照明產(chǎn)品的頻閃分析及對功能性照明的影響

陸世鳴，劉 磊，俞安琪

（國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海）；國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心；上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院；上海市照明學會，上海 201114）

1 從傳統(tǒng)光源的頻閃說起

自從采用交流電網(wǎng)作為照明電源起，因交流電而引起的光源閃爍（頻閃）問題就一直困擾著人們，從20 世紀60年v代末至90年v代，為了提高照明能效，工廠里大量采用電感鎮(zhèn)流器配熒光燈的照明燈具。在眾多的紡織廠車間里，為了看清楚高速運動的梭子，而采用三相電源分別點亮每相的熒光燈并且照亮同一場合，從相位上基本彌補了輸出光的頻閃。但是對于一般的家庭及辦公室，不可能具備三相電源，無法采用上述方法。有很多人認為，采用白熾燈照明除了光色參數(shù)好以外還能有效避免頻閃，甚至一些醫(yī)生也會告訴家長讓孩子使用60 W 白熾燈的臺燈，但這仍然是一個認識上的誤區(qū)。從圖1 的測量參數(shù)可以看出，該臺燈輸出光的波動深度為18.9，已明顯超過了美國IEEE PAR 1789 標準的“不可察覺”限值和“低風險”限值。實際證明白熾燈的頻閃深度隨燈絲溫度不同而變動。白熾燈功率越小其燈絲溫度也越低，所以波動深度相對就大。

充有鹵族元素的白熾燈（鹵素燈）因為燈絲溫度足夠高，當燈電流在過“零”區(qū)域時，燈絲的“熱慣性”尚能維持發(fā)光，所以其頻閃深度遠好于普通的白熾燈，從圖2 可以看出，該鹵素燈頻閃深度已低于“不可察覺”限值，可認為無頻閃的燈。

圖1 60 W 白熾燈具頻閃變化

圖2 低壓鹵鎢燈的燈具頻閃變化

2 IEEE PAR1789 中的限值簡介

2.1 波動深度的定義

IEEE PAR1789 對波動深度定義為最大和最小亮度之差除以最大和最小亮度之和，即邁克爾遜對比。圖3 給出的是波動深度隨驅(qū)動電流頻率的函數(shù)關系，也可應用于復雜波形傅立葉分量的閃爍評估。低風險區(qū)域的上限是線性變化的，低風險區(qū)域的上限＜閃爍頻率×0.08，相當于無影響邊緣的2.5。低風險區(qū)域的更多研究是開放的，但在IEEE PAR1789 危險性評估分委會內(nèi)，橙色區(qū)域包含低風險區(qū)已達成共識。

2.2 閃爍的度量

閃爍指數(shù)由伊士曼和坎貝爾定義為:一個周期的平均光輸出線以上的面積除以光輸出曲線的總面積（圖4）。公式為

因為文章涉及的閃爍波形都是簡單且重復的波形，所以文章對閃爍程度的衡量采用圖3 的閃爍頻率和波動深度函數(shù)關系的限值來評價。

圖3 低風險和不可察覺到的影響水平的閃爍頻率和波動深度函數(shù)關系

圖4 閃爍指數(shù)和閃爍百分數(shù)的定義圖

3 功能性照明光閃爍的危害

在功能性照明場合，照明光的閃爍會帶來諸多麻煩甚至危害，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）對于體育場館，如果需要照明運動物體，例如乒乓球館、羽毛球館、網(wǎng)球館等，照明光的閃爍將無法看清運動球體。

（2）在進行攝影和攝像的場合，如果采用帶閃爍的光照明，將無法避免攝影時出現(xiàn)暗區(qū)以及攝像時出現(xiàn)黑色滾動條。

（3）于光敏性癲癇病人，低頻率高波動而產(chǎn)生可見的閃爍，會誘導癲癇發(fā)作。

（4）在自閉癥人之間增加重復行為。

（5）低波動高頻閃爍效果不太明顯，需要幾分鐘，可引起偏頭痛，嚴重時常伴惡心、視覺紊亂。

（6）包括應變疲勞、眼睛疲勞、視力模糊和傳統(tǒng)的頭痛，視力和在視覺相關作業(yè)上性能下降。

（7）頻閃效應和相關的機械運動合拍時，將造成機械運動明顯減慢或者停止運動的錯覺。

頻閃效應（車輪效應、反轉效應等）是指一類錯覺，通過間歇照明，旋轉或移動的物體外觀是改變的。所以上述第7 條可能造成的危害最大。

4 LED 照明產(chǎn)品的閃爍

圖5 是典型的LED 伏安特性曲線，從該伏安特性曲線的Ⅰ象限可以看出，從坐標原點到接近VF（0）段，LED 兩極之間盡管存在一個正向電壓，但幾乎沒有電流流過LED，所以LED 也不可能發(fā)光，只有當外加正向電壓≥VF（0）時，LED 才有明顯的導通電流并隨之發(fā)光。

