Пульсации яркости: факты, механизмы и нормы
Пульсации светового потока источников света ограничиваются санитарными нормами, и с каждым годом уменьшаются. А на пульсации яркости экранов санитарных норм нет. При том, что в мониторы и телефоны люди уже смотрят дольше, чем на офлайн-сцены.
Разберемся, как и на что влияет пульсация яркости наблюдаемых сцен, и как в действительности пульсируют источники света и экраны.
Механизм воздействия пульсаций яркости на здоровье человека
Энцефалограмма человека с характерным пиком на частоте пульсирующего освещения еще с 60-х годов публиковалась как доказательство вредного действия пульсаций освещенности на нервную систему.
Слева — контрольная ЭЭГ, справа — с пиком на частоте 120 Гц при включении освещения, пульсирующего с частотой 120 Гц.
Сегодня же, по мнению нейрофизиологов, навязывание нервной системе высокочастотного дополнительного ритма повредить не может. Картинка всего лишь показывает восприимчивость нервной системы к пульсациям освещенности. Вылезает на ЭЭГ пик с частотой изменения значимого параметра окружающей среды — молодец, здоров!
Однако, при длительной напряженной зрительной работе выраженные пульсации освещения действительно вредны, так как мешают движению взгляда.
Застывший взгляд слеп, чтобы видеть, нужно взгляд перемещать. Движение взгляда по лицу одной из самых красивых женщин в истории, Альфред Ярбус, 1965г.
Взгляд человека перемещается скачкообразно — саккадами. Пульсации на частотах 100 Гц и более сознанием не воспринимаются, но провалы освещенности в короткий миг перескока мешают взгляду «зацепиться» за новую точку.
Один и тот же эффект проявляется при быстром движении объекта (карандашный тест), сдвиге фотоаппарата, и быстром перемещении взгляда: наблюдатель видит прерывистый след из фантомов освещенных объектов. Это затрудняет перемещение взгляда на намеченную цель, саккады становятся более частыми и хаотичными.
Появление фантомов перемещающихся объектов при пульсирующем освещении.
Наиболее полным и достоверным обобщением современных данных о влиянии пульсаций освещения на здоровье человека является документ «IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers». Исследования, на которые ссылается документ, показывают следующее:
IEEE вводит следующие критерии уровней риска:
Отечественные стандарты нормируют «просто пульсации» на частотах до 300 Гц, и это правильно, так как заставить миллионы людей учитывать спектральные особенности пульсирующего освещения нереально, хорошо бы учли хоть одну цифру.
Но одной цифры все равно не получилось, санитарные нормы еще со времен СССР регламентируют уровень пульсаций в разных ситуациях не выше 20 %, 15 %, 10 % и 5 %. И со временем количество нормативных документов, указывающих в каких случаях допустимы какие пульсации, становится только больше.
Но во внегосударственных стандартах можно и нужно использовать упрощенные нормы. Достаточно принять, что в местах постоянного пребывания людей допустимы пульсации не выше 3 %. Это и обосновано, и заведомо соответствует всем санитарным нормативам, и в большинстве случаев выполняется автоматически.
Еще пять лет назад добиться пульсаций яркости, например, светодиодного светильника, менее 15 % было чрезвычайно трудно. И сегодня попадаются экземпляры с уровнем пульсаций в десятки процентов, особенно часто среди малогабаритных ламп (типа G9 и т.п.) из-за трудностей размещения полнофункционального драйвера в столь в малом объеме да еще и за малые деньги. Но для типичного современного добросовестно изготовленного светодиодного светильника пульсации освещенности на уровне 1-2 % — норма. И превосходная норма!
Но не стоит быть перфекционистом. Требовать сегодня уровень пульсации 0,5 % и менее — значит напороться на завышенную цену, а подчас и на обман. Неоправданно дорого производить что-то идеальное, это подтвердит любой разработчик. Покупатель же общается не с разработчиком, а с менеджером, чья работа обещать «— да, конечно, у нас ровно то, что вам нужно».
