فلیکر یا سوسوزدن منابع ال ای دی

فلیکر یا سوسوزدن منابع ال ای دی

آیا استاندارد ۱۷۸۹ IEEE یک معیار جدید برای سنجش Flicker در LED ها است؟

در طراحی نورپردازی عدم وجود Flicker(سو سو زدن) در سیستم نورپردازی و اثرات چشمک زدن منبع نور از اهمیت بسزایی برخوردار است. در واقع Flicker به عنوان یک نقص در سیستم روشنایی شناخته می شودحتی در فرکانس های بالا که فراتر از محدوده بصری قابل تشخیص می باشد هم، نباید Flicker نادیده گرفته شود. مطالعات نشان می دهد که این نوع از Flicker تاثیرات نامطلوبی بر بدن انسان دارد.

منظور از Flicker چیست؟

Flicker  به معنی تغییرات خیلی سریع درمیزان شدت روشنایی است که بسته به فرکانس آن ممکن است به صورت بصری قابل تشخیص باشد یا نباشد. در موارد استثنایی Flicker تا فرکانس تقریبی ۸۰ هرتز توسط چشم انسان قابل شناسایی است و این فرکانس اصطلاحا فرکانس ترکیب نامیده می شود. Flicker قابل درک توسط چشم انسان می تواند برای ناظر یک تجربه ناراحت کننده را به وجود بیاورد. حتی در موارد خاص در بعضی افراد این Flicker می تواند باعث به وجود آمدن حملات صرع حساس به نور بشود.

قدمت Flicker به اندازه قدمت منابع نور مصنوعی است.

در واقع با معرفی جریان برق متناوب ۵۰ هرتز در حدود سال ۱۹۰۰ میلادی، پایه ای برای به وجود آمدن Flicker  بنیان گذاشته شد. هنگامی که یک لامپ مستقیما توسط جریان متناوب با فرکانس ۵۰ هرتز راه اندازی می شود، به صورت متناوب ۱۰۰ بار در ثانیه روشن و خاموش می شود. البته این موضوع در عصر لامپ های با فیلامان کربنی و فیلامانهای رشته ای مارپیچی دارای اهمیت نبود. این مورد زمانی اهمیت پیدا کرد که لامپهای تخلیه الکتریکی در گاز توسعه پیدا کردند.با توجه به سطح پایین اینرسی گاز در مقایسه با فیلامانهای رشته ای مارپیچی، از زمانی که استفاده از بالاستهای القایی با فرکانس ۵۰ هرتز مرسوم شد Flicker برای افراد حساس از نظر بصری قابل رویت گردید. زمانی که استفاده از  بالاستهای الکترونیکی برای لامپهای تخلیه الکتریکی در گاز در ابتدای دهه ۸۰ میلادی متداول شد از آنجایی که این بالاستها  از فرکانس های عملیاتی ۳۰۰۰۰ تا ۴۰۰۰۰ هرتز استفاده می کردند این مشکل حل شده است.

با این حال از زمانی که استفاده از نیمه هادی ها برای مصارف روشنایی متداول گردید و از آنجایی که LED ها در مقایسه با لامپهای تخلیه الکتریکی در گاز دارای اینرسی پایین تری بودند، مشکل Flicker در یک مفهوم جدید ظاهر شد. نیمه هادی ها در زمان تقریبی ۳۰۰ میکرو ثانیه واکنش نشان می دهند. این واکنش سریع LED ها که توسط مدولاسیون پهنای پالس (PWM) کنترل می شود بدین معنا است که LED به صورت متناوب برای مدت زمان بسیار کوتاهی کاملا خاموش می شود و سپس مجددا کاملا روشن می گردد. با توجه به سرعت کمتر واکنش چشم انسان و همچنین لوکس متر های استاندارد این پروسه به مانند یک کاهش در میزان شار نوری منبع نور احساس می شود. معمولا فرکانس مورد استفاده در مدولاسیون پهنای پالس (PWM) منابع نوری LED بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ هرتز است.

غالبا برای کاهش هزینه های تولید، از درایورهای بسیار ساده ای برای راه اندازی LED ها استفاده می شود که در این صورت معمولا LED با فرکانس ۲ برابر فرکانس متناوب برق شهری استاندارد راه اندازی می شود (در اتحادیه اروپا ۱۰۰ هرتز و در آمریکا ۱۲۰ هرتز). در عین حال موارد تاثیر گذار نامطلوب دیگری نیز نظیر قطع برق، عملکرد معیوب درایور و همچنین عملکرد دیمر در ارتباط با LED وجود دارد. این موارد باعث می شود در اکثر اوقات Flicker در LED ها به وضوح قابل تشخیص باشد و حتی پس از خاموش کردن لامپ LED چشمک های منظم آن قابل مشاهده باشد.

