Что такое ШИМ и правда ли, что эта технология вредна для здоровья?

Когда вы читаете тесты техники, в которой есть экран или световые приборы, вам может встретиться термин ШИМ — он же «широтно-импульсная модуляция». По-английски называется PWM — pulse wide modulation. Авторы обзоров гаджетов часто пишут о вреде ШИМ и описывают его негативные эффекты. Рассказываем, что это такое, действительно ли вредно и какой ШИМ можно считать нормальным, а какой — не очень.

Что такое ШИМ?

ШИМ — это популярный способ регулировать яркость подсветки в экранах и светодиодных лампочках. Вместо работы на «половине» мощности прибор много раз в секунду включает цепь питания на максимум, а после выключает её. Из-за высокой скорости человеческий глаз воспринимает такое переключение не как «мигание» или мерцание, а как снижение яркости. Соответственно, чем период выключенного состояния дольше относительно включённого, тем тусклее воспринимается экран, и наоборот. Соотношение между «включённым» и «выключенным» состоянием называют «скважность». А скорость работы цепи ШИМ — частотой.

Примерно так работает ШИМ. Чем больше продолжительность одной пульсации, тем меньше их приходится на один и тот же промежуток времени

Для примера представьте колесо автомобиля или пропеллер самолёта. Когда они неподвижны, можно различить отдельные спицы или лопасти. А когда приходят в движение, сливаются в единый полупрозрачный диск. Человеческое зрение не позволяет различать столь быстро меняющуюся картинку — ШИМ работает точно так же.

Если видели тёмные полосы на экранах в новостных сюжетах на ТВ, это — следствие совпадения частоты ШИМ со временем записи кадра видео. Чем выше частота ШИМ, тем тоньше полоски

Широтно-импульсная модуляция встречается не только в экранах. Она также применяется для цифрового управления питанием многих приборов, но мы сейчас говорим именно о регулировке яркости подсветки.

Частота — одна из ключевых характеристик ШИМ. Она показывает количество импульсов в секунду. Чем их больше, тем менее заметна работа ШИМ организму. По данным IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники), время активации нервного волокна составляет около 5 мс, поэтому пульсация с частотой ниже 200 Гц заметна большинству людей без проблем со зрением. Частота от 200 до 500 Гц ощутима для некоторых чувствительных к пульсациям людей. А примерно с частоты 1000–1250 Гц мерцание подсветки уже практически не влияет на восприятие информации с экрана и усталость для глаз.

Минусы ШИМ и вред для здоровья

Пока яркость экрана с ШИМ-подсветкой близка к максимальной — проблем нет. Недостатки этой технологии всплывают одновременно со снижением яркости.

Для изменения яркости время, которое экран «не светится», становится больше, чем время, которое он «светится». И если частота ШИМ невысокая, паузы между «вспышками» экрана получаются достаточно большие. Визуально это никак не проявляется, но у некоторых людей из-за этого может проявиться индивидуальная реакция организма на подобные спецэффекты.

Мозгу, который воспринимает картинку из глаз как единое целое, этот эффект не виден, но на нервную систему он действует. Некоторые люди начинают ощущать усталость, сухость глаз и чувство «песка» в них, а также головные боли. Снижается резкость зрения, буквы начинают расплываться, и сконцентрироваться на тексте становится сложнее. Но негативный эффект ШИМ проявляется не для всех людей.

При этом многочисленные исследования, собранные в общем документе Европейской комиссией по здоровью, безопасности и окружающей среде, говорят о том, что долгосрочного вреда здоровью мерцание дисплеев не причиняет. То есть нельзя «посадить» зрение о такой экран, но получить переутомление глазодвигательных мышц и эффект «сухого глаза» — можно.

Чем удобен ШИМ и почему его применяют?

Широтно-импульсная модуляция — простой, эффективный и компактный способ изменять напряжение в цепи. Поэтому она и применяется повсеместно как в стационарной, так и в мобильной электронике. ШИМ нужен не только для управления экранами. В современных компьютерах и ноутбуках вообще всё питание внутри организовано именно ШИМ-преобразователями.

Главное достоинство широтно-импульсной модуляции в том, что его КПД выше, чем у альтернативных методов. Это особенно актуально для мобильных устройств, в которых важно экономить заряд аккумулятора.

У каких экранов бывает ШИМ?

В быту встречаются в основном два типа экранов — ЖК-матрицы и OLED. К жидкокристаллическим относятся все дисплеи, у которых механизм подсветки отделён от механизма формирования картинки. Не важно, IPS это или VA, miniLED или QLED, все экраны такого типа работают по одному принципу — светодиоды излучают белый свет, а цветовые фильтры и ЖК-затворы управляют формированием цветного кадра.

У таких экранов бывает ШИМ, привязанный к яркости светодиодов, но в них используются высокочастотные контроллеры ШИМ, из-за чего мерцание в ЖК-дисплеях незаметно глазу.

