или в дома усетите главоболие, трудна концентрация или липса на комфорт, обърнете внимание на качеството на осветителните тела. Вредното мигане на неподходящото осветление лесно може да се долови чрез периферното зрение, също така можете да го установите и на дисплей на фотоапарат при подходящи настройки.

Очаквайте нашите статии за аналогичните проблеми при LCD дисплеите, където трептенето на подсветка е още по-вредна за човешкото зрение.
Предварително ви показваме как свети (трепти) дисплей с LED подсветка на лаптоп от висок клас, какъвто е Sony Vaio VGN-NW240F:

А ето по колко различен начин е реализирано управлението на подсветката в два настолни LCD монитора:

Добави в Svejo