话说LED频闪那点事儿

2014-12-14编辑:探路者 关键字:LED  频闪

从头晕到照片曝光不足,频闪在很多方面给人带来影响。固态照明SSL已经被照明行业视为现在和未来的高能效光源,但在LED的周期性调整导致频闪这个问题上,它仍有不足。如果不加以解决,频闪会带来许多问题,有损精心设计的灯具和照明空间。理解频闪问题背后的基本知识将帮助建筑师和照明专业人员规避灯光频闪所带来的让人讨厌、甚至有害的影响。

  什么是频闪?

  关于频闪,最简单的定义就是指开关周期内光的不断波动。在美国,电流是通过频率为60Hz的交流电传送的,灯具的供电电压在开关周期内以正弦波的形式在波峰到波谷之间来回波动。因此,可能产生2倍于供电频率的频闪,也就是120Hz。如果没有合适的电子电路,比如镇流器、驱动或电源,光源就会产生频闪。有些频闪是有意为之,比如自行车前灯。“某些程度的频闪不会引起注意,也不存在生理上的不适。但有些频闪却真的是个问题”,波特兰PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)高级照明组的资深科学家、照明设计师Naomi Millier说,“照明行业关心的是那些可能引起神经系统问题和影响工作绩效的频闪范围。”

  纽约特洛伊LRC(Lighting Research Center)的研究主任Nadarajah Narendran说:“人类可以察觉低于50Hz的灯光频闪,当然也有一些人到100Hz才会注意到”。大约3到70Hz的低频闪可能会引起高敏人群的癫痫发作,介于大约100到500Hz之间的中度频闪可能会导致频闪效应的间接知觉(译注:由视觉暂留所引起),在这种情况下,动态的物体可能表现为一系列静止的图像。这种效应或许是舞厅所希望达到的效果,但是对于工业场所来讲却是危险的。比如,频闪会使移动的齿轮或者刀片看起来很慢,甚至静止,同样,它也给健康带来一系列不利的影响,像头疼、眼疲劳和身心疲倦。

  图:频闪效应使运动的物体看上去是静止的或者运动得更慢。

  加利福利亚Benya Burnett Consultancy的负责人Jim Benya说,随着闪烁频率步入千赫兹范围,高达2千赫兹甚至以上,初步研究表明,“我们感觉不到了,频闪不再是问题了。”但是,如何让不同的光源达到这么高的闪烁频率,可能是个问题。

  频闪测量

  当前,没有指导制造商进行频闪检验的官方标准流程,但是IES(Illuminating Engineering Society)研究出了两种方法来测量频闪,可以在RP-16-10《照明工程术语和定义》中找到。第一种,也是较常用的测量方法是频闪比率。它显示光输出在一个开关周期内的平均调整量,也就是缩减量。一个100%频闪的光源意味着在开关周期内某些时候不发光,而一个完全稳定的光源就是0%频闪。

  另外一种测量方法是频闪指数,范围是从0到1。它综合了频闪比率和其它2个变量:光波形(输出曲线)和占空比。占空比是指光源在单个开关周期内,开灯时间所占的百分比。频闪比率和频闪指数越低,光源闪烁或者造成可见频闪效应就越少。

  图:频闪测量方法。频闪比率等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和。频闪指数等于一个开关周期内超出平均光输出的量除以全部光输出。

  图:常见光源的频闪测量

  传统光源的频闪

  使用交流电的光源都有频闪。高强度气体放电灯(HID)的频闪就非常明显,Benya说,1972年奥运会期间,摄影师发现他们拍的很多照片漆黑一片,“因为他们尝试拍一些非常短时间曝光的照片,但是是在错误的时间,那个时候,灯实际上是不发光的。”三相照明配电系统,相邻灯具以120度异相供电,也就是说,一个灯亮时而另一个灯是灭的,第三个灯正好处于中间状态,这种方案能解决体育馆照明中的频闪问题。

  就算是大众喜爱的白炽灯也有频闪。我们没注意到是因为白炽灯的热惰性掩盖了频闪问题,切断电源,直到下次通电时,灯丝上都还留有余热可以发光。这个特点也是白炽灯效率低的原因,大约90%的电能转化为热量损失掉了。

  但是荧光灯和LED不同于白炽灯,“这些光源对电的反应很快”,Benya说:“断电就断光。”在20世纪90年代使用电感镇流器的荧光灯因为频闪遭到投诉,制造商通过把电感镇流器改为电子镇流器解决了这一问题,电子镇流器驱动灯具的频率超过20千赫兹,远远超过人所能察觉的频率。

  LED为什么频闪?