OLED-экраны не имеют отдельной подсветки. Каждый пиксель светится самостоятельно. Это полностью цифровое устройство без отдельного контура управления подсветкой, поэтому ШИМ в нём присутствует как неотъемлемая часть управления цветом каждой отдельной точки. Проблема мерцания подсветки в OLED-экранах более распространена и сильнее влияет на самочувствие восприимчивых людей.

Как проверить экран на ШИМ?

Есть так называемый карандашный тест для простой и быстрой проверки на мерцание. Для этого нужно взять за кончик любой длинный объект, например карандаш, и начать быстро раскачивать его перед экраном или лампочкой. Если след от объекта кажется вам целым, ШИМ не видна глазу.

Если силуэт начинает «дробиться» на несколько изображений, вы поймали резонансную частоту. ШИМ в той или иной степени будет влиять на нервную систему

Подобный эффект можно наблюдать и на домашних лампочках. Некоторые дешёвые светодиодные лампы (особенно с патроном GU8, GU10, GU12) и некоторые флуоресцентные лампы имеют низкую частоту пульсаций, соизмеримую с частотой переменного тока в розетке — 50–60 Гц. Такие лампы стоит заменить.

Внешний источник света с низкой частотой пульсаций может усилить негативный эффект от экрана с ШИМ-подсветкой, попадая в резонанс с пульсацией экрана. Если у вас устают глаза от ноутбука в офисе, но вы можете часами смотреть в него же дома — скорее всего, дело в офисных лампочках.

Есть ли у ШИМ альтернативы?

Альтернатив ШИМ для регулировки яркости в мобильных устройствах две.

Можно перевести смартфон, планшет или ноутбук с OLED-экраном на максимальную яркость и использовать виртуальный ND-фильтр — для этого существуют специальные приложения. Например, программу для Android-смартфонов можно найти в Google Play. Но это не всегда удобно, а кроме того, гаджет будет быстрее разряжаться.

Второй способ — технология DC Dimming. Она подразумевает снижение яркости не за счёт мерцания, а при помощи снижения рабочего напряжения светодиодов. Этот метод помогает избавиться от мерцания, но у него есть и недостатки:

Яркость регулируется с меньшим шагом, а цветопередача может немного искажаться.
Требуется дополнительный контроллер для управления напряжением, поэтому можно ли управлять яркостью экрана в вашем смартфоне таким способом, зависит только от производителя. Если нужной микросхемы не будет, то самостоятельно «включить» DC Dimming в устройстве не получится.
DC Dimming может применяться не на всём диапазоне яркости экрана из-за особенностей работы светодиодов и их минимального рабочего напряжения. Например, он может работать на яркости от 100 до 50%, а ниже этого порога снова включится ШИМ.

Существуют ли экраны без ШИМ?

Экранов мобильных устройств с подсветкой совсем без ШИМ не существует. Даже если производитель применяет DC Dimming — снижением рабочего напряжения всё равно будет заниматься такая же широтно-импульсная модуляция. Просто расположена она будет в другом месте электрической цепи. И если управляющая микросхема будет некачественной, пульсация у подсветки всё равно окажется заметной.

Уменьшение яркости путём снижения рабочего напряжения эффективно подавляет мерцание экрана

В большинстве случаев функция DC Dimming устраняет негативные последствия от ШИМ-подсветки. Кроме того, по мере развития технологий производители начинают использовать и более совершенные дисплеи, с более высокой частотой ШИМ. Например, вот такие частоты у некоторых популярных моделей:

Samsung Galaxy S23 Ultra — 240 Гц.
Samsung Galaxy S24 Ultra — 490 Гц.
iPhone 15 Pro и 16 Pro — 480 Гц.
OnePlus 12 и 13 — 2160 Гц.
Honor X9c — 3840 Гц.
Honor Magic6 Pro — 4320 Гц.

Первый взгляд на Honor X9c: автономный, красивый и прочный

Что следует запомнить

ШИМ в том или ином виде присутствует во всех ЖК или OLED-экранах. А также светодиодных и газоразрядных лампах, DLP-проекторах и импульсных блоках питания (это зарядки для ноутбуков, телефонов, фотокамер и другой техники). При этом большинство людей не ощущают никаких негативных эффектов от ШИМ-подсветки экранов.
Частота пульсации — ключевая характеристика ШИМ. Чем она выше, тем лучше. Условно-безопасный диапазон — от 480 Гц, а полностью незаметный для глаз и нервной системы — от 1000 Гц.
Функция DC Dimming снижает негативный эффект от ШИМ в экранах, но не убирает его полностью. Кроме того, DC Dimming может применяться не на всём диапазоне яркости экрана, а также снижает энергоэффективность и точность цветопередачи дисплея.
Если вы не ощущаете эффектов от ШИМ на низкой яркости дисплея — это не значит, что он не напрягает зрение. Стоит проверить экран на частоту ШИМ при минимальной и комфортной для вас яркости с помощью «карандашного теста».