استاندارد IEEE1789-2015

حتی فرکانس های بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ هرتز تاثیرات منفی بر روی بدن انسان دارند. IEEE1789 که در انتهای سال ۲۰۱۵ منتشر گردید ” مدولاسیون جریان آزمایش شده برای راه اندازی LED ها با شدت روشنایی بالا را جهت کاهش خطرات بهداشتی برای ناظر توصیه می کند”.

در سال ۲۰۰۸ یک کارگروه در IEEE تشکیل گردید که هدف آن مقابله با Flicker در منابع نور LED بود.در واقع IEEE قصد دارد که این توصیه ها را به عنوان مبنایی در استانداردهای نظیر CIE و IES پیشنهاد دهد.

فرکانس، شاخص Flicker و مدولاسیون

علاوه بر فرکانس که منجر به Flicker قابل تشخیص در کمتر از ۸۰ هرتز می شود پارامترهای دیگری نظیر شاخص Flicker (F1) و مدولاسیون (Mod%) به عنوان معیاری برای ارزیابی Flicker استفاده می شوند. شاخص F1 که در حال حاضر در برگه اطلاعات فنی (Data Sheet) بعضی از چراغها به آن اشاره شده است، نشان دهنده نوسانات کم در شکل موج است.بدین منظور یک مقدار متوسط برای یک دوره تناوب کامل شدت روشنایی در نظر گرفته می شود و سپس محاسبه می گردد که چند درصد از شکل موج در هر دوره تناوب در بالای مقدار متوسط در نظر گرفته شده است.

تصویر۱: نحوه تعیین شاخص F1 برای یک دوره تناوب(منبع: IEEE)

همچنین شاخص مدولاسیون که به عنوان کنتراست مایکلسون (Michelson Contrast) نیز شناخته می شود فاصله بین حداقل(مینیموم) و حداکثر(ماکسیمم) مقدار نوسان شدت نور در یک دوره تناوب را مشخص می کند.  بنابراین برای یک موج/ نوسان مستطیلی PWM کنترل کننده یک LED این مقدار برابر ۱۰۰% خواهد بود چون LED در طول دوره کامل موج جریان/ولتاژ به طور کامل روشن و خاموش می شود. با مقایسه یک لامپ هالوژن راه اندازی شده با  ولتاژ متناوب اصلی و یک لامپ LED راه اندازی شده با جریان مستقیم مشخص می شود که مقدار شاخص mod برای لامپ هالوژن تقریبا ۱۰ درصد است اما این مقدار برای لامپ LED عددی نزدیک به صفر است. (مقدار نوسان شدت نور لامپ هالوژن حدود ۱۰ درصد شدت نور کل است).

تصویر شماره ۲: مقایسه مدولاسیون یک لامپ هالوژن ولتاژ بالا (سمت چپ) و یک لامپ LED راه اندازی شده با جریان مستقیم (راست) (منبع:DIAL)

البته روش های دیگری برای توصیف دقیق شکل موج نظیر استفاده از سری فوریه وجود دارد که IEEE نیازی به استفاده از آن احساس نکرده است.

اندازه گیری در آزمایشگاه DIAL

با توجه به وجود طیف متنوع محصولات LED موجود در بازار از نظر فرکانس و مدولاسیون، ارزیابی دقیق از این محصولات امکان پذیر نیست. برای درک این تنوع گسترده محصولات، ویژگیهای Flicker دسته انتخابی از لامپهای تولید شده توسط تولید کنندگان مختلف در آزمایشگاه فتومتریک معتبر DIAL مورد بررسی قرار گرفته اند. این دسته های انتخابی عبارتند از

1. لامپ هالوژن ولتاژ بالا (۴۶ وات، ۷۰۰ لومن، با سرپیچ E27)
2. لامپ هالوژن ولتاژ پایین (۳۵ وات، ۶۲۰ لومن، ۳)
3. لامپ فلورسنت (۱۵ وات، ۸۲۰ لومن، ۲۵۰۰ کلوین، با سرپیچ E27)
4. لامپ LED (18 وات، ۱۵۲۱ لومن، ۲۷۰۰ کلوین، Dimmable، با سرپیچ E27)
5. لامپ LED (10 وات، ۸۰۶ لومن، ۲۷۰۰ کلوین، با سرپیچ E27)
6. لامپ LED (4 وات، ۲۳۵ لومن، ۲۷۰۰ کلوین، GU10)
7. لامپ LED (5 وات، ۲۵۰ لومن، ۲۷۰۰ کلوین، GU10)
8. لامپ LED (10.4 وات، ۳۰۰۰ کلوین، ۳۹۰ لومن، GU10)

تصویر شماره ۳:مقایسه شاخص مدولاسیون ۸ محصول مختلف با تصویر هر محصول در نمودار مورد نظر آن(منبع: DIAL)

تمام لامپها با استفاده از یک منبع ولتاژ تثبیت شده (با استفاده از استابلایزر) راه اندازی شده اند تا خطاهای ناشی از نوسان ولتاژ حذف گردد.همچنین محصولات تحت فرکانس ۱۰۰ هرتز مورد آزمایش قرار گرفته اند . همانطور که در نمودارها قابل تشخیص است پهنای باند نوسان شاخص مدولاسیون آنها بین ۱ تا ۹۰ درصد برای لامپهای مختلف متغیر است.

