普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃問(wèn)題分析

薛曉曉，陳 萍，王 建

(浙江省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)所，浙江 杭州 310007)

普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃問(wèn)題分析

薛曉曉，陳 萍，王 建

(浙江省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)所，浙江 杭州 310007)

通過(guò)采用兩份國(guó)際上主流的頻閃問(wèn)題技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)80批次從市場(chǎng)購(gòu)買及從企業(yè)取回的普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品進(jìn)行了檢測(cè)。對(duì)目前市場(chǎng)上該產(chǎn)品的頻閃問(wèn)題現(xiàn)狀進(jìn)行了一次摸底，并從技術(shù)規(guī)范項(xiàng)目的設(shè)定原理以及產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果來(lái)分析兩份技術(shù)規(guī)范的特點(diǎn)，歸納了其統(tǒng)一性及區(qū)別。

照明；自鎮(zhèn)流LED燈；頻閃；閃爍百分比；SVM指數(shù)

引言

隨著LED照明產(chǎn)品被越來(lái)越多地應(yīng)用在我們的日常生活中，對(duì)其頻閃問(wèn)題的探討近年來(lái)時(shí)常出現(xiàn)在相關(guān)技術(shù)論壇及學(xué)術(shù)會(huì)議上。越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者都更加關(guān)心LED燈的頻閃問(wèn)題。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)光源頻閃的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們嘗試通過(guò)采用兩份目前國(guó)際上主流的LED燈頻閃測(cè)試和評(píng)判技術(shù)規(guī)范，對(duì)80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一測(cè)量和歸納分析。

1 檢測(cè)項(xiàng)目及方案

本次檢測(cè)的項(xiàng)目為IEEE Std 1789—2015《IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers》中要求的閃爍百分比(Percent Flicker)及與其判定配套使用的光波動(dòng)頻率、NM(normalized modulation歸一化調(diào)制)和CIE TN 006:2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中要求的Pst(短期閃爍指數(shù))及SVM指數(shù)(Stroboscopic effect visibility measure，頻閃效應(yīng)可見(jiàn)性測(cè)量指數(shù))。

在80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品準(zhǔn)備中，從市場(chǎng)隨機(jī)買樣70批次，從企業(yè)取樣10批次，樣品均不具備調(diào)光功能。在買樣及取樣過(guò)程中，沒(méi)有提出任何特殊要求，均為正常銷售或待銷產(chǎn)品?？紤]到實(shí)際銷售及使用中存在的產(chǎn)品分布特點(diǎn)，最終得到80批次樣品中：冷色調(diào)57批次，暖色調(diào)23批次；額定功率3 W及以下43批次，額定功率3 W以上6 W及以下20批次，額定功率6 W以上17批次?？紤]到檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性，本文將只選取每批次中1個(gè)普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

檢測(cè)在測(cè)光暗室中進(jìn)行，將燈保持在固定的距離，到其燃點(diǎn)穩(wěn)定后，使用LFA-3000光源頻閃測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)。該測(cè)試系統(tǒng)采用最高達(dá)到100 kHz的高速照度探頭，測(cè)量LED燈光輸出的時(shí)域變化曲線；并對(duì)該曲線進(jìn)行時(shí)域及頻域的分析計(jì)算，從而得到需要的各參數(shù)。

2 檢測(cè)項(xiàng)目分析

2.1 閃爍百分比

閃爍百分比表示在光輸出的一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)，最大光輸出值減去最小光輸出值和最大光輸出值加上最小光輸出值的比值(見(jiàn)圖1)，見(jiàn)公式(1)。

式中，PF為閃爍百分比，A是最大光輸出值，B是最小光輸出值。本文中光輸出值即為固定距離測(cè)得的照度值。

圖1 光輸出變化曲線Fig.1 Light output waveform

閃爍百分比表示的是光輸出在一個(gè)周期內(nèi)的最大波動(dòng)。閃爍百分比為100%意味著該光源在一個(gè)周期內(nèi)的某些時(shí)候不發(fā)光，而一個(gè)完全穩(wěn)定的光源其閃爍百分比則是0%。

