Проблемът с амплитудно модулираната светлина и ползването на широчинно-импулсна модулация за регулиране на яркостта на светлинни източници

Някои монитори и други източници на светлина излъчват амплитудно модулирана светлина, която може да предизвика стробоскопичен ефект, да намали скоростта на възприемане на визуалната информация, да предизвика главоболие, епилептични пристъпи и други проблеми при хората и вероятно други животни, които са облъчени с такава светлина.

Накратко за ефектите

При повечето хора не се забелязват някакви ефекти (което не значи че ги няма).

Ефектът на по-бавно възприемане на визуална информация е малък, но е измерим (може да се установи експериментално).

Главоболието се наблюдава не при всички хора, които са облъчени с такава светлина.

Стробоскопичният ефект не винаги е проблем.

Проблемът с епилептичните пристъпи също така се наблюдава много рядко (само при хора, които страдат от епилепсия).

Възможно е да има и други ефекти върху мозъка, ефектите от амплитудно модулираната светлина не са добре изучени.

Вижте например какво пише на 213 страница от тази книга (и страниците около нея).

По-интересните части:

Some cells responded to each flash from the fluorescent light, some responded less frequently, but the firing of all cells was phase-locked to the light pulsation: they all tended to fire just before the light reached its peak. This pattern of activity occurred whether the fluorescent lighting pulsated 100 or 120 times per second. It was only when the supply was altered so that the pulsation in the light reached a frequency of 160Hz that the neurons failed to show phase-locked responding.

(...)

There is also psychophysical evidence that the human visual system can resolve very high temporal frequencies of intermittent light, frequencies that are far higher than those at which the light appears to flicker.

(...) The beats could only have been seen if the human visual system resolved the electrical and visual stimulation. Brindley generated flickering light using a sectored disc. The fluctuation from fluorescent light is less than that from such a disc, but it remains possible that the high-frequency pulsations from a fluorescent tube are resolved at some level of the human visual system, although they are not perceived as flicker.

Така че не е сигурно, че повишаването на честотата на подсветката над 160 херца е достатъчно за да няма странични ефекти.

Искам да обърна внимание на това, че има съществена разлика между ефектите на подсветката с модулирана светлина и трептенето на екрана на старите монитори и телевизори (CRT). Разликата е в това, че всички пиксели на новите монитори трептят синхронно, докато при CRT не е така.

Предполага се, че синхронното трептене на първите неврони е ключово за страничните ефекти от амплитудно модулираната светлина.

Flicker at frequencies as high as 2000 Hz (2 kHz) can be perceived by humans during saccades[19] and frequencies above 3 kHz have been recommended to avoid human biological effects.[20]

Wikipedia: Flicker fusion threshold.

Амплитудната модулация на светлината от монитора може да се дължи не само на подсветката, но и на FRC, при което честотата е 30 херца (не знам за FRC работещо на други честоти).

Защо крушките с нажежаема жичка излъчват амплитудно модулирана светлина?

Защото топлинният капацитет на нажежаемата жичка е малък – изстива когато протичащият ток е по-малък. При някои стари модели крушки това не е така и при тях няма забележима амплитудна модулация.

При обикновените крушки с нажежаема жичка се наблюдава амплитудна модулация на светлината с честота 100Hz (удвоената мрежова честота).

Защо се ползва широчинно-импулсна модулация при мониторите и други източници на светлина?

При регулиране на интензитета на светлината чрез промяна на постоянния ток през светодиодите се променя и спектъра на излъчваната светлина. При ползване на широчинно-импулсна модулация (ШИМ) големината на тока през времето на светене (допускаме, че импулсите са стръмни, близки до правоъгълните) не се променя и това значи, че и спектърът не се променя.

В новите монитори може би са решили този проблем като ползват по-добри светодиоди, при които този ефект е по-слабо изразен, но може и да са измислили нещо друго – като например да се включват/изключват различен брой светодиоди. Не съм запознат точно как са решили проблема на практика, методът с промяна на броя на включените светодиоди.

Защо някои светодиодни крушки, които не ползват ШИМ излъчват амплитудно модулирана светлина?

Светодиодите на някои светодиодни крушки се захранват грец схема и филтриращ кондензатор, като има кондензатор последователно свързан в началото за да ограничи напрежението на входа на греца.

При тази схема токът през светодиодите се променя с честота 100 херца (удвоената мрежова честота). Кондензаторът след греца не е с достатъчно голям капацитет за да заглади тока (или изобщо го няма).

На снимката е една крушка, която снимах във връзка с рекламация – търговецът я рекламираше като излъчваща постоянна светлина (немодулирана амплитудно). На екрана зад крушката се вижда как се представя на сайта на търговеца, а в ръката си държа получената крушка (със свален разсейвател). Очевидно да ми пробутали от по-евтиния модел погрешка или са решили да спечелят малко повече за моя сметка (не им се получи).

От същия търговец съм получавал и истински крушки, светодиодите на които са захранвани с постоянен ток, те работят без проблем.

Как да се провери дали мониторът или светодиодната крушка излъчва амплитудно модулирана светлина?

Най-лесния начин за проверка е с камерата на телефона (цифровия фотоапарат). Ще се получи стробоскопичен ефект, защото честотата на опресняване (сканиране) е близка до тази на модулиращия сигнал (100Hz – удвоената мрежова честота).

Ефектът обикновено е по-ясно изразен когато фотоапаратът е близо до крушката. На това видео съм заснел евтина китайска крушка:

При някои крушки се ползва ШИМ и честотата на модулиращия сигнал на излъчената светлина е смес между 100Hz (заради не добре филтрирано захранване) и няколко kHz, като може да липсва съставката от 100 Hz при добро филтриране. При тях може да не се види резултат на цифровия фотоапарат.

Не е известно какво е въздействието върху зрението и мозъка при такава честота, предполага се, че ефекти няма или са значително по-трудно забележими от тези при честота от порядъка на 100Hz и по-ниска честота.

При достатъчно бърз фотоапарат може да се види трептенето в режим на забавен кадър – това е крушка с нажежаема жичка:

Който има осцилоскоп може да свърже фотодиод на входа и да наблюдава напрежението.

Като алтернатива на осцилоскопа може да се ползва звуковата карта на компютъра и софтуер като xoscope.

Направил съм индикатор на нивото на оптични пулсации, за който пиша в следващата публикация: Индикатор на нивото на оптични пулсации

На някои монитор (като например Acer S222HQL Abid) при настройка на 100% яркост няма оптични пулсации (не се ползва ШИМ). За да се намали действителната яркост може да се намали нивото на трите цвята (RGB, colour temperature):

Недостатъците на този метод е, че черното (на тъмно) изглежда светло. И мониторът консумира повече енергия.

Frame rate control (FRC) 

Освен ШИМ на подсветката друг източник на модулация (трептене) е FRC. Честотата на това трептене е сравнително ниска (30 херца) и затова е проблемна.

Някои хора са особено чувствителни към това трептене.

Повече по темата може да прочетете във форума https://ledstrain.org.