照明產品的頻閃分析及對功能性照明的影響

陸世鳴，劉 磊，俞安琪

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

1 從傳統光源的頻閃說起

自從采用交流電網作為照明電源起，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好以外還能有效避免頻閃，甚至一些醫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。從圖1 的測量參數可以看出，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”區域時，燈絲的“熱慣性”尚能維持發光，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動電流頻率的函數關系，也可應用于復雜波形傅立葉分量的閃爍評估。低風險區域的上限是線性變化的，低風險區域的上限＜閃爍頻率×0.08，相當于無影響邊緣的2.5。低風險區域的更多研究是開放的，但在IEEE PAR1789 危險性評估分委會內，橙色區域包含低風險區已達成共識。

2.2 閃爍的度量

閃爍指數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關系

圖4 閃爍指數和閃爍百分數的定義圖

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暗區以及攝像時出現黑色滾動條。

（3）于光敏性癲癇病人，低頻率高波動而產生可見的閃爍，會誘導癲癇發作。

（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、視力模糊和傳統的頭痛，視力和在視覺相關作業上性能下降。

（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 嚴重調幅的直流來驅動LED，在180°半周期內，每次電源電壓過零區域將有35°～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），其光輸出閃爍現象明顯甚于傳統光源。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現這些光閃爍的情況，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象，如果用數碼相機或手機處于攝像/攝影狀態時對準這些燈，也能直接觀察到亮暗變化。

一些有源驅動調光的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，在采用前切相式調光器并調到光輸出最暗時，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 驅動的頻率達1 600 Hz 時（見圖10），盡管驅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 驅動器的頻率達50 kHz（見圖11）時，驅動LED 電流有明顯的波動，但是輸出光的電流已經找不出波峰和波谷，與純直流驅動一樣，屬于徹底的無頻閃。這說明提高驅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 有源驅動調光LED 燈（最亮）

圖9 有源驅動LED 燈（最暗）

圖10 有源驅動LED

圖11 有源驅動LED（調光至最亮）

5 小 結

大部分光源閃爍（頻閃）是由交流電網的正弦波所引起的。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動下，很多LED 照明產品輸出光的閃爍現象明顯甚于傳統光源。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生眼睛疲勞、視力模糊和傳統的頭痛，以及在視覺相關作業方面的效率下降。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。

減少驅動電流的紋波或調制的紋波及提高驅動電流的頻率將有效改善波動深度指標。LED 照明產品必須滿足照明場合對照明光閃爍的需求，通過改善驅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）