照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响_俞安琪_Dec Y2013.pdf

上海市质量监督检验技术研究院上海市质量监督检验技术研究院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时代之光照明电器检测有限公司上海市照明学会俞安琪上海时代之光照明电器检测有限公司上海市照明学会俞安琪2013年8月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内容简介内容简介文章介绍了光源产生频闪的原因和传统光源的频闪特性，引入波动深度，闪烁指数的概念及分析了传统光源的频闪效应，并进行量化。列举了光源频闪在功能性照明场合对人体的生理影响和危害。在进行测量、研究的基础上详细分析了固态照明文章介绍了光源产生频闪的原因和传统光源的频闪特性，引入波动深度，闪烁指数的概念及分析了传统光源的频闪效应，并进行量化。列举了光源频闪在功能性照明场合对人体的生理影响和危害。在进行测量、研究的基础上详细分析了固态照明LED的频闪现状，给出了几种频闪小或基本无频闪的的频闪现状，给出了几种频闪小或基本无频闪的LED光源工作情况。光源工作情况。关键词：交流驱动，伏安特性，波动深度，热惯性，有源恒流驱动关键词：交流驱动，伏安特性，波动深度，热惯性，有源恒流驱动一.从传统光源的频闪说起一.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。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，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。白炽灯的台灯，但这仍然是一个认识上的误区。从图从图1的测量参数可以看出，该台灯输出光的波动深度为的测量参数可以看出，该台灯输出光的波动深度为18.9，已明显超过了美国，已明显超过了美国IEEE PAR 17891.报告中的报告中的“不可察觉不可察觉”限值和限值和“低风险低风险”限值。实际证明白炽灯的频闪深度是个随灯丝温度变化程度不同而变动的量。白炽灯功率越小其灯丝越细，温度随灯丝电流的变化越大，再加上灯丝温度低时发光效率的降低，所以波动深度相对就大。限值。实际证明白炽灯的频闪深度是个随灯丝温度变化程度不同而变动的量。白炽灯功率越小其灯丝越细，温度随灯丝电流的变化越大，再加上灯丝温度低时发光效率的降低，所以波动深度相对就大。1.IEEE PAR1789 危险性评估分委会 危险性评估草案危险性评估分委会 危险性评估草案LED照明闪烁的潜在健康影响照明闪烁的潜在健康影响图160W白炽灯的灯具 波动频率：白炽灯的灯具 波动频率：100Hz；（最高；（最高105.6，最低，最低72.0）；波动深度：）；波动深度：18.9，不可察觉限值：，不可察觉限值：3.2，低风险限值：，低风险限值：8.0。实际还达不到低风险要求实际还达不到低风险要求充有卤族元素的白炽灯（卤素灯）因为灯丝温度和热容量都较高，当灯电流在过充有卤族元素的白炽灯（卤素灯）因为灯丝温度和热容量都较高，当灯电流在过“零零”区域时，灯丝的区域时，灯丝的“热惯性热惯性”尚能维持发光，所以其频闪深度远好于普通的白炽灯，从图尚能维持发光，所以其频闪深度远好于普通的白炽灯，从图2可以看出，卤素灯频闪深度已低于可以看出，卤素灯频闪深度已低于“不可察觉不可察觉”限值，可认为是无频闪的灯限值，可认为是无频闪的灯图2低压卤钨灯的灯具 波动频率：低压卤钨灯的灯具 波动频率：100Hz；（最高；（最高7.739，最低，最低7.308）；波动深度：）；波动深度：2.864，不可察觉限值：，不可察觉限值：3.2，低风险限值：，低风险限值：8.0已经可靠达到无频闪的指标已经可靠达到无频闪的指标二.IEEE PAR1789LED照明闪烁的潜在健康影响的限值简介二.IEEE PAR1789LED照明闪烁的潜在健康影响的限值简介1.波动深度的定义波动深度的定义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。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。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：定义定义：闪烁百分数=100(最大-最小)/(最大+最小)=100(A-B)/(A+B)闪烁指数闪烁指数=211面积面积面积图图4 闪烁指数和闪烁百分数的定义图，来自闪烁指数和闪烁百分数的定义图，来自IES第十版手册第十版手册因为本文涉及到的闪烁波形都是简单并且重复的波形，所以本文对闪烁程度的衡量都采用图因为本文涉及到的闪烁波形都是简单并且重复的波形，所以本文对闪烁程度的衡量都采用图3的闪烁频率和波动深度函数关系的限值来评价。的闪烁频率和波动深度函数关系的限值来评价。三.功能性照明光闪烁的危害三.