Коэффициент пульсации освещенности в осветительных установках. Метод расчета.
Пульсации светового потока возникают при питании источников света переменным или импульсным током. Человек зрительно различает пульсации светового потока с частотой, меньшей критической частоты слияния мельканий, лежащей в диапазоне от 35 до 60 Гц в зависимости от области сетчатки глаза, воспринимающей излучение: для фовеальной области КЧСМ составляет 40…55 Гц, для парафовеальной она возрастает до 55…60 Гц, на крайней периферии снижается до 35…40 Гц. Таким образом, пульсации светового потока сильнее заметны периферическим зрением.
Сергей Котов
, Выпускник кафедры «Светотехника и источники света» Московского энергетического института. Инженер-проектировщик ООО «СТК «ГЕЛИОСИТИ». Опыт работы по специальности с 2007 года. Принимал участие в реализации проектов освещения объектов ОАО «Северсталь» и ОАО «АК «Транснефть», цехов Калужского турбинного завода, Кирсинского кабельного завода и др.
Данная статья представляет собой лишь теоретическую часть, в которойописывается метод расчета коэффициента пульсации освещенности. Вторая часть статьи — практическая и представляет собой онлайн калькулятор коэффициента пульсации освещенности для осветительной установки на светильниках с различными источниками света.
Видимые глазом пульсации вызывают явное раздражение, но также отрицательное влияние на зрительную работоспособность и нервную систему оказывают неразличимые органом зрения пульсации светового потока, имеющие частоту до 300 Гц. К наиболее опасным последствиям высоких пульсаций светового потока относится возникновение стробоскопического эффекта – иллюзии неподвижности или замедленного движения вращающихся объектов, что может привести к производственным травмам. Повышенная зрительная утомляемость и опасность травматизма диктуют необходимость нормировать коэффициент пульсации светового потока, который в итоге и влияет на коэффициент пульсации освещенности на объекте Кп.
Что такое коэффициент пульсации освещенности
Под этим термином подразумевается относительная глубина колебаний освещенности ламп или светильников, возникающая во время работы оборудования при его питании переменным током. По сути, это показатель изменения яркости, который присущ тому или иному виду оборудования и влияет на комфорт выполняемой работы. При превышении регламентных показателей работоспособность снижается, причем, чем дольше пульсация влияет на зрение, тем выше утомляемость.
Допустимое значение зависит от типа выполняемой работы и зрительного напряжения, которое требуется в конкретной ситуации. Большинство норм были установлены, исходя их возможностей осветительного оборудования, используемого в середине прошлого века. В тот период нормы составляли 10, 15 или 20%, некоторые из них используются до сих пор, другие стали жестче и изменились в меньшую сторону.
Во всех помещениях, в которых используется компьютерная техника или установлены дисплеи, показатель пульсации освещенности не должен превышать 5%.
Рассматриваемый коэффициент возрастает, если для регулировки яркости света используются диммеры. Причем, изменения наблюдаются только у устройств, работа которых основана на принципе широтно-импульсной модуляции. Имеет значение и частота, если она ниже 300 Гц, то влияние особенно заметно.
Если освещение питается от переменного тока с промышленной частотой, составляющей 50 Гц, частота пульсации вычисляется в удвоенном значении, поэтому равна 100 Гц. Зрительно определить пульсацию в этом случае невозможно. Поэтому для контрольных замеров применяют специальные приспособления — пульсметры. Чаще всего это не отдельное устройство, а универсальное оборудование, совмещенное с люксметром. В 2012 году был введен ряд стандартов, касающихся средств измерения и их поверки, поэтому все приспособления должны соответствовать установленным нормам.
Для рабочего места с компьютером пульсация света строго регламентируется.
Как перевести люксы в люмены
Однако, если известно нужное значение освещенности в люксах и площадь освещаемой поверхности, можно подсчитать требуемую величину светового потока в люменах. При этом следует понимать, что подсчет будет выполнен со многими допущениями, так как приблизить условия его выполнения к физически идеальным не представляется возможным. При подсчете следует принять, что:
- источник света располагается в центре;
- освещенность равномерна на всей площади, что практически невозможно;
- на всю площадь поверхности свет падает под одинаковым углом;
- поверхность освещается изнутри мысленной сферы, предполагаемой вокруг источника.