Реальные значения пульсаций яркости
В 2015 году я в должности и.о. главного редактора журнала «Светотехника» курировал исследование фактических параметров светотехнических приборов рынка. В том числе я передал в LampTest.ru 5 штук обследованных в аккредитованной лаборатории лампочек, и убедившись, что результаты измерений AlexeyNadezhin совпадают с нашими, включили в статистику данные по более чем четыремстам лампочкам из его проекта.
И со студентами кафедры Светотехники МЭИ измерили спектр и глубину пульсаций 111 разных моделей мониторов найденных в комнатах общежития МЭИ. В работе использовали внесенный в реестр средств измерений и поверенный люксметр-яркомер-пульсметр «еЛайт02».
Типичный уровень пульсаций уличных натриевых светильников — около 30 %. Типичный уровень пульсаций светильников с люминесцентными трубчатыми лампами 4×18 с «классическим» ЭМПРА, стоящих в большинстве учреждений и учебных заведений — более 40 %.
Типичный люминесцентный светильник пульсирует на удвоенной частоте сетевого напряжения 100 Гц с глубиной пульсаций более 40 %.
Лампы накаливания пульсируют меньше люминесцентных, но тоже будь здоров. Данные LampTest согласуются с данными, полученными прямым измерением в лаборатории компании Эко-Е ее техническим директором Сергеем Мамаевым, куда я для измерений привез сумку разнообразных лампочек накаливания, купленных в крупных сетевых магазинах. С ростом мощности свечение нити накаливания становится более инерционным, уровень пульсаций падает, но все равно остается выше приемлемого значения.
Пульсации светового потока ламп накаливания разных мощностей. Здесь и далее зеленым выделен заведомо безопасный уровень по критериям IEEE.
Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) пульсируют примерно вдвое меньше ламп накаливания (6-10% против 15-20%). Светодиодные лампы бывают двух разновидностей — большая часть очень хороша, меньшая пульсирует как угодно вплоть до 100 % (ужас-ужас). Светодиодные светильники всех мастей большей частью хороши, пульсации низкие.
Коэффициент пульсации исследованных КЛЛ (а), СД ламп (б) и офисных светодиодных светильников, уличных и промышленных светодиодных светильников (г).
В 2016-2017 годах я совмещал должность руководителя производственной светотехнической лаборатории и измерил множество светильников разных производителей. Сегодня уровень пульсаций светодиодного светильника выше 10 % вызывает удивление. Значения до 3 % — фактическая норма.
И эти изменения произошли стремительно. Недавно попали в руки БУ-шные экземпляры одного из лучших трековых светильников для освещения музеев — ERCO. Эффективность около 90 лм/вт при КЦТ=3000 К и Ra=90 — уровень для ERCO двух-трехлетней давности, но приемлем и сегодня. Но что такое: поворачиваю гониометр со светильником и вижу на экране свистопляску, проверяю уровень пульсаций — более 30 %. Породистые источники питания Tridonic из этих светильников придется выкидывать и заменять на любые современные с пульсацией
Ну и самое интересное — пульсации яркости экранов мониторов. Наиболее жестко уровни пульсаций отечественные нормативы ограничивают в помещениях с дисплеями из-за следующего обстоятельства: если освещать сцену одновременно двумя пульсирующими на разной частоте источниками, на нервную систему воздействуют и обе эти частоты и целый букет их производных, включая низкочастотную разницу. Еще в СССР не знали как бороться с пульсацией яркости мониторов и привычно «завернули гайки» светотехникам.