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：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.对于对于体育场馆体育场馆，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闪烁将无法看清运动球体；2.在进行在进行摄影和摄像的场合，摄影和摄像的场合，如果采用带闪烁的光照明，将无法避免摄影时如果采用带闪烁的光照明，将无法避免摄影时出现暗区出现暗区以及摄像时出现以及摄像时出现黑色滚动条黑色滚动条；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；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；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；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。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频闪效应和相关机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或停止运动的错觉。频闪效应和相关机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或停止运动的错觉。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。例子包括运动物体看上去变得静止，反向旋转和速度的变化等。所以上述频闪效应（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。例子包括运动物体看上去变得静止，反向旋转和速度的变化等。所以上述第第7条条可能造成的危害最大。可能造成的危害最大。频闪效应和相关机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或停止运动的错觉。（这在金属机床加工场合最容易出现）频闪效应和相关机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或停止运动的错觉。（这在金属机床加工场合最容易出现）四.LED照明产品的闪烁四.LED照明产品的闪烁图图5是典型的是典型的LED伏安特性曲线，从该伏安特性曲线的象限可以看出，从坐标原点到接近伏安特性曲线，从该伏安特性曲线的象限可以看出，从坐标原点到接近VF(0)段，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，所以LED也不可能发光，只有当外加正向电压也不可能发光，只有当外加正向电压VF(0)时，时，LED才有明显的导通电流并随之发光。才有明显的导通电流并随之发光。图图5 LED伏安特性曲线伏安特性曲线从该伏安特性图和实测结果看出，如果用交流或被整流后从该伏安特性图和实测结果看出，如果用交流或被整流后100Hz严重调幅的直流来驱动严重调幅的直流来驱动LED，在，在180半周期内，半周期内，LED在每次电源电压过零区域将有在每次电源电压过零区域将有3545不导通。因为这一原因，所以有很多不导通。因为这一原因，所以有很多LED灯管（灯管（T-LED）（见图）（见图6），球泡灯（见图），球泡灯（见图7），其光输出闪烁现象明显甚于传统光源。当然，），其光输出闪烁现象明显甚于传统光源。当然，LED灯管（灯管（T-LED）除了光输出闪烁外，还存在尚无安全标准除了光输出闪烁外，还存在尚无安全标准2.的问题。的问题。2.张璐、俞安琪。发光二极管灯管存在的安全问题及应遵循的有关标准光源与照明张璐、俞安琪。发光二极管灯管存在的安全问题及应遵循的有关标准光源与照明2013年第年第3期。期。图6T LED灯 波动频率：灯 波动频率：100Hz；（最高；（最高11.96，最低，最低0.1719）；波动深度：）；波动深度：97.17，不可察觉限值：，不可察觉限值：3.2，低风险限值：，低风险限值：8.0图图7LED球泡灯，波动频率：球泡灯，波动频率：100Hz；（最高；（最高1.58，最低，最低0.7799）；波动深度：）；波动深度：33.9，不可察觉限值：，不可察觉限值：3.2，低风险限值：，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。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一些有源驱动调光的LED筒灯，在满功率输出时（见图筒灯，在满功率输出时（见图8），因为开关频率达），因为开关频率达1KHz，输出光的波动深度为，输出光的波动深度为1.718，远低于不可察觉限值，远低于不可察觉限值32和低风险限值和低风险限值80，应该已能称之为无频闪。