Для того, чтобы получить значение в люменах, нужно норму в люксах умножить на значение площади, нуждающейся в освещении.
Площадь пола и потолка составит: 10 х 10 = 100 м². Площадь каждой стены: 4 х 10 = 40 м². Теоретически с допущением на равномерное освещение и расположение источника, равноудаленного от всех точек поверхности, задача решается так: 300 лк х (4 х 40 + 100 + 100) м² = 300 х 360 = 108 000 лм. Если это астрономическое значение «перевести» в обычные 100-ваттные лампы накаливания, то потребуется всего лишь… 72 штуки.
Практический подход будет другим. Совершенно не нужно освещать потолок — рабочие места сотрудников находятся внизу. Более того, конструкция многих потолочных светильников делает невозможным распространение света вверх. Значит из вычислений нужно убрать площадь потолка:
300 лк х 260 м² = 78 000 лм.
Современные потолочные светильники со светодиодами могут выдавать 5000 люменов. Соответственно их потребуется 16 штук (78 000/5000) с округлением до целого числа.
Это количество можно снизить. Согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 замер освещенности производится над рабочей поверхностью, а также в контрольных точках, удаленных от стен и световых проемов на 1 м. Достаточно разместить осветительные приборы над рабочими местами сотрудников. Математически уменьшив геометрические характеристики пола на 1 м с каждой стороны, получим:
300 лк х (160 + 64)м² = 300 х 224 = 67200 лм. Что в потолочных светильниках составит: 14 штук с округлением до целого числа.
Watch this video on YouTube
Нормы и требования к частоте пульсации
Тут все зависит от типа используемого оборудования и особенностей его подключения. Стоит отметить, что самые высокие показатели пульсации света, превышающие 30% присущи электромагнитным ПРА и газоразрядным лампам, работающим от однофазной линии. Поэтому их чаще всего используют для уличного освещения и мест, в которых не требуется постоянное зрительное напряжение.
Кстати! Вопреки сложившемуся мнению пульсация присуща и стандартным лампам накаливания. Когда они работают от однофазной питающей сети, показатель может составлять до 15%.
Отдельного внимания требует светодиодное оборудование. Принцип его работы отличается от стандартных вариантов, показатель зависит от схемотехнических особенностей используемого в системе блока питания. Во многих дешевых изделиях для снижения себестоимости на выходе вместо постоянного напряжения подается выпрямленный ток с промышленной частотой, что приводит к тому, что пульсация может достигать отметки в 30%.
При покупке светодиодного оборудования надо обязательно запрашивать у производителя или поставщика техническую документацию со всеми основными показателями, включая пульсацию света. Причем, необходимо изучать данные о каждом продукте отдельно, даже если они похожи по характеристикам. Нередко бывает, что рабочие показатели у двух почти одинаковых светильников сильно различаются.
Не стоит забывать и о том, что показатели пульсации существенно увеличиваются при использовании в системе диммеров с частотой до 300 Гц. Лучше использовать варианты с показателями, превышающими 400 Гц. Также стоит отметить, что если частота питания более 5 кГц, то показатели мерцания снижаются до 1%.
В качественных светодиодных лампах показатели пульсации минимальны.
Этот вариант особенно хорошо работает со стандартным и компактным люминесцентным оборудованием. Благодаря современным технологиям на них можно подавать питание с частотой свыше 25 кГц, что позволяет обеспечить минимальное мерцание света без дополнительных устройств.
Норма пульсации освещенности зависит от источника света и количества фаз, к которым подключается оборудование. Основные коэффициенты для самых распространенных ламп таковы:
- Лампы накаливания при подключении к однофазной линии должны обеспечивать коэффициент мерцания в пределах от 10 до 15%, двухфазной – от 6 до 8%, трехфазной – 1%.
- Люминесцентные лампы ЛБ, работающие от одной фазы — 34%, двух – 14,4, трех – 3%.
- Люминесцентные лампы ЛД, присоединенные к однофазной линии – 55%, двухфазной – 23,3, трехфазной – 5%.
- Ртутные дуговые лампы при работе от однофазного напряжения должны обеспечивать коэффициент мерцания не более 58%, двухфазного – 28%, трехфазного – 2%.
- Металлогалогенные источники света при работы от одной фазы должны соответствовать норме коэффициента мерцания в 37%, двух фаз – 18%, трех фаз – 2%.