تاثیرات بر بدن انسان

تاثیرات و عوارض ناشی از Flicker به عوامل مختلفی بستگی دارد و برای افراد مختلف متفاوت است. IEEE1789 این تاثیرات را به دسته های مختلف اصلی تقسیم می کند و سپس با تجزیه و تحلیل آنها مشخص می کند که احتمال این که هریک از این تاثیرات منفی ناشی از Flicker اتفاق بیفتد چقدر است. طبقه بندی این تاثیرات بیشتر از همه بر اساس فرکانس می باشد زیرا در مورد تاثیرات آن تحقیقات بیشتری انجام گرفته و شناخته شده تر هستند. البته مدولاسیون هم نقش ایفا می کند اما در IEEE پیشنهادات اساسی در مورد آن ارایه نشده است. بر اساس دانسته های فعلی ما می توان بیان کرد که مدولاسیون در فرکانس های بالاتر معمولا نقش مهمتری دارد و تاثیر بیشتری می گذارد.همچنین شاخص Flicker هم توسط IEEE مورد توجه قرار نگرفته نشده است. به طور کلی تاثیرات اشاره شده به سه دسته اصلی تقسیم شده اند:

۱٫تاثیرات قابل تشخیص بصری

این مورد به Flicker با فرکانس تقریبی ۳ تا ۷۰ هرتز مرتبط است.اثر مستقیم این نوع از Flicker حتی اگر خیلی کوتاه مدت باشد، ایجاد تشنج برای افراد مبتلا به صرع حساس به نور می باشد که تقریبا ۰٫۱ درصد از کل افراد را در بر می گیرد. دراین حالت حد فرکانس ترکیبی و قابل احساس بین ۶۰ تا ۸۰ هرتز می باشد.حتی اگر افرادی که به این مورد حساس نیستند در طولانی مدت تحت تاثیر Flicker با فرکانس اشاره شده قرار بگیرند مبتلا به سردرد های شدید و اختلال در بینایی می گردند.

البته هر چراغی که با فرکانس ۵۰ هرتز کار می کند منجر به این مشکل نمی شود.محرک های بصری بین ۱۵ تا ۲۰ هرتز به احتمال زیاد باعث ایجاد حمله های صرع می گردند. همچنین مدولاسیون، محدوده دید ، شدت روشنایی و رنگ نور منبع روشنایی نیز تاثیر گذار هستند. یک مثال خیلی معروف در این زمینه که از آن به عنوان “حادثه PoKemon” نام برده می شود مربوط به یک سریال تلویزیونی انیمیشن به نام Pokemon است که در سال ۱۹۷۷ از تلویزیون ژاپن پخش میشد. در یک قسمت از این سریال یک توالی از محرکهای بصری بسیار قوی وجود داشت که چهار دقیقه طول می کشید. در طول این زمان چهار دقیقه ای تصویر از آبی به قرمز با فرکانس تقریبی ۱۲ هرتز تغییر می کرد. در اثر پخش این قسمت تعداد ۷۰۰ مورد حملات صرع گزارش گردید که ۶۵۰ مورد از آنها کودکان بودند. البته با کاهش شدت روشنایی خطر ابتلا به اختلالات صرع نیز کاهش پیدا می کند. همچنین در محدوده بینایی مزوپیک (mesopic) و اسکوتوپیک (scotopic) یعنی در زمانهایی نظیر شب و سپیده دم و غروب، عملا این خطر از بین می رود چون در این حالات فرکانس ترکیبی فلیکر به ۱۵ یا ۶ هرتز کاهش می یابد.

