Jeste li znali da se pametne LED žarulje uključe i isključe do 1.000 puta u sekundi?

Za regulaciju svjetline pametne žarulje u pravilu se koristi PWM metoda, što znači da određen broj puta u sekundi (često 1.000) isključuju i uključuju svjetlo, dakle u osnovi trepere, što uzrokuje nekoliko posljedica, odnosno efekata. No, je li to moralo biti baš tako? Ako mnoge obične, "nepametne" LED žarulje, ne trepere, zašto moraju treperiti pametne?

Mario Baksa ponedjeljak, 6. srpnja 2020. u 06:30

PROBLEM

Može li samo pojašnjenje sljedećeg: “Nažalost, za regulaciju svjetline koristi PWM metodu (brzo uključivanje i isključivanje LED-ica) pri 1.000 Hz.”? Koja tehnologija za regulaciju svjetline je alternativa PWM-u, a da ne pati od treperenja? Zanima me još samo preostaje li nam proučavati recenzije svake LED žarulje prije kupnje ili su PWM/CC naznačeni na ambalaži?

ODGOVOR

Ovo je pitanje vezano uz recenziju BlitzWolfove pametne žarulje, koja koristi PWM za regulaciju svjetline. Krenimo od početka – od grla za žarulju, preko kojeg žarulja prima izmjeničnu struju, kod nas napona od oko 230 V. Praktički sve pametne žarulje imaju osnovno CV (constant voltage) switching napajanje, koje pretvara izmjeničnu struju visokog napona, koju prima preko grla, u istosmjernu struju nekog značajno nižeg napona. U osnovi ista stvar što radi, recimo, strujni adapter prijenosnog računala.

U žarulji su i drugi potrebni sklopovi – vjerojatno jedan za pretvaranje te struje u struju vrlo niskog napona, možda oko 3,3 V, kojim će se napajati mikrokontroler, koji će upravljati žaruljom i spajati se na Wi-Fi. No to nije relevantno za pitanje.

Zašto PWM?

Sada dolazimo do komplikacije – cilj je da žarulja bude što kompaktnija i energetski učinkovitija pa se LED čipovi unutar nje obično iskombiniraju tako da mogu raditi s glavnim napajanjem, odnosno inženjer izlazni napon napajanja prilagodi specifično organiziranim LED čipovima. PWM metoda je najjednostavniji, najpraktičniji i najjeftiniji način da se LED-icama regulira svjetlina – jednostavno se električna energija pušta u vrlo kratkim pulsevima. Kraći puls, LED-ica kraće vrijeme svijetli pa je “u prosjeku” svjetlo tamnije, a to brzo uključivanje i isključivanje LED-ica ne vidimo zbog tromosti oka.

BlitzWolfova žarulja na srednjoj svjetlini, iz perspektive našeg osciloskopa – jasno se vidi da je svjetlina regulirana PWM metodom, da žarulja pri toj svjetlini svijetli čak i malo kraće od polovice širine pulsa, a osciloskop je izmjerio frekvenciju od 1 kHz, što znači da se LED-ice u toj žarulji uključuju i isključuju 1.000 puta u sekundi
BlitzWolfova žarulja na srednjoj svjetlini, iz perspektive našeg osciloskopa – jasno se vidi da je svjetlina regulirana PWM metodom, da žarulja pri toj svjetlini svijetli čak i malo kraće od polovice širine pulsa, a osciloskop je izmjerio frekvenciju od 1 kHz, što znači da se LED-ice u toj žarulji uključuju i isključuju 1.000 puta u sekundi

Međutim, to što ga ne vidimo, ne znači da ne uočavamo efekte – u određenim situacijama može se uočiti stroboskopski efekt, svjetlo se može činiti nestabilnim, pogotovo u perifernom vidu. To ovisi o frekvenciji pulsiranja i duljini, tj. kratkoći puštanja električne energije, odnosno kratkoći emitiranja svjetla.