圖5 LED 伏安特性曲線

從該伏安特性圖和實測結果看出，如果用交流或波動度很大的單向脈動直流或被整流后100 Hz 嚴重調(diào)幅的直流來驅(qū)動LED，在180°半周期內(nèi)，每次電源電壓過零區(qū)域?qū)⒂?5°～45°不導通。因為這一原因，有很多LED 燈管（T-LED）（見圖6）和球泡燈（見圖7），其光輸出閃爍現(xiàn)象明顯甚于傳統(tǒng)光源。當然，LED 燈管（TLED）除了光輸出閃爍外，還存在尚無安全標準的問題。

圖6 T-LED 燈

圖7 LED 球泡燈

由于人眼的滯留作用，在一般場合我們可能沒發(fā)現(xiàn)這些光閃爍的情況，但是如果在這種燈光下，伸開五指水平晃動，就可察覺明顯的亮暗交替現(xiàn)象，如果用數(shù)碼相機或手機處于攝像/攝影狀態(tài)時對準這些燈，也能直接觀察到亮暗變化。

一些有源驅(qū)動調(diào)光的LED 筒燈，在滿功率輸出時（見圖8），因為開關頻率達1 kHz，輸出光的波動深度為1.718，遠低于不可察覺限值3.2 和低風險限值8.0，可稱之為無頻閃。但是就這一LED 筒燈，在采用前切相式調(diào)光器并調(diào)到光輸出最暗時，其波動深度已達36.07，已超過不可察覺限值（見圖9），不能稱之為“無頻閃”照明光源。

當有源LED 驅(qū)動的頻率達1 600 Hz 時（見圖10），盡管驅(qū)動電流的波動深度仍比較大，但采用了長余輝熒光粉后，輸出光的波動深度僅為3.472，明顯低于不可察覺限值（無頻閃）。

這說明，目前的長余輝熒光粉對抑制（1/10～1）毫秒級的輸出光波動是比較有效的。當進一步提高有源LED 驅(qū)動器的頻率達50 kHz（見圖11）時，驅(qū)動LED 電流有明顯的波動，但是輸出光的電流已經(jīng)找不出波峰和波谷，與純直流驅(qū)動一樣，屬于徹底的無頻閃。這說明提高驅(qū)動電源的頻率能有效抑制輸出光的波動深度，甚至能徹底消除光的閃爍。

圖8 有源驅(qū)動調(diào)光LED 燈（最亮）

圖9 有源驅(qū)動LED 燈（最暗）

圖10 有源驅(qū)動LED

圖11 有源驅(qū)動LED（調(diào)光至最亮）

5 小 結

大部分光源閃爍（頻閃）是由交流電網(wǎng)的正弦波所引起的。因為LED 的正向伏安特性，所以在相同的交流電源或脈動電源驅(qū)動下，很多LED 照明產(chǎn)品輸出光的閃爍現(xiàn)象明顯甚于傳統(tǒng)光源。大部分時間輸出光的閃爍盡管不被人們直接感覺到，但還是會造成普通人群產(chǎn)生眼睛疲勞、視力模糊和傳統(tǒng)的頭痛，以及在視覺相關作業(yè)方面的效率下降。波動深度達不到圖3“不可察覺”限值的照明光一般不適用于運動物體，例如乒乓球館、羽毛球館、網(wǎng)球館等的照明以及攝影和攝像場合的照明。波動深度達不到圖3“低風險”限值的照明光，當頻閃效應和相關的機械運動合拍時，將造成機械運動明顯減慢或者停止運動的錯覺，這時閃爍（頻閃）的危害性是最大的，極易因人們的錯覺造成工傷事故。

減少驅(qū)動電流的紋波或調(diào)制的紋波及提高驅(qū)動電流的頻率將有效改善波動深度指標。LED 照明產(chǎn)品必須滿足照明場合對照明光閃爍的需求，通過改善驅(qū)動電流的波動性或采用其他手段來控制照明光的波動深度，保證各種場合下照明光有合適的波動深度，從而避免因照明光閃爍（頻閃）對人們健康產(chǎn)生損害和傷害。

［1］危險性評估分委會IEEE PAR1789，LED 照明閃爍的潛在健康影響

［2］張璐，俞安琪.發(fā)光二極管燈管存在的安全問題及應遵循的有關標準［J］.光源與照明，2013（3）