什么是频闪？LED为什么频闪？

本文格式为Word版，下载可任意编辑什么是频闪？LED为什么频闪？ 关于频闪，最简洁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的沟通电传送的，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。假如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留意，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，“照明行业关怀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）的讨论主任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才会留意到”。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），在这种状况下，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盼望达到的效果，但是对于工业场所来讲却是危急的。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、眼疲惫和身心疲乏。 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，随着闪耀频率步入千赫兹范围，高达2千赫兹甚至以上，初步讨论表明，“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耀频率，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）讨论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，光源闪耀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 使用沟通电的光源都有频闪。高强度气体放电灯（HID）的频闪就特别明显，Benya说，1972年奥运会期间，摄影师发觉他们拍的许多照片漆黑一片，“由于他们尝试拍一些特别短时间曝光的照片，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。 就算是大众宠爱的白炽灯也有频闪。我们没留意到是由于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缘由，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年月使用电感镇流器的荧光灯由于频闪遭到投诉，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整驱动的简洁LED电路，LED亮度会随着沟通电周期而变化。驱动起到两个作用，供电和整流。从驱动到LED，沟通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整电流，削减光输出。对于LED来说，使用脉冲宽度调制（PWM）以超过200Hz频率开关LED是比较抱负的。但是，Benya强调：“假如你在一种特别低的频率中使用脉宽调制，比如正常供电频率，就会造成特别高的频闪比率。” 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，可以通过供应恒定、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，牢靠性和效率。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，由于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：“制造商也始终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。”电容可以调整从驱动到LED的沟通波纹，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）调整的LED，生厂商可以把电流调整到超过几千赫兹的特别高的频率。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，许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”供应方法。 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、讨论人员和制造商组成。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推举：削减固态照明系统频闪效应的闪耀参数，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讨论，该讨论由LRC高级讨论科学家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留意，并且对长期在这种照明条件下工作的人来说是不行接受的。”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。 抱负的话，Bullough盼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，这项讨论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，应当会在今年发布结果。 选型小贴士 照明专业人员可以实行一些方法来削减选到有频闪的固态照明SSL产品的可能性。在室内，很多LED产品宣称是沟通直供，Miller讲，电路设计更简洁，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洁的驱动，缺少必要的电子期间来订正输出。 对于不调光的产品，假如配置高品质驱动，频闪可能不明显。但是假如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，“第一个推断依据就是，越是廉价货，越有可能产生频闪。” 设计师应当和灯具制造商一起来确定一套可兼容的系统，并依据预期的最终安装效果对驱动和调光设备进行第一手测试。一种低技术门槛的测试方法是照亮转动的陀螺，看有没有频闪效应。另外一种是在光源下像转风扇那样摇摆铅笔。在有频闪的光源下，风扇中的间隙和黑线会比较明显，假如没有频闪，风扇看起来就会很流畅，平滑，无间隙。 图：一种没有什么技术门槛的频闪测量方法是摇摆一支铅笔，或者如图，一个卷尺，像风扇那样转动。假如有频闪，风扇之间的间隙就会明显。 听起来似乎是荧光灯和电感镇流器那种黑暗的日子又回来了，但是，不存在频闪效应的固态照明SSL是的确存在的。只是设计师和选产品的人必需仔细认真，做试验。“前景并非一片黑暗”， Narendran说，“只是必需先花时间来确认你用的是兼容的系统。” 第 6 页 共 6 页