LED’ler Titreşmeyle Savaşıyor

Aydınlatma sektörüne LED’lerin adeta “hücumu” üreticileri ve tasarımcıları “eski” bir problemle yeniden karşı karşıya getirdi: Işık kaynaklarında titreşme.

Baş ağrısından karanlık fotoğraflara kadar, titreşmenin sonuçları birçok yolla ortaya çıkabiliyor. Aydınlatma endüstrisinin, bugünün ve yarının enerji-etkili kaynağı olarak yarı iletken aydınlatmayı kolayca benimsemesine rağmen LED’lerdeki periyodik modülasyonun etki ve tepkilerine baktığınızda kısa kalıyor. Denetlenmeden bırakılırsa bu titreşim iyi tasarlanmış bir armatürü ya da alanı mahvetmeye kadar gidebilir. Bu konunun ardındaki temel noktaları anlamak ise; mimarların ve aydınlatma tasarımcılarının, titreşen bir ışığın zararlı-rahatsız edici etkilerinden kaçınmalarına yardımcı olacaktır.

Titreşme nedir?
En basit anlamda titreşme, açıktan kapalıya ışık çıkışındaki dalgalanmadır. Elektrik Amerika’da 60 hertz alternatif bir akımdan (AC) ulaştırıldığından, voltaj, pozitif ve negatif kutuplar arasındaki sünüs dalgasını taşıdığı gibi, kapalı ve açık arasında zıplayan kaynağa ulaşır. Sonuç olarak potansiyel bir titreşim frekansı güç hattı frekansının iki katıdır ya da 120 hertz’dir. Balast, kapasitör, sürücü gibi uygun devre sistemleri olmadan ışık kaynağı titreyecektir.

Örneğin bisiklet ışıkları gibi bazı durumlarda titreşme kasıtlı olarak yapılabilir. Portland, Ore’de Advanced Lighting Team ile çalışan aydınlatma tasarımcısı ve kıdemli bilim adamı Naomi Miller konuyla ilgili şu yorumlarda bulunuyor: “Titreşmenin belli dereceleri vardır ki bu derecelerde kimse fark etmez ve nörolojik problemlere yol açmaz. Ancak bazı dereceler gerçekten problemdir. Aydınlatma endüstrisi, bireylerde nörolojik problemlere ya da kişilerin performanslarında olumsuz etkilere yol açabilen bazı belli frekans oranları için endişeleniyor.”

Stroboskopik etkiler, hareket halindeki nesnelerin durağan ya da yavaş görünmelerine neden olabilir.

N.Y. Troy’daki Lighting Research Center (LRC) Direktörü Nadarajah Narendran’a göre insanlar 50 hertz’den daha yavaş olan frekanslardaki ışık titreşimini algılayabilir. Buna rağmen bazı insanlar 100 hertz’te de fark edebiliyor. Yavaş frekanslar ya da yaklaşık olarak 3-70 hertz, oldukça hassas bireylerde nöbetlere neden olabilir. Titreşim frekanslarını 100-500 hertz arası ölçülendirmek ise dolaylı olarak -hareket halindeki objeler sabit imajlar serisi gibi gözükebilir- stroboskopik etkilere neden olabilir. Diğer yandan bir dans kulübünde istenen şey endüstriyel bir ayarlamada tehlikeli olabilir. Örneğin titreşme hareketli dişlileri ya da bıçak ağızlarını daha yavaş hatta sabit gösterebilir. Ayrıca baş ağrısı, göz zorlanması ya da yorgunluk gibi sağlık üzerinde olumsuz etkileri de olabilir.

Titreşim frekansı, kilohertz bazında arttıkça; örneğin 2 kilohertz ve yukarısında, yapılan bir ön araştırmada Benya Burnett Danışmanlık’tan Jim Benya’ya göre bu durumda: “Gözümüz artık onu yakalayamaz. Artık bir problem olmaktan çıkmıştır. Ancak bu yüksek frekanslara farklı aydınlatma kaynaklarıyla ulaşmak bir problem oluşturabilir”.

Titreşmeyi Ölçmek
Şu anda titreşimi ölçmede üreticiler için resmi bir standart prosedür bulunmuyor. Ancak Illuminating Engineering Society (IES), RP-16-10’da; tanımlanan titreşimi ölçmek için iki metrik geliştirdi. Bunlardan ilki ve genel olarak kullanılanı “yüzde titreşimi”. Bu ölçüm, tek bir açma-kapama döngüsündeki ışık çıkışında modülasyonun veya azalmanın ortalama miktarına işaret ediyor. %100 titreşimdeki bir kaynak, döngüsündeki bir noktada, hiç ışık üretmediğine işaret ederken tamamen durgun bir kaynağın sıfır titreşimi olacağı anlamına geliyor.