Пульсация яркости мониторов и экранов вызвана ШИМ-регулировкой подсветки, поэтому на 100 % яркости пульсация как правило равна нулю, и при уменьшении яркости растет. Для примера у монитора AOC i2769vm при максимальной яркости пульсации отсутствуют, при 95% яркости пульсации составляют 8,5%; при половинной яркости (см. рисунок ниже) достигают 100%; а при яркости меньше половины глубина пульсаций все также 100%, но между вспышками света появляются паузы темноты.
Характер пульсаций яркости экрана AOC i2769vm. Здесь и ниже приведены скриншоты программы Эколайт-АП
Типичный пример характера и спектра пульсаций экрана смартфона на примере Samsung S7 Edge — при понижении яркости пульсации растут с 5 % до 69 %, и с 60 Гц на 241 Гц меняется частота основной гармоники. Возможно изменение частоты связано с конструктивной особенностью самосветящихся AMOLED-экранов. Отметим, что повышение частоты по критериям IEEE не вывело параметры пульсаций экранов из опасной зоны.
Форма (вверху) и спектр пульсации (внизу) яркости экрана Samsung S7 Edge при уровнях яркости 100 % и 50 %.
Поэтому перед измерениями для статистики яркость мониторов и экранов смартфонов выставлялась на 50 %. Результаты катастрофические. В зеленую и даже в желтую зону попала лишь незначительная доля экземпляров. У части экранов основная гармоника на частоте менее 70 Гц, что по данным IEEE приводит к выраженным недомоганиям, головным болям и даже эпилептическим припадкам.
Частота и глубина пульсации экранов мониторов, ноутбуков и носимой электроники.
Является ли пульсация экрана телефона катастрофой? Нет, но при чтении желательно выставлять яркость на 100 %, а в транспорте смотреть не в телефон, а на девушек.
Примечание 1: Пост является популярным изложением результатов, опубликованных в Оптическом журнале на русском языке и в OSA publishing на английском языке.
Примечание 2: Если вы в Москве, и имеете доступ к большому объему включенных мониторов и телефонов (шоурум магазина электроники?), предлагаю все ваши устройства перемерить.
Коэффициент пульсации света и ухудшение здоровья — мифы и правда.
Одной из самых главных страшилок, которыми нас пугают специалисты по традиционному и светодиодному освещению, является так называемая пульсация света.
Данному явлению особо подвержены некачественно собранные и дешевые экземпляры светильников. Характеризуется такой параметр коэффициентом пульсации.
Если покопаться поглубже в этом вопросе, то окажется что не все пульсации одинаково вредны. Некоторые из них можно даже игнорировать и не измерять.
Впервые процесс влияния пульсаций света на организм человека был подробно изложен в журнале «Светотехника» в далеком 1963-м году. Суммируя изложенный в ней материал, можно сделать некоторые выводы.
Например, пульсации света имеющие частоту до 300Гц, действительно оказывают негативное влияние на наш организм.
Вот вам наглядный эксперимент и результаты ЭЭГ головного мозга. В первом случае (рисунок А) — человек сидит в затемненной комнате, а во втором (рисунок Б) — он находится в помещении с пульсирующими лампами частотой 120Гц.
Посмотрите на ненормальные пики активности и представьте как это сказывается на биоритмах и вашем общем самочувствии.
И соответственно никакого влияния на него не оказывают.
На основе данных заключений ученых и был разработан ГОСТ Р54945-2012 «Методы измерения коэфф. пульсации освещенности». ГОСТ действителен и используется всеми производителями на данный момент.
В нем подробно описаны методы измерения и какими приборами это следует делать.
Главный вопрос для потребителя заключается в том, какое максимальное значение коэффициента пульсаций может быть у разных источников света в тех или иных помещениях.
Эти предельные параметры регламентируются несколькими сводами правил СП. 
Минимально безопасное значение, которое указано в них — это 5%. Многие другие источники и статьи в интернете говорят о цифрах в 3% или даже в 1%. Так вот, в данных сводах правил, речи о таких малых величинах даже близко не идет.