Alternativna metoda

Ako bi cilj bio da svjetlo LED-ica ne pulsira, ne treperi, onda bi se koristio CC (constant current) switching regulator umjesto PWM-a, odnosno sklop koji će paziti da LED-ice uvijek vuku određenu jakost struje (ampere), pritom im dajući stabilnu struju. Neke osobe koje pišu o monitorima ili ekranima laptopa tu metodu nazivaju DC, pritom valjda ciljajući na istosmjernu struju (direct current), no taj naziv baš i nema opravdanja (jer PWM nije izmjenična struja, nego pulsevi istosmjerne struje), odnosno ne bi ga trebalo za to koristiti. Najbolje bi bilo napisati da se u konkretnom slučaju ne koristi PWM ili, ako baš treba neka oznaka, vjerojatno bi bilo bolje pisati CC za constant current, odnosno za konstantnu struju, jer je to poanta napajanja za LED-ice – struja je tu konstantna, a kod PWM-a nije, barem ne ako je gledamo na razini pulsa.

Najzanimljivije u čitavoj priči vjerojatno je činjenica da i CC regulator koristi PWM! Međutim, CC ne koristi relativno niskih 240 ili 1.000 Hz, nego se obično radi o više stotina tisuća Hz (o više stotina kHz) pa kad se na to stave kondenzatori, dobije se prilično stabilni napon, bez PWM efekta, bez pulsiranja.

Zašto pametne žarulje i dalje koriste PWM?

OK, ako je CC regulator tako super, zašto se onda u pravilu ne koristi u pametnim žaruljama? Na to smo u osnovi već odgovorili – to bi poskupilo proizvodnju, povećalo gabarite žarulje, a i vjerojatno usporilo dinamične efekte ili bi zakompliciralo njihovu implementaciju (što je, doduše, više bitno za RGB, nego za obično bijelo svjetlo). Vjerojatno bi i malčice pala učinkovitost žarulje.

Konstrukcija tipične pametne LED žarulje (starije Yeelightove u ovom slučaju) – u tijelu žarulje, koje ujedno služi kao hladnjak, smješteno je napajanje i elektronika, na kraj tijela montira se disk s LED-icama, preko kojih se stavlja bijeli plastični difuzor
Konstrukcija tipične pametne LED žarulje (starije Yeelightove u ovom slučaju) – u tijelu žarulje, koje ujedno služi kao hladnjak, smješteno je napajanje i elektronika, na kraj tijela montira se disk s LED-icama, preko kojih se stavlja bijeli plastični difuzor

Ipak, voljeli bismo da proizvođači ugrađuju CC regulator barem za bijelo svjetlo pa da se onda pametne žarulje bez neke zadrške mogu koristiti i za dugotrajno osvjetljavanje prostora. Kod RGB boja to je ionako manje bitno, jer se takvo svjetlo najčešće koristi za stvaranje ugođaja ograničenog trajanja.

Vjerovati tvrdnjama da žarulja ne treperi?

Na tržištu možebitno već i postoje takve pametne žarulje, no ne možete znati koristi li neka žarulja PWM ili ne ako to ne provjerite. Na kutijama žarulja ili u specifikacijama žarulja koje smo dosad vidjeli ne piše da koriste PWM, ali isto tako ne piše ni da ne koriste PWM. U marketinškim materijalima ponekad piše da žarulje ne trepere, no tu ne govore o tome o čemu mi govorimo, dakle o PWM regulaciji svjetline, nego govore o naočigled vidljivom treperenju, što je posve suvišan podatak.

Možda se “PWM pruge” ne vide baš dobro na slici, no ako pogledate videozapise s demonstracijom rada, lako ćete ih uočiti i kod Yeelightovih pametnih žarulja
Možda se “PWM pruge” ne vide baš dobro na slici, no ako pogledate videozapise s demonstracijom rada, lako ćete ih uočiti i kod Yeelightovih pametnih žarulja

Primjerice, za Xiaomijevu žarulju pod markom Yeelight na američkoj podstranici piše “The Yeelight LED Light Bulb features a professional optical structure combined with high-quality LEDs (light-emitting diodes), creating a stable light source without any flicker that provides your eyes with the greatest protection possible”. Nismo imali tu žarulju u rukama, no na YouTubeu se mogu pronaći snimke sličnih Yeelightovih žarulja (na primjer ovaj video), na kojima se može vidjeti PWM efekt (horizontalne pruge kad se snima kamerom). Tako je lako moguće da i ta, navodno netreperava, žarulja zapravo treperi.