2. تاثیرات ناخودآگاه Flicker

در فرکانسهای بالاتر از حد فرکانس ترکیبی ، Flicker قابل تشخیص توسط سیستم بینایی نیست اما به صورت ناخودآگاه بر روی سیستم عصبی تاثیر می گذارد. این مورد به این دلیل است که اعصاب بینایی و قشر مغز می توانند محرکهای تا ۱۶۰ هرتز را بسته به مدولاسیون و شکل موج تشخیص دهند. حتی در شبکیه چشم خود محرکهایی تا فرکانس ۲۰۰ هرتز قابل شناسایی است. اثرات اثبات شده این نوع Flicker سردرد و حملات میگرنی و خستگی است. همچنین مطالعات دیگر نشان داده است که تاثیراتی نظیر کاهش توانایی خواندن و کاهش عمومی بینایی نیز به دلیل اختلال در حرکت افقی چشم ها به وجود آمده است. در یک مطالعه افزایش خطر سردرد حتی در فرکانس ۱۰۰ هرتز و مدولاسیون ۳۵ درصد مشاهده گردید. از اثرات جانبی این پدیده نیز می توان به ایجاد یک تغییر و جابه جایی (Shift) در آستانه درک Flicker آگاهانه اشاره کرد. در واقع این طور به نظر می رسد که اگر در معرض این نوع Flicker قرار گرفتن طولانی تر شود آستانه درک Flicker آگاهانه بالاتر می رود.

۳٫خطرات ناشی از تاثیرات سوسو زدن بسیار سریع

سوسو زدنهای سریع نور تا فرکانس تقریبی ۲٫۵ کیلو هرتز تاثیر گذار است.در بالاتر از این فرکانس مثل قطعات در حال چرخش با سرعت بالا که به نظر ثابت می آیند و ریسک آسیب دیدگی ناشی از دست زدن به انها بالا می رود، تاثیرات کاهش می یابد. به همین منظور به شدت توصیه می شود که LED ها با فرکانس بالای ۳ کیلو هرتز راه اندازی شوند چون در این وضعیت هیچ تاثیر منفی بر بدن انسان تشخیص داده نشده است.در پایین متن یک مقدار آستانه فرموله شده به صورت یک نمودار که بر اساس تناسب فرکانس و مدولاسیون رسم شده است وجود دارد (تصویر شماره ۴). اساسا مستقل از عملکرد فرکانس، تغییرات مدولاسیون باید تا حد ممکن آهسته باشد و البته با افزایش فرکانس تلورانس بیشتری برای تغییر مدولاسیون در نظر گرفته می شود. این نمودار که تابعی از فرکانس و مدولاسیون است در تصویر زیر قابل مشاهده است:

از تمام تاثیرات Flicker بر بدن انسان تنها تاثیرات فرکانس و مدولاسیون مورد بررسی قرار گرفته اند که برای اولی (فرکانس) این بررسی کامل است و برای دومی (مدولاسیون) تنها یک بررسی پایه ای انجام شده است. با این حال بررسی ها نشان می دهد که شکل موج نیز می تواند اثر گذار باشد. بنابراین ممکن است که در آینده پارامترهای و مقادیر کلیدی دیگری نیز به دست آیند. در واقع هدف IEEE از این تحقیقات به وجود آوردن اطلاعات پایه ای برای استانداردهای قابل تدوین در آینده و تشویق به انجام تحقیقات بیشتر و گسترده تر در این زمینه می باشد.

نتیجه گیری

در مورد تاثیرات منفی Flicker منابع نور LED هیچ شکی وجود ندارد. هر دو پارامتر فرکانس و مدولاسیون باید در برگه اطلاعات فنی لامپها و چراغها موجود باشند حتی اگر این دو پارامتر به تنهایی تمام تاثیرات منفی Flicker بر بدن انسان را نشان ندهند. نباید فراموش کرد که حتی محدوده فرکانس ۱۰۰ تا ۴۰۰ هرتز که بسیاری از چراغها و لامپهای LED امروزه بر اساس آن کار میکنند می تواند بر بدن انسان تاثیرات منفی بگذارد حتی اگر Flicker در این محدوده فرکانسی از نظر بصری قابل تشخیص نباشد.

راه حل اساسی استفاده از منابه نور بدون Flicker است مانند نوری که طبیعت به عنوان نور روز فراهم می نماید. تحقیقات بیشتری در این زمینه باید انجام شود و معیارها و استانداردهای جدیدی باید در آینده در این زمینه تدوین شود.IEEE1789 یک آغاز در این زمینه می باشد. تولید کنندگان و طراحان روشنایی و نورپردازی باید همواره در تلاش باشند تا در تولید محصولات جدید و نصب این محصولات توصیه های اشاره شده در IEEE1789 را در نظر بگیرند.

در نمایشگاه Light&Building 2016 مشخص شد که بسیاری از تولید کنندگان در حال حاضر آگاهی ابتدایی در مورد مشکل Flicker دارند. در بسیاری از موارد در نمایش محصولات به صورت گرافیکی به این موضوع توجه شده بود و حتی در اطلاعات ارایه شده برای بعضی از محصولات پارامترهای فرکانس و مدولاسیون قابل مشاهده بود.

منبع: وبسایت DIAL

https://www.dial.de/en/blog/article/ieee-1789-a-new-standard-for-evaluating-flickering-leds/