Вот сводная таблица рекомендуемых значений коэффициента пульсаций для разных помещений:
Поэтому если где-то и встретите на светильниках ЖКХ данные, что у них пульсация 10% или даже 5%, не стоит особо верить таким техническим параметрам.
Для подавляющего большинства таких светильников, замеры просто не производятся, так как не требуются по закону.
А зачем производителям лишние траты и повышение цены своего товара по сравнению с конкурентами?
Кстати, немного отвлекаясь от лампочек, стоит заметить, что почти у каждого второго монитора пульсации выше 30%, а у некоторых и под 100% можно найти.
Поэтому домашние лампочки с 10%, это еще цветочки в нашей повседневной жизни. Вы например, каждый день проводите минимум час или два, уткнувшись в экран смартфона. А они пульсируют как кислотная дискотека. 
Многие после этого даже удивляются откуда «ноги растут» и кто виноват в постепенном ухудшении их здоровья.
Еще один любопытный момент, касающийся предельных цифр, заключается в следующем — для вашего мозга нет большой разницы, сидите вы под лампочкой с коэффициентом в 20% или в 100%.
В обоих случаях уровень расстройства будет схожим. Может отличаться только время воздействия эффекта.
А еще при Кп>20% возможно появление стробоскопического эффекта.
Это когда движущиеся и вращающиеся объекты (вал двигателя, лопасти вентилятора), для ваших глаз будут казаться неподвижными.
Это весьма травмоопасно. Поэтому на производствах в закрытых помещениях с искусственным освещением, стоит очень строго подходить к вопросу выбора правильных светильников.
Высокие значения Кп характерны в первую очередь для разрядных ламп с электромагнитными ПРА (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ). 
Здесь они в легкую могут достигать величин выше 30%. Кстати, обычные лампочки накаливания, также имеют пульсации до 15%. Но мы этого особо не замечаем, так как эффект гасится тепловой инерцией.
Лампочка накаливания это в первую очередь неплохой обогреватель (большая часть всей энергии у нее уходит в тепло), и только затем уже источник света. 
При этом чем мощнее лампочка, тем меньше ее коэффициент.
Здесь зависимость определяется инерционностью разогрева и остывания вольфрамовой нити.
Очень эффективным способом снижения коэфф. пульсаций, которым почему-то мало кто пользуется — является установка в одной точке нескольких ламп питающихся от разных фаз. Вот наглядная таблица для разных типов ламп и зависимость их пульсаций при подключении от 1-й, 2-х или 3-х фаз.
Более кардинальный метод для ламп ДРЛ, ЛБ и им подобным — это замена электромагнитной ПРА на электронную, с одновременным повышением частоты до 400Гц.
Кстати, многие до сих заблуждаются, думая что светодиоды в отношении теплопередачи и эффективности убежали далеко вперед. Это не всегда соответствует действительности. И с КПД светодиодов тоже не все так гладко. 
В светодиодных светильниках многое зависит от качества сборки блоков питания (драйверов). Если у них на выходе не постоянный ток, а выпрямленный с промышленной частотой, то пульсации в 30% не такая уж и редкость.
Но в общем, касательно светодиодных источников света и коэфф. пульсации ГОСТ четко говорит: 
Исходя из этого, прежде чем делать какие-то замеры, убедитесь что частота пульсаций от вашего светильника не превышает 300Гц. В противном случае может и измерять ничего не потребуется.
Хотя есть здесь и исключения — например профессиональный свет для фото или видеосъемки. 
Здесь даже при величине свыше 300Гц нужно обращать внимание на любые мерцания. Дело в том, что при видеосъемке и фотографировании, идет жесткая привязка частот источников света к другим наборам параметров — частоте кадров, выдержке и т.п.
Хотя и никакого влияния на человека здесь уже не будет, зато очень даже будет присутствовать влияние на качество съемки.
А еще коэффициент пульсаций резко повышают всевозможные диммеры, собранные по принципу ШИМ и работающие на частоте до 300Гц. 