但是就这一，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，已超过不可察觉限值（见图9），换句话说已不能称之为），换句话说已不能称之为“无频闪无频闪”照明光源。照明光源。图图8有源驱动调光有源驱动调光LED灯（最亮）波动频率：灯（最亮）波动频率：1000Hz；波动深度：；波动深度：1.718，不可察觉限值：，不可察觉限值：32，低风险限值：，低风险限值：80，未调光时波动深度指标很好，未调光时波动深度指标很好图9有源驱动有源驱动LED灯（最暗）波动频率：灯（最暗）波动频率：1000Hz；（最高；（最高0.83，最低，最低0.39）；波动深度：）；波动深度：36.07，不可察觉限值：，不可察觉限值：32，低风险限值：，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当有源 LED驱动的频率达驱动的频率达1600Hz时（见图时（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），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）。，明显低于不可察觉限值（无频闪）。图图10有源驱动有源驱动LED 波动频率：波动频率：1600Hz；（最高；（最高1.49，最低，最低1.39）；波动深度：）；波动深度：3.472，不可察觉限值：，不可察觉限值：51.8,低风险限值：低风险限值：128。灯电流（蓝色波形）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）。灯电流（蓝色波形）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（这说明，目前的长余辉荧光粉对抑制（0.11.0）毫秒级的输出光波动是比较有效的。）毫秒级的输出光波动是比较有效的。当进一步提高有源当进一步提高有源LED驱动器的频率达驱动器的频率达50KHz（见图（见图11）时，驱动）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。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。图图11有源驱动有源驱动LED(调光至最亮调光至最亮)波动频率：波动频率：50KHz；驱动；驱动LED的电流还能看出波动，但是光电流已经找不出波峰和波谷，属于彻底的的电流还能看出波动，但是光电流已经找不出波峰和波谷，属于彻底的“无频闪无频闪”五.结论五.结论大部分光源闪烁大部分光源闪烁（频闪频闪）是由交流电网的正弦波所引起的是由交流电网的正弦波所引起的。因为因为LED的正向伏安特性，所以在相同的交流电源或脉动电源驱动下，很多的正向伏安特性，所以在相同的交流电源或脉动电源驱动下，很多LED照明产品输出光的闪烁现象明显甚于传统光源。照明产品输出光的闪烁现象明显甚于传统光源。波动深度达不到图波动深度达不到图3“不可察觉不可察觉”限值的照明光一般不适用于运动物体，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等的照明以及摄影和摄像的场合的照明限值的照明光一般不适用于运动物体，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等的照明以及摄影和摄像的场合的照明。波动深度达不到图波动深度达不到图3“低风险低风险”限值的照明光，当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，这时闪烁（频闪）的危害性是最大的，极易因人们的错觉造成工伤事故。限值的照明光，当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，这时闪烁（频闪）的危害性是最大的，极易因人们的错觉造成工伤事故。减少减少驱动电流的驱动电流的纹波纹波或调制的或调制的纹波纹波及及提高提高驱动电流的驱动电流的频率频率将有效改善波动深度指标。将有效改善波动深度指标。LED照明产品必须按照明场合对照明光闪烁的需求，通过改善驱动电流的波动性及采用其他手段来控制照明光的波动深度，保证各种场合下有合适的照明光的波动深度，从而避免因为照明光的闪烁（频闪）对人们健康产生损害和伤害。照明产品必须按照明场合对照明光闪烁的需求，通过改善驱动电流的波动性及采用其他手段来控制照明光的波动深度，保证各种场合下有合适的照明光的波动深度，从而避免因为照明光的闪烁（频闪）对人们健康产生损害和伤害。大部分时间输出光的闪烁尽管不被人们直接感觉到，但是还是会造成普通人群产生应变与眼睛疲劳、视力模糊和传统的头痛以及在视觉相关作业方面的效率下降。大部分时间输出光的闪烁尽管不被人们直接感觉到，但是还是会造成普通人群产生应变与眼睛疲劳、视力模糊和传统的头痛以及在视觉相关作业方面的效率下降。