О кривых затемнения и их учёте при диммировании светодиодов

Управление светом с каждым днем становится все разнообразнее и востребованнее и всегда хочется получить идеальный результат.
Но иногда при диммировании бывает трудно добиться нужного уровня света, а вместо плавного эффекта затемнения оказывается, что наш световой эффект совсем не так хорош, как ожидалось. Вот несколько нюансов которые стоит учитывать, чтобы с комфортом управлять освещением.

Самый простой способ изменять яркость светильника - это аналоговое диммирование. Исторически закрепились стандарты управления напряжением 0-10V (ANSI E1.3) и 1-10V (IEC 60929).
Этот вариант достаточно хорошо подходит для управления светодиодами. У производителей источников питания и диммеров доступно множество вариантов оборудования, как источников так и диммеров с поддержкой этих стандартов. Такие модели есть в серии наших источников тока НИПТ-***Д38 (1), а также в линейках наших поставщиков (2).

Но у такого решения есть и ряд недостатков - например, сложности с управлением большим количеством устройств и так же не очень удобная характеристика диммирования (или кривая затемнения).

Для комфортного и плавного изменения света нам нужно учесть такие параметры как чувствительность, адаптивность и особенности восприятия человеческих глаз. Дело в том, что наши глаза приспособлены к работе с высокой точностью и в очень широком диапазоне освещения порядка 10^8 от нижней до верхней границы восприятия. Соответственно и наше восприятие чтобы нормально работать в этом диапазоне изменяется не линейно, а по логарифмическому закону (подробнее см. Закон Вебера—Фехнера и т.д.).

Для правильной настройки и диммирования системы освещения нам нужно различать измеряемый и воспринимаемый свет.
Измеряемый свет - это фактическое количество света, которое мы увидим на измерительном оборудовании, например люксметре.
Воспринимаемый свет - это то как видят и интерпретируют свет наши глаза.

Для реальных светильников, особенно когда фактическая яркость света низкая, наши глаза воспринимают даже небольшое изменение света преувеличенно. При фактически измеренном изменении яркости от 0% до 1% человеческий глаз воспринимает это изменение примерно от 0% до 10%. Однако, когда фактическая измеряемая яркость изменяется более чем на 50%, восприятие человеческого глаза "подстраивается" к новому диапазону и дальше уже не может ощутить "едва заметное" изменение света.

Если посмотреть на то, как происходит диммирование по протоколам 0-10V и 1-10V, то мы увидим следующие характеристики диммирования (кривые затемнения)

Почти во всем диапазоне управления у большинства таких источников будет линейная зависимость между сигналом и яркостью светильника, в результате при диммировании в диапазоне от 10% до ~50% изменения яркости могут восприниматься как слишком резкие, а в диапазоне более 50% наоборот, будут казаться незначительными. А в наиболее "проблемном" с точки зрения диммирования диапазоне затемнения 0...10%, который особенно важен для систем с низким уровнем яркости (таких как гостиницы, конференц-залы, архитектурная подсветка и т.д.) регулировка может быть затруднена или вообще невозможна.

Более гибкие и удобные возможности по управлению нам предоставляет, например, протокол DALI (IEC 62386), который был придуман как раз для расширения возможностей аналоговых протоколов типа 1-10V.
Система DALI позволяет нам управлять большим количеством устройств (до 64 на один канал), управлять светильниками адресно и объединять их в группы, задавать общий уровень яркости после подачи питания или для различных ситуаций, задавать скорость изменения яркости освещения и т.д., в том числе, добавилась возможности для более комфортного диммирования.

Чтобы лучше соответствовать режиму восприятия человеческих глаз, для которого наиболее комфортно будет медленное изменение при низкой яркости и быстрое изменение при высокой, яркость нашей системы должна меняться логарифмически.
Разработчики системы DALI это учли. Уровни освещения в DALI задаются 8-битным значением, где 0 соответствует выключению, 1 означает 0,1% полной яркости, 254 означает полную яркость, а другие значения логарифмически интерполируются.

Но гибкость настроек цифрового протокола управления иногда может сыграть и против нас.
Рассмотрим типовую ситуацию: помещение с освещением управляемым по DALI, с настроенным уровнем яркости при включении и возможностью управлять яркостью с помощью диммера.
Уровень яркости при включении - это уровень освещения после подачи питания (в системе DALI он может варьироваться от 0 до 254)
Диммированный сигнал - выходной сигнал диммера в диапазоне 0...100%, источник тока получает этот сигнал и выполняет соответствующие действия
Световой эффект - изменение яркости светильника в диапазоне 0...100 % в зависимости от сигнала диммера.

Поскольку в системе DALI мы можем достаточно гибко всё настраивать, то и производитель диммера и производитель источника питания заявляют, что их продукт обеспечит эффект плавного и комфортного затемнения благодаря логарифмической кривой затемнения. Но так ли это будет на самом деле?
Вот так могут выглядят кривые затемнения у диммеров и у источников тока, они могут быть как линейными, так и логарифмическими.

И вроде все тут хорошо, но давайте вернемся чуть назад и внимательнее посмотрим на нашу блок-схему с диммером и источником.
Как видим переменная, соответствующая начальному световому эффекту в системе DALI - сигнал управления 0...254, это сигнал управления диммером; а переменная управляющая световым эффектом после источника тока это уже выходной сигнал диммера. Посмотрев на определения и блок-схему в начале, мы понимаем, что в общем случае это может быть не одно и то же!
Таким образом, при диммировании необходимо учесть и соотношение между начальным сигналом 0...254 и сигналом регулировки яркости диммера, то есть кривую изменения управляющего сигнала диммера.

То есть на окончательные характеристики светового эффекта повлияют обе кривые и диммера и источника тока, поэтому у нас получаются четыре комбинации:

Как видно из этой диаграммы, комбинации характеристик диммирования "линейный" диммер + "логарифмический" источник тока и "логарифмический" диммер + "линейный" источник тока работают лучше всего, и примерно одинаково воспринимаются человеческим глазом как плавное и равномерное изменение света.
А две линейные кривые или две логарифмические, напротив, будут восприниматься при диммировании искаженно и неравномерно.

Поскольку стандартные кривые большинства диммеров обычно линейны, то источники с логарифмической кривой по умолчанию обеспечат наиболее оптимальный и комфортный эффект плавного затемнения, но все же при выборе и настройке системы освещения подобные нюансы стоит учитывать.