Поэтому будьте предельно осторожными в их применении.
Если пульсации в ваших лампах есть и они действительно вредные, то качественные замеры согласно ГОСТ, производятся по технологии с использованием осциллографа.
С его помощью можно измерить любую частоту пульсации и высчитать коэффициент у любых светильников. Формула расчета следующая (более подробно читайте в ГОСТе):
В относительно рабочих, а не в стерильных лабораторных условиях, также должны применяться рекомендуемые измерительные приборы. Вот их перечень:
Одним из самых популярных приборов является ТКА-ПКМ 08.
Такой аппарат оцифровывает сигнал с фотодатчика на частоте 3000Гц. Если частота источника света выше, то полученные данные от этого прибора уже будут существенно искажены. И верить им или нет, решать только вам.
Зачастую подобные девайсы объединяют в себе сразу несколько приборов — люксметры, яркомеры, пульсметры.
Если вам нужны замеры, что называется «для себя», без последующего предоставления их результатов в госорганы, то никто не запрещает посмотреть в сторону и более дешевых аналогов.
Тем более есть экземпляры с очень хорошими отзывами.
Например аппарат Radex Lupin.
К самым простым и распространенным бытовым способам проверки пульсаций относятся следующие методы:
Просто посмотрите на свет лампочки через экран смартфона. То что не видно вашему глазу, будет весьма заметно на камеру.
Правда имейте в виду, что некоторые аппараты имеют встроенную возможность принудительного подавления мерцания. Поэтому вы можете ничего и не увидеть, хотя эффект и будет присутствовать.
Подносить нужно максимально близко, чтобы нить накала или рассеиватель занял по максимуму все пространство экрана.
Поднесите на свет лампочки карандаш или линейку и начните ею мельтешить наподобие вентилятора или веера.
Если появится эффект «застывших лопастей» или вы будете видеть несколько карандашей, то пульсация больше нормы.
Чем отчетливее будут очертания, тем больше коэффициент. Такие остаточные контуры фигур из-за световых мерцаний, проявляются и в повседневной жизни.
Раскрутите детскую юлу под источником освещения. При появлении стробоскопического эффекта, меняйте лампочки.
Однако подобные народные способы выявляют пульсацию до 100Гц. А вот от 100Гц до 300Гц, они могут и подвести. Поэтому полагаться на них не стоит.
Большинство дешевых китайских светодиодных лампочек, как раз таки и работают на частотах до 300Гц. Таким образом, незаметно день за днем ухудшая ваше самочувствие, и оказывая свое губительное влияние.
Человеческий глаз без посторонних девайсов, способен различать пульсации с частотой от 60 до 80Гц. Далее идет невидимое для нас, но не для нашего мозга мерцание. 
Чем «хороши» видимые пульсирующие лампы? Тем что мы их замечаем, и интуитивно стараемся меньше времени проводить под их воздействием. Либо в конце концов меняем их на другие.
А вот самыми опасными будут те мерцания, которые визуально не заметны.
Из-за большой интенсивности на этих частотах, наш мозг уже не успевает обрабатывать всю информацию, однако зрительные рецепторы продолжают ее воспринимать. Причем не как визуальную составляющую.
В итоге все это воздействует на совершенно другие отделы мозга и провоцирует изменение гормонального фона, биоритмов, повышает утомляемость и ухудшает самочувствие.
У качественных производителей источников освещения, даже если и есть пульсации, то происходят они на частотах свыше 300Гц. И никакого смысла заморачиваться с поиском точных измерительных приборов и рассчитывать проценты здесь нет.
Данные лампочки все равно будут абсолютно безопасны и никак не испортят ваше настроение и здоровье.
Задайте ему резонный вопрос: «А на какой частоте получены данные замеры»? Будьте грамотны в вопросах светодиодного освещения и не дайте себя обмануть.