Diğer ölçüm ise bir titreşim indeksi ki sıfırdan bire kadar aralıkları bulunuyor. Titreşim yüzdesini ve diğer iki değişkeni hesaplıyor: Işığın dalga formunun şeklini veya çıkış eğrisini ve görev döngüsünü ki bu da aydınlatma kaynağında tek bir açma kapama döngüsündeki ışık yüzdesine referans veriyor. Titreşim yüzdesi ve titreşim indeksi düşük oldukça bir ışık kaynağı daha az titreşir ya da algılanabilen stroboskopik etkileri daha az üretir.

Fotoğraf: Modified from The Lighting HandbookIES (10th ed.2011)

Geleneksel Kaynaklarda Titreşim
Tüm AC-güçlü kaynaklar titreşir. Benya, yüksek-yoğunluktaki deşarj (HID) lambalarında, 1972 Olimpiyat Oyunları süresince, titreşimin belirgin hale geldiğini söylüyor. Benya, oyunlar sırasında çekilen birçok fotoğrafın zift siyahında olduğunu çünkü fotoğrafçıların “yanlış zamanda oldukça kısa pozlandırmalı fotoğraflar çekmeye çalıştıklarını” da ekliyor. Yakın kaynakların faz dışında 120 derece vuruşta olduğu üç-aşamalı aydınlatma dağıtım sistemi (Bir lamba yanıyorken diğeri kapanır ve üçüncüsü bu iki lambanın arasında bir yerdedir) stadyum aydınlatmasındaki titreşim sorununu çözdü.

Hatta sevgili akkor filamanlı lambalar bile titreşir. Ancak bunu fark etmeyiz. Buna neden olan da akkor filamanlı lambaları enerji verimsiz yapan aynı şeydir: Termal devamlılık. Elektriğin yaklaşık %90’ı ısı olarak kaybedilir. Bu da titreşim etkilerini maskeler. Güç kesildikten sonra ise filamanda kalan ısı gelecek güç patlaması ulaşana kadar parlaklığını korur.

Tüm bunlara rağmen LED’ler ve flüoresan lambalarda asıl konu bu değildir. Benya: “Bu aydınlatma kaynakları güce çok çabuk şekilde tepki verir. Bu yüzden güç yoksa ışık da yoktur.” diye konuşuyor. 1990’larda manyetik olarak dengelenmiş flüoresan lambalar titreşimleri yüzünden adeta topa tutuldular. Üreticiler bu durumu, lambaları 20 kilohertz’in yukarısında çalıştıran, insanların titreşimi fark etme frekansının üzerinde olan, elektronik balastlara doğru kayarak çözdü.

Neden LED’ler titreşir?
PNNL’den Miller’a göre; yeni bir kaynak pazara geldiğinde “titreşme” konusu da su yüzüne çıkıyor. Her nasılsa LED’ler ışık çıkışında akkor filamanlı ya da flüoresan lambalardan daha fazla titreşebiliyor. Benya ise; HID ya da flüoresanların aksine yarı iletken aydınlatmaların direkt akım cihazlar (DC) olduğunu yani devamlı bir akım sağlandığı sürece LED’lerin titreşmeden aydınlatacaklarını söylüyor.

Örneğin basit bir LED devrede LED’in parlaklığı alternatif akım döngüsüyle aynı fazda değişecektir. Bir sürücünün var olduğu durumlarda ise kaynak ve çözüm aynı anda sunulur.

AC’yi DC’ye dönüştürme voltajda ve sürücüden LED’e olan akım çıkışında dalgalanmaya neden olur. Bu dalgalanma genellikle gelen voltaj hattı frekansının iki katı frekansta oluşur.-Amerika’da bu 120 hertz’dir.- Daha sonra LED çıkışı sürücünün dalga formu çıkışı ile bağdaştırılır.

