照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响

照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响

陆世鸣 刘磊 俞安琪

（国家电光源质量监督检验中心(上海)；国家灯具质量监督检验中心；

上海市质量监督检验技术研究院；上海市照明学会，

上海市闵行区江月路900号 201114）

关键词：交流驱动，有源恒流驱动，伏安特性，波动深度，热惯性，

一． 从传统光源的频闪说起

人类自从采用交流电网作为照明电源起，因交流电而引起的光源闪烁（频闪）问题就一直困扰着我们，从60年代末期至90年代，为了提高照明能效，在工厂里大量采用电感镇流器配荧光灯的照明灯具，在众多的纺织厂车间里，为了看清楚高速运动的梭子，而采用三相电源分别点亮每相的荧光灯并且照亮同一场合，从相位上基本弥补了输出光的频闪。但是对于一般的家庭及办公室，不可能具备三相电源，上述的方法也无法采用。可能有很多人认为，采用白炽灯照明除了光色参数好以外还能有效避免频闪，甚至一些医生也会告诉家长让孩子使用60W白炽灯的台灯，但这仍然是一个认识上的误区。

二. IEEE PAR1789《LED照明闪烁的潜在健康影响》的限值简介

1.波动深度的定义

IEEE PAR1789对波动深度定义为最大和最小亮度之差除以最大和最小亮度之和，即迈克尔逊对比。图3给出的是波动深度随驱动电流频率的函数关系，也可被应用于复杂波形的傅立叶分量的闪烁评估。低风险区域的上限是线性变化的，低风险区域的上限<闪烁频率×0.08，相当于无影响边缘的2.5。低风险区域的更多研究是开放的，但在IEEE PAR1789危险性评估分委会内，橙色区域包含低风险区已达

成共识。

图3 低风险和不可察觉到的影响水平的闪烁频率和波动深度函数关系

图中，无影响的区域用绿色表示，低风险区用橙色表示。

2.对闪烁的度量

IEEE PAR1789对闪烁指数，由伊士曼和坎贝尔[ 8 ]定义为[ 9 ] 一个周期的平均光输出线以上的面积除以光输出曲线的总面积。参见图4，定义：闪烁指数=面积1/（面积1+面积2）闪烁百分数。参考图4，闪烁的百分数，也被称为峰-峰值相比，迈克尔逊对比，调制，波动深度的定义是：

定义：闪烁百分数=100(最大-最小)/(最大+最小)=100(A-B)/(A+B)

三、功能性照明光闪烁的危害

在功能性照明场合，照明光的闪烁会带来诸多麻烦甚至危害，主要表现在：1. 对于体育场馆，如果需要照明运动物体，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等，照明光的闪烁将无法看清运动球体；

2. 在进行摄影和摄像的场合，如果采用带闪烁的光照明，将无法避免摄影时出现暗区以及摄像时出现黑色滚动条；

3．对于光敏性癫痫病人，低频率高波动而产生可见的闪烁，会诱导的癫痫发作；

4.在自闭症人之间增加重复行为；

5. 低波动高频闪烁效果不太明显，可能需要几分钟出现（例如头痛）偏头痛或严重

的头痛常伴恶心、视觉紊乱；

6. 包括应变疲劳、眼睛疲劳、视力模糊，和传统的头痛、视力和在视觉相关作业上性能下降。

7. 频闪效应和相关的机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或者停止运动的错觉。

频闪效应（车轮效应、反转效应等）是指一类错觉，通过间歇照明，旋转或移动的物体的外观是改变的。例子包括明显的固定的外观，反向旋转和速度的变化等。所以上述第7条可能造成的危害最大。

四、LED照明产品的闪烁

图5是典型的LED伏安特性曲线，从该伏安特性曲线的Ⅰ象限可以看出，从坐标原点到接近V F(0)段，LED两个极之间尽管存在一个正向电压，但几乎没有电流流过LED，所以LED也不可能发光，只有当外加正向电压≥V F(0)时，LED才有明显的导通电流并随之发光。

图5 LED伏安特性曲线

从该伏安特性图和实测结果看出，如果用交流或波动度很大的单向脉动直流或被整流后100Hz严重调幅的直流来驱动LED，在180°半周期内，每次电源电压过

零区域将有35°～45°不导通。因为这一原因，所以有很多LED灯管（T-LED）（见图6），球泡灯（见图7），其光输出闪烁现象明显甚于传统光源。当然，LED灯管（T-LED）除了光输出闪烁外，还存在尚无安全标准2.的问题。

图6

T LED灯波动频率：100Hz；（最高11.96，最低0.1719）；波动深度：97.17，不可察觉

限值：3.2，低风险限值：8.0

图7

LED球泡灯，波动频率：100Hz；（最高1.58，最低0.7799）；波动深度：33.9，不可察觉

限值：3.2，低风险限值：8.0

由于人眼的滞留作用，在一般场合我们可能没发现这些光闪烁的情况，但是如果在这种灯光下，伸开五指水平晃动，就可察觉明显的亮暗交替现象，如果用数码

相机或手机处于摄像/摄影状态时对准这些灯，也能直接观察到亮暗变化。

一些有源驱动调光的LED筒灯，在满功率输出时（见图8），因为开关频率达1KHz，输出光的波动深度为1.718，远低于不可察觉限值3.2和低风险限值8.0，应该已能称之为无频闪。但是就这一LED筒灯，在采用前切相式调光器并调到光输出最暗时，其波动深度已达36.07，已超过不可察觉限值（见图9），换句话说已不能称之为“无频闪”照明光源。

图8

有源驱动调光LED灯（最亮）波动频率：1000Hz；（最高1.184，最低1.148）；波动深度：1.718，不可察觉限值：32，低风险限值：80，未调光时波动深度指标很好

图9

有源驱动LED灯（最暗）波动频率：1000Hz；（最高0.83，最低0.39）；波动深度：36.07，不可察觉限值：32，低风险限值：80。截波式调光器在调到最暗时波动深度超不可察觉限值

当有源 LED驱动的频率达1600Hz时（见图10），尽管驱动电流的波动深度仍比较大，但采用了长余辉荧光粉后，输出光的波动深度仅为3.472，明显低于不可察觉限值（无频闪）。.

图10

有源驱动LED 波动频率：1600Hz；（最高1.49，最低1.39）；波动深度：3.472，不可察觉限值：51.8,低风险限值：128。灯电流还有较深的波动，但是光波动深度指标已很好（长余辉荧光粉）

这说明，目前的长余辉荧光粉对抑制（1/10～1）毫秒级的输出光波动是比较有效的。当进一步提高有源LED驱动器的频率达50KHz（见图11）时，驱动LED 的电流还是有明显的波动，但是输出光的电流已经找不出波峰和波谷，与纯直流驱动一样，属于彻底的无频闪。这说明提高驱动电源的频率能有效抑制输出光的波动深度，甚至能彻底消除光的闪烁。