Spełnianie wymogów dotyczących wideo ultra slow motion z wykorzystaniem zasilacza LED

Liczba klatek na sekundę obrazu wideo w systemie NTSC wynosi 29, a dla PAL/SECAM to 25. Ale aby możliwe było pokazanie relacji w zwolnionym tempie, obraz pierwotny musi zostać zarejestrowany ze zwiększoną częstotliwością tak, aby odtwarzany w normalnym tempie materiał zachował płynność ruchu.

Rys. 1. Przykład tętnienia prądu i wskaźnika migotania światła na stadionie, Imax i Imin oznaczają maksymalny i minimalny prąd wyjściowy, EHmax oraz EHmin oznaczają maksymalne i minimalne wartości oświetlenia punktowego

Dlatego podczas olimpiady w Pekinie kamery pracowały w tempie 70 kl/s, a 4 lata później w Rio de Janeiro aż 1500 kl/s. Aby na ekranach telewizorów nie występował efekt "migotania", każda klatka musi zostać oświetlona tą samą ilością światła, co sprowadza się do tego, że oświetlenie obiektu sportowego musi być bardziej wydajne i o lepszej jakości.

Z tych powodów Komitet Olimpijski i UEFA stworzyły specyfikację wydajności zasilaczy systemów oświetlenia LED, m.in. w oparciu o tzw. wskaźnik migotania światła. W niniejszym artykule spróbujemy wyjaśnić wpływ tego czynnika na jakość obrazu wideo oraz to, jak zasilacze do oświetlenia LED są przygotowane do spełnienia tych międzynarodowych standardów.

Tętnienie prądu i wskaźnik migotania światła

Rys. 2. Nierówne poziomy światła na klatkach dla wysokiej liczby klatek na sekundę

Na arenach sportowych coraz częściej instalowane jest oświetlenie LED, które oprócz oszczędności energii pozwala na regulację jasności i zapewnia dobre oddawanie barw (CRI>80). Dodatkowe atuty to natychmiastowe rozjaśnianie, dłuższy cykl życia i wreszcie niski poziom migotania światła.

Aby to osiągnąć, wymagane są nowoczesne systemy zasilania, gdyż wszystkie niedoskonałości po stronie elektrycznej przenoszone są na jakość strumienia świetlnego. Na rysunku 1 pokazano idealną, płaską charakterystykę prądu wyjściowego z zasilacza. W rzeczywistości na średnią wartość nakładają się okresowe tętnienia. Ich wartość używana jest przez projektantów do oszacowania migotania światła.

Dla rejonu Europy i systemu PAL częstotliwość tętnień na wyjściu zasilaczy wynosi 100 Hz (dwukrotność 50 Hz dostarczanych z sieci elektrycznej). Przy rejestrowaniu wideo z prędkością 25 kl/s, migotanie o okresie 1/100 sekundy nie jest problemem. Ilość światła w każdej klatce jest taka sama, jak pokazano na rysunku 2, ale gdy prędkość rejestracji wzrasta, oświetlenie kolejnych klatki zaczyna ulegać zmianom, bo liczba klatek rejestrowanych przestaje być wielokrotnością szybkości tętnień. Tak właśnie powstaje migotanie. Jego skala może być różna w zależności od prędkości migawki.

Tabela 1 Wskaźniki migotania światła dla wideo ultra slow motion 1000 kl./s

Problemu można uniknąć, stosując jedno z dwóch rozwiązań sprzętowych. Pierwsze to zwiększenie częstotliwości tętnień w prądzie wyjściowym poprzez dodatkową konwersję. Ta metoda jest często używana w tradycyjnych statecznikach High Speed HID.

Druga metoda polega na zmniejszeniu tętnienia prądu w przetwornicy tak, aby ilość światła padającego na każdą z klatek nie ulegała widocznym różnicom. Jest to najpopularniejsze rozwiązanie w systemach oświetlenia LED.

Wymogi dotyczące oświetlenia imprez sportowych zależą od stosowanej technologii slow motion, np. super slow motion (150-300 kl/s) oraz ultra slow motion (powyżej 300 kl/s) - tabela 1. Zgodnie z wymaganiami UEFA na stadionach klasy Elite przeciętna wartość wskaźnika migotania światła powinna być niższa niż 5%. Dla stadionów poziomu A i B średni wskaźnik migotania światła nie może przekraczać 12%, a dla stadionów poziomu C mieścić się w granicach 20%.

Zasilacze LED

Rys. 3. Obliczanie tętnienia prądu dla modelu CV i CV+CC zasilacza LED

Istnieją trzy typy zasilaczy do oświetlenia LED: stałoprądowy (CC), stałonapięciowy (CV) oraz stałoprądowy + stałonapięciowy (CV+CC). Parametr tętnienia prądu dla przykładowej serii HLG-320H-C firmy MEANWELL wynosi 5%, jednak faktyczne zmierzone tętnienia wynoszą 1,14%.

W modelach CV pomiędzy wyjściem zasilacza LED a modułem LED często występuje moduł stabilizatora napięcia, stąd podczas obliczania wskaźnika migotania światła całego systemu należy uwzględniać jego parametry. Jeśli nie ma stabilizatora, obliczenia można wykonać według metody podanej poniżej dla zasilacza CV+CC.

W modelu CV+CC obliczenia można dokonać na podstawie parametru tętnienia oraz zakłóceń, przeprowadzając proste, matematyczne przekształcenie zgodnie z rysunkiem 3. Podane w przykładzie tętnienia prądu są niskie, ponieważ wykorzystany parametr tętnienia i zakłóceń został zmierzony przy zastosowaniu w obwodzie dwóch zewnętrznych kondensatorów 0,1 i 47 μF.

Rys. 4. Niższy wskaźnik migotania światła uzyskany z wykorzystaniem sieci trójfazowej

Aby uzyskać precyzyjne wyniki, zaleca się wykonanie pomiaru bezpośrednio w zasilaczu. Pokazany tu wzór można wykorzystać do szybkiego obliczenia wyniku do celów referencyjnych.

Dla rejestracji wideo z szybkością od 1000-2500 kl/s niski wskaźnik migotania światła można osiągnąć dzięki zastosowaniu instalacji trójfazowej, bez potrzeby używania zaawansowanego zasilacza eliminującego migotanie, bo zasilacze współpracujące z siecią trójfazową mają znacznie mniejsze tętnienia i w rezultacie spełniają wymagania dla wideo w trybie ultra slow motion.

Wen Wu, MEANWELL Europe
TME