Fotoğraf: Michael Poplawski and Naomi Miller, PNNL (2011)

Dimleme ise titreşimin bir diğer öncelikli sebebidir. TRIAC (Her iki yöne de akımı iletebilen elektronik bir bileşen) gibi geleneksel dimmer’lar açma-kapama döngüsünde kapama zamanını genişletip ışık çıkışını azaltarak akımı ayarlar. PWM’ler (Atımı Geniş Modülasyon) LED’leri 200 hertz’i geçen frekanslarda açıp kapatarak “dim”lerler. Benya: “Eğer PWM’i yeteri kadar düşük bir frekansta yaparsanız, örneğin bizim normal güç hattı frekansımız gibi, o halde bir kez daha, oldukça yüksek seviyede “titreşimle” karşı karşıya kalırsınız.” diyor.

Titreşimi Minimuma İndirmek
Titreşimi hafifletmenin anahtarı sürücüde gizli. Sürücü devamlı, titreşmeyen bir akımla LED sağlayabilir. Ancak Cree’de Uygulama Mühendisliği Başkanı Mark McClear’a göre, ürünlerine hangi sürücüyü yerleştirecekleri konusunda üreticiler bazı faktörleri de tartmak zorundadır ki bunlar; fiyat, boyut, güvenilirlik ve etkinliktir. Armatürün kasıtlı kullanımı bir ürünün aşırı-tasarım olmadığının temini konusunda da rol oynar. -Titreşim bazı belli aydınlatma senaryolarında tolere edilebilir-

McClear konuyla ilgili yorumlarına şöyle devam ediyor: “Üreticiler her zaman bir uygulama için yeteri kadar iyi olan her şeyi optimize etmeye çalışır.” Benya ise: “Bir kapasitör, sürücüden LED’e, AC dalgalanmalarını ayarlamaya yardım edebilir. Ancak aynı zamanda eksiklikleri de vardır. Çok büyüktürler ve ısıdan nefret ederler.” diyor. Bu yüzden, zaten oldukça dar bir alanda kapasitörler işe yaramayacaktır.

LED’ler için PWM kullanarak üreticiler akımı birkaç bin hertz’e genişleyen frekans seviyelerine kadar ayarlayabilirler. Bu, flüoresan lambalar için elektronik balatların yaptığı şey ile aynıdır. Buna rağmen, ne kadar yüksek frekans istenirse sürücü ve LED’in fiziksel olarak ihtiyaç duydukları şey o kadar yakınlaşır. Benya: “ Ne yazık ki birçok insan aydınlatma sistemlerinden kontrol edilebilen bir sürücüye sahip olmak istiyor ki bu daima imkansızdır.” diyor.
Dimmer’lar ve dim edilebilir LED aydınlatma motorları (LLEs) arasındaki yeterliliği test etmeyi kolaylaştırma çabasıyla National Electrical Manufacturers Association-Ulusal Elektrik Üreticileri Topluluğu (NEMA), aydınlatma ürün tasarımcıları ve üreticileri için adeta bir rehber hazırladı. Bu çalışmanın başlığı NEMA SSL 7A-2013, Phase Cut Dimming for Solid State Lighting: Basic Compatibility. Buna göre standartlarla uyumlu dimmer’lar ve LLE’ler birbirleriyle de uyumlu olacaklar.

Nema’da Teknik Program Müdürü Megan Hayes bu standardın endüstride bir ilki temsil ettiğini söylüyor. 24 büyük üretici tarafından imzalanan SSL 74 rehberi Hayes’a göre lambalar ve dimmer’lar için çift-eşleştirilmiş testlerden kurtulmayı amaçlıyor. Bu standart ileriye dönük teknolojilere uygulanıyor ve -başlığın önerdiğine göre- var olan ürünlerde ya da LLEs’ler/faz-kesim dimmer’lardaki uyuma karar vermede bir metot sağlamıyor.

Sınırları Koymak
Amerikan Çevresel Koruma Ajansı Enerji Yıldızı Programı’nın, tüm dim edilebilir lambalarındaki en yüksek titreşim yüzdesi ve en yüksek titreşim indeksini rapor edecek üreticilere ihtiyacı olacak. Ancak hangi değer aralıklarının kabul edilebilir sayıldığına dair bir kılavuz hala yok.

2002’de kurulan Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST), hükümet organizasyonlarının, araştırmacıların ve LRC’nin Narendran’ı tarafından yönetilen üreticilerin iş birliği ile çalışan bir oluşum. Bu organizasyon, 2012’de ASSIST Recommends … Flicker Parameters for Reducing Stroboscopic Effects from Solid-State Lighting Systems başlığı altında kabul edilebilir titreşim oranlarını tanımlamada ilk adımı attı. Bu bir kaynaktaki stroboskopik etkilerin fark edilebilirliği ve kabul edilebilirliğini tahmin etmede denklemleri de içeriyordu.