- Натриевые лампы высокого давления, работающие от однофазной линии – 77%, двухфазной – 37,7%, трехфазной – 9%.
Натриевые лампы имеют большой коэффициент пульсации, поэтому используются в основном для уличного освещения.
Внешняя характеристика
Внешняя характеристика вторичного источника питания — это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки: U
=
f(I
). Вторичный источник питания обычно представляется генератором постоянного напряжения
U
0xx (холостого хода) с внутренним сопротивлением
R
вых. Эта схема приведена на рисунке 4.
По этой схеме можно определить напряжение на зажимах источника питания: U
=
U
0xx −
IR
вых. Типовая внешняя характеристика источника питания приведена на рисунке 5 и обычно имеет падающий характер.
Падение напряжения определяется выходным сопротивлением источника питания, поэтому по внешней характеристике можно определить его выходное сопротивление:
это сопротивление обычно нелинейное, поэтому его находят при заданном рабочем токе. У стабилизированного источника питания выходное сопротивление может быть достаточно мало, и тогда внешняя характеристика принимает вид, показанный на рисунке 6.
Выходное сопротивление источника питания существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько блоков (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника при Rвых≠0 приводит к электрической связи между несколькими нагрузками. Эта ситуация иллюстрируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.
Причины стробоскопического эффекта
Стробоскопический эффект – явление искажения восприятия движущихся или вращающихся элементов оборудования. Это часто можно заметить на вращающемся шкиве токарного станка, при определенных условиях создается иллюзия, что он стоит на месте или крутится в обратную сторону. Явление наблюдается в случаях, когда частота переменного тока, питающего светильник, получается кратной частоте вращения оборудования или механизмов.
Чаще всего подобное явления можно наблюдать в производственных помещениях, освещаемых люминесцентными лампами. По сути, из-за переменной подачи электроэнергии получается так, что период включения и выключения лампы накладывается на периодичность вращения механизма.
Из соображений безопасности все производственные помещения ранее освещались лампами накаливания, так как у них показатель мерцания намного ниже, что сводило к минимуму опасность стробоскопического эффекта. В современных условиях лучшим решением стали светодиодные светильники, но только при условии использования качественного оборудования с блоками питания, подающими постоянный ток.
Пример того, какой стробоскопический эффект могут давать низкокачественные светодиодные лампы.
Единица измерения
Освещенностью называют световую величину, которая равно потоку света, падающему на поверхность, к его площади. Считается прямо пропорциональной световому источнику. Отличается равномерным распределением на площади. Находится делением канделовой силы света на расстояние до светоисточника и перемноженного на косинус угла падения солнечных лучей.
Обратите внимание! Измеряется согласно международной классификационной системе в люксах, что равно десяти фотам или одному люмену на один квадратный метр. Поэтому единицей измерения освещенности является именно люкс
Стоит отметить, что его можно перевести в канделу и ватт.
Основная измерительная единица люкс
Кандела
Кандела, что в переводе с английского свеча, является единицей измерения силы светоисточника по международной единичной системе. Была сформирована в 1979 году. Равна 540⋅1012 Гц или 683 лм/Вт. Измеряется в канделах разные светоисточники, к примеру, лампа накаливания со свечой, сверхъярким светодиодом, люминесцентной лампой и солнцем. Дополнение: примерная солнечная сила в канделах равна 2,8⋅10, что в переводе на ватты 3,83⋅1026
Кандела
Люмены и люксы
Люмен является единицей измерения, которая равна потоку солнечного света, который испускает источник, равный канделе и стерадиану. В люменах измеряется весь светопоток, однако при вычислении не учитывается сила линзы с отражателям, поэтому получающийся показатель — не прямой параметр оценки яркости с КПД источника.
Люкс — измерительная подъединица люмена по СИ. В отличие от люмена, люкс дает оценку светового потока, который падает на квадратный метр. Тот же дает понимание того, какой световой поток у светоисточника.
Обратите внимание! То есть люкс это характеристика, которая позволяет узнать КПД светильника на конкретной площади. Чтобы лучше понять их основное отличие, стоит рассмотреть рисунок
Он наглядно показывает, как при увеличении высоты расширяется освещение и как убывает яркость
Чтобы лучше понять их основное отличие, стоит рассмотреть рисунок. Он наглядно показывает, как при увеличении высоты расширяется освещение и как убывает яркость.