  当一种新光源进入市场,频闪问题也就浮出水面。PNNL的Miller说:在光输出上LED的振幅甚至比白炽灯或荧光灯更大。但是,与HID或荧光灯不同,固态照明SSL是一种直流器件,这就是说当恒流供电时,LED就可以无频闪点亮,Benya说。

  那些没有使用单独恒流调节驱动的简单LED电路,LED亮度会随着交流电周期而变化。驱动起到两个作用,供电和整流。从驱动到LED,交流电到直流电的转换过程会产生电压和电流输出波纹。这种波纹以2倍于供电电压的频率存在,在美国就是120Hz。LED的输出与驱动的输出波形存在对应关系。

  调光是导致频闪的另外一个诱因。传统调光器,比如TRIAC调光器(一种能双向导电的电子元件),通过在开关周期内延长关机时间来调节电流,减少光输出。对于LED来说,使用脉冲宽度调制(PWM)以超过200Hz频率开关LED是比较理想的。但是,Benya强调:“如果你在一种非常低的频率中使用脉宽调制,比如正常供电频率,就会造成非常高的频闪比率。”

  图:单周期波形特性和频闪测量

  减轻频闪

  减轻频闪的关键在于驱动,可以通过提供恒定、无振荡的电流来解决这个问题。但是制造商在为LED产品配套驱动时,不得不权衡其它因素——驱动成本、尺寸,可靠性和效率。Cree应用工程副总Mark McClear表示。灯具的预期用途也需要考虑,以确保产品不被过度设计,因为在有些照明情境中频闪是可以被接受的,有些则不行。

  Mcclear还说:“制造商也一直在尝试优化什么产品适合什么应用,怎样让频闪可接受又不提高成本。”电容可以调节从驱动到LED的交流波纹,但是它也有缺点,Benya说,“电容体积大而且对热敏感”。所以,在一个紧凑有限的空间里,比如LED替换光源,使用电容就行不通。

  使用脉冲宽度调制(PWM)调节的LED,生厂商可以把电流调节到超过几千赫兹的非常高的频率。这同电子镇流器驱动荧光灯类似。但是要求的频率越高,驱动和LED之间的距离就要越近。“不幸的是,很多人都想要驱动远离照明系统,所以也并不是什么时候都可行的。”Benya说。

  为了简化调光器和可调光LED光引擎(LED light engines)之间的兼容性试验,NEMA(National Electrical Manufacturers Association)发布了NEMA SSL 7A-2013《固态照明SSL切相调光:基本兼容性》,这是一份给照明产品设计师和生厂商的指南。只要调光器和LED光引擎都符合标准,那么它们就可以兼容。NEMA的技术项目经理Megan说,这个标准是行业第一个,由24家主要制造商签署。SSL 7A的目标是:摆脱灯具和调光器的匹配性测试。需要强调的是这个标准仅适用于标准发布之后的技术,正如其所言,该标准没有给“现存产品或者已安装的LED光引擎和切相调光器的兼容性确定”提供方法。

  设置标准

  2002年,由LRC的Narendran领导的固态照明系统和技术联盟(ASSIST)成立,这个联盟由政府组织、研究人员和制造商组成。该组织的第一步工作就是定义可接受的频闪范围,2012,该组织发布ASSIST推荐:《减少固态照明系统频闪效应的闪烁参数》,包含了光源频闪效应的可接受度和检测计算的方法。

  最近ASSIT发起了一项关于间接频闪知觉和人性因素的研究,该研究由LRC高级研究科学家John Bullough领衔。在确认了频闪引起人体不适的两项主要指标是频率和强度后,Bullough试图找出“在哪些点频闪变得引人注意,并且对长期在这种照明条件下工作的人来说是不可接受的。”举例来说,尽管电脑屏幕频闪频率是60到70赫兹,但是这种频闪大部分并不为人察觉。

  理想的话,Bullough希望做一份列示光源频闪值和察觉该频闪的居民比例的参考文件出来。Narendran介绍说,这项研究已经进入被选照明应用领域的频闪指数限制的分析阶段了,应该会在今年发布结果。

  选型小贴士

  照明专业人员可以采取一些方法来减少选到有频闪的固态照明SSL产品的可能性。在室内,许多LED产品宣称是交流直供,Miller讲,电路设计更简单,没有驱动,有吸引力的价格,但是有些产品,在满载输出时会产生高达40%的频闪。调光阶段,频闪比率可能更高。

  替换型LED光源,像MR16,A型灯泡,Par灯,比高天井灯,更有可能频闪,McClear说。替换型光源受尺寸的限制,所以他们可能会配置简单的驱动,缺少必要的电子期间来纠正输出。

  对于不调光的产品,如果配置高品质驱动,频闪可能不明显。但是如果一位设计师给一个替换型光源配置传统墙面开关和TRIAC调光器,而不是用一个0-10V的数字调光系统,“就算再好的产品也会有频闪”,Benya说,“第一个判断依据就是,越是便宜货,越有可能产生频闪。”

设计师应该和灯具制造商一起来确定一套可

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关键字:LED  频闪

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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