Daha yakın bir tarihte, ASSIST, Kıdemli Bilim Adamı John Bullough’un önderliğinde yürütülen, dolaylı titreşim algısı ve insan faktörleri üzerine bir çalışmaya sponsor oldu. Modülasyonun frekansının ve çekiminin insanların titreşimden rahatsız olmalarındaki iki önemli işaret olmasına karar vererek Bullough şunu saptamaya çalışıyor: “Hangi noktalar stroboskopik etkiler yaratarak fark edilir oluyor? Kaldı ki sürekli bu tarz aydınlatma şartları altında çalışan biri için bu kabul edilemez.” Bullough’a göre, örneğin, bir bilgisayar ekranı 60 ile 70 hertz civarında titreşmesine rağmen ekranın titreşimi genellikle fark edilmez.

İdeal olarak, Bullough kaynakların titreşim metriklerini ve titreşimi fark eden kullanıcıların yüzdesini listeleyen bir referans yaratmak istiyor. Narendran, bu yıl açıklanacak olan çalışmanın seçilmiş aydınlatma aplikasyonları için titreşim sınırlarına karar verme aşamasına doğru ilerlediğini söylüyor.

Spesifikasyon Tüyoları
Aydınlatma profesyonelleri titreşen yarı iletken aydınlatma ürünlerini belirleme şanslarını azaltacak bazı adımlar atabilirler. Miller’ a göre iç alanlar için AC-LED’ler gibi tanıtılan ürünlere karşı dikkatli olunmalı. Daha basit devre tasarımı, sürücüden yoksun ve sonuç olarak düşük fiyatlı olan ürünler çekici gelebilir ancak bazı AC-LED’ler tam çıkışta %40’a kadar titreşim üretir. Dimleme seviyelerinde ise bu titreşim daha da yükseğe çıkabilir.

McClear’a göre; MR16, A-lambalar ve PAR lambalar gibi retrofit LED lambalar da “yüksek tavan lambaları”ndan daha çok titreşmeye eğilimlidir. Bu retrofit lambaların alan sınırlamaları vardır. Bu yüzden ışık çıkışını düzenlemek için gerekli elektronikten yoksun basit sürücülere bel bağlayabilirler.

Dim özelliği olmayan aplikasyonlar için, eğer yüksek-kalite bir sürücü yerleştirildiyse, titreşme algılanmayabilir. Ancak eğer bir tasarımcı retrofit lamba ile geleneksel duvar kutusunu veya TRIAC dimleyiciyi -sıfırdan 10V’a kadar bir LED armatüre ya da voltaj dimleme sistemine yatırım yapma yerine- eşleştirirse Benya’ya göre “en iyi isim yapmış ürünlerde dahi titreşme olabilir.” Benya şöyle devam ediyor: “Bu durumda bir numaralı ipucu şu; eğer ucuz yolu seçerseniz büyük ihtimal ile titreşim ile karşılaşacaksınız.”

Tasarımcılar aydınlatma üreticileriyle, uyumlu bir sistemi belirlemek ve bu sistemi finaldeki enstalasyonda beklenen sürücü ve dimleme ayarlarını ilk elden test etmek için, birlikte çalışmalılar. Miller, düşük teknolojili bir test ile bunun dönen topu aydınlatmak ve stroboskopik etkilere bakmak olduğunu söylüyor. Diğerinde ise, yelpaze illüzyonu yaratmak için, bir kalem ışık kaynağının altında hızlıca sallanıyor. Titreşen bir ışık kaynağının altında boşluklar veya koyu çizgiler yelpazede görünür olacaktır. Eğer titreşim yok ise yelpaze pürüzsüz, devamlı ve boşluksuz olarak görünecektir.

Tüm bunlar flüoresan lambaların ve ballastların karanlık günlerine geri dönüş gibi gelebilir. Ancak, stroboskopik etkileri fark edilmeyen yarı iletken aydınlatma da mevcut. Tasarımcılar ve belirleyiciler araştırmalarını yaparken dikkatli olmalı. Narendran konuyla ilgili görüşlerine şu ifadelerini de ekliyor: “Tüm bunlar her şey kasvetli olacak anlamına gelmiyor. Sadece kullandığınız sistemlerle uyumlu kaynaklara yatırım yaptığınızdan emin olmanız gerekiyor.”

Haber: Wanda Lau
Ek haber: Heidi Moore
Haber kaynağı: http://www.archlighting.com/technology/leds-fighting-flicker_o