Люмен и люкс в качестве измерительной единицы
Люмен и ватт
Как было изложено выше, люменом называют полноценное число света от светоисточника. Ватт — показатель того, какая мощность, тепловой поток, звуковая энергия и полная мощность электротока или излучения у прибора. Один ватт равен 100 люменам. Перевод самостоятельно можно осуществить по специальным формулам или с содействием калькуляторов. Нередко все необходимые показатели даны на самом приборе.
Стоит отметить, что самыми лучшими показателями обладают современные светодиоды. Они имеют высокую яркость, гармоничное спектровое распределение, долговечность, устойчивость к разного рода воздействиям. Интересно, если взять приборы с одинаковой освещенностью, то ими будет потребляться в десять раз меньше электрической энергии, чем лампами накаливания.
Обратите внимание! Учитывая реальный срок службы и сниженные эксплуатационные инвестиционные расходы, то покупка этих изделий будет экономически целесообразной. Перевод люмена в ватты
Перевод люмена в ватты
Кратные единицы
Чтобы было удобно, люменные единицы разбирают на части. Так, есть килолюмены, мегалюмены и гигалюмены. В одном килолюмене 1000 люмен, мегалюмене — 1000000, а гигалюмене — 1000000000. Также есть еще величины с приставками дека, гекто, тера,пета, экса, зетта и иотта.
Дольные единицы
К дольным величинам применяется тот же подход. Базовыми являются миллилюмены, микролюмены и нанолюмины, которые равны 10 в −3 степени, 10 в минус 6 степени и 10 в минус 9 степени. Также имеются приставки деци, санти, пико, фемто, атто, зепто и иокто. Стоит отметить, что дольные, как и кратные величины используются только в профессиональных условиях и при выполнении физических задач. В жизни не используются для расчетов меры освещенности и прочих параметров.
Влияние пульсаций на организм человека
Это явление было замечено достаточно давно, самые масштабные исследования проводились в середине прошлого века. Согласно результатам, любая световая пульсация с частотой до 300 Гц оказывает негативное влияние на организм человека.
Если постоянно находиться в помещении с некачественным светом, будет меняться суточный гормональный ритм. Кроме того, если мерцание имеет частоту до 120 Гц, человеческий мозг реагирует на постоянные изменения и постоянно пытается обработать поступающую информацию на подсознательном уровне.
Из-за длительного напряжения люди намного быстрее и сильнее устают. Теряется концентрация, снижаются умственные способности. Также это влияет на тех, кто занимается интеллектуальным трудом – из-за высокой загрузки мозга принимать решения и проводить исследования намного сложнее, эффективность снижается в разы.
Если мерцание превышает 300 Гц, оно никак не воздействует на людей и не перегружает их мозг. Стоит ориентироваться на этот показатель при выборе оборудования.
Способы снижения пульсации освещения
Тут может быть несколько путей решения. Все зависит от особенностей помещения и типа используемых приборов, чаще всего используют такие методы:
- Подключение светильников к двух- или трехфазной линии попеременно. За счет сдвига напряжение подается неравномерно и мерцание снижается.
- При питании от трехфазной линии количество светильников должно быть кратно трем, двухфазной – двум.
- Замена устаревшего оборудования на современное светодиодное.
- Использования люминесцентных ламп с современным блоком питания на 5 кГц или выше.
В видео обсуждается влияния световых пульсаций на безопасность участников дорожного движения.
Контролировать пульсацию освещения надо обязательно. Она влияет на комфорт пребывания человека, его утомляемость, а в производственных помещениях от этого показателя зависит безопасность.
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 и СП 52.1333.2011
В России требования к качеству освещения регламентируются нормативными документами. В частности, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 устанавливает гигиенические требования к освещению в жилых и общественных зданиях. В жилых комнатах светодиодные лампы должны обеспечивать уровень освещённости не менее 150 Лк. Коэффициент пульсации при этом не нормируется. В общественных непроизводственных зданиях санитарные нормы устанавливают значение Кп в пределах 10-20%.
В своде правил СП 52.1333.2011 большое внимание уделяется нормам искусственного освещения всех типов сооружений, селитебных зон и производственных площадок. В нормативном документе отдельно оговорены требования к светодиодным источникам света. В зависимости от степени напряженности работы в нём приведены допустимые значения коэффициента пульсаций и освещенности.