IEEE Std 1789—2015對(duì)于LED燈閃爍百分比的要求分別見(jiàn)表1和表2。

2.2 NM

將光輸出變化曲線通過(guò)快速傅里葉變換得到了各頻率的分量，并計(jì)算出各分量的閃爍百分比。將每一分量的閃爍百分比除以該頻率點(diǎn)閃爍百分比限值，并對(duì)所有分量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累加，即得到NM。NM1=1表示頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)限值，若NM1>1則表示光源為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；NM2=1表示頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)限值，若NM2>1則表示光源為頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表1 高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 1 High risk level

表2 低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 2 Low risk level

2.3 Pst

在電磁兼容項(xiàng)目中，Pst是考慮用電設(shè)備的工作對(duì)電網(wǎng)造成波動(dòng)，從而導(dǎo)致同一電網(wǎng)中工作的光源發(fā)生閃爍影響的評(píng)價(jià)值。CIE TN 006:2016中將Pst作為評(píng)價(jià)80 Hz以下低頻可見(jiàn)閃爍的一個(gè)參數(shù)。它是對(duì)采集到的光輸出變化曲線的去調(diào)制，進(jìn)行人眼響應(yīng)濾波，并計(jì)算短期內(nèi)信號(hào)的方差然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。Pst的限值為1，當(dāng)其等于1時(shí)表示在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，50%的觀測(cè)者剛好感覺(jué)到有閃爍。

2.4 SVM指數(shù)

SVM指數(shù)是CIE TN 006:2016最新提出專門量化頻閃效應(yīng)的一個(gè)參數(shù)。它得到了Lighting Europe和NEMA的支持。SVM指數(shù)反映的是80 Hz～2 000 Hz光波動(dòng)照射下人眼對(duì)于頻閃效應(yīng)的可視化程度，見(jiàn)式(2)。

式中，Cm為光輸出變化曲線m階傅里葉分量的幅值；Tm是第m階傅里葉分量其頻率對(duì)應(yīng)的頻閃效應(yīng)可見(jiàn)閾值(見(jiàn)圖2)；n等于3.7。SVM指數(shù)的限值為1，當(dāng)其等于1時(shí)表示頻閃效應(yīng)正好可見(jiàn)。

圖2 頻閃效應(yīng)可見(jiàn)閾值曲線Fig.2 SVM sensitivity curve

3 檢測(cè)結(jié)果分析

按照一致性要求，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定的電源、大氣及光環(huán)境條件下，對(duì)80批次樣品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分批檢測(cè)。

3.1 閃爍百分比、光波動(dòng)頻率和NM檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

80批次樣品中，有75批次樣品的光波動(dòng)頻率為100 Hz；4批次樣品的光波動(dòng)頻率為50 Hz；1批次樣品的光波動(dòng)頻率為500 Hz。32批次樣品的閃爍百分比為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；35批次樣品的閃爍百分比為頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。32批次樣品的NM1超過(guò)了限值；35批次樣品的NM2超過(guò)了限值。按照NM與按照閃爍百分比判定的頻閃風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果一致，且樣品分布一致。按照存在頻閃風(fēng)險(xiǎn)的比例來(lái)說(shuō)，頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的樣品比例達(dá)到了40.0%，頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的樣品比例達(dá)到了43.8%。表3為典型的10批次樣品的檢測(cè)結(jié)果。

3.2 Pst和SVM指數(shù)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

80批次樣品中，所有樣品的Pst檢測(cè)結(jié)果均未達(dá)到可見(jiàn)限值；23批次樣品的SVM指數(shù)超過(guò)了頻閃效應(yīng)可見(jiàn)限值，頻閃效應(yīng)可見(jiàn)的樣品達(dá)到了28.8%。表4為表3對(duì)應(yīng)的10批次樣品的檢測(cè)結(jié)果。

表3 閃爍百分比、光波動(dòng)頻率和NM檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test result of PF,frequency and NM

表4 Pst和SVM指數(shù)檢測(cè)結(jié)果Table 4 Test result of Pst and SVM

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

閃爍百分比是通過(guò)光輸出變化曲線的幅值直接計(jì)算得到的，能夠較為直觀地表現(xiàn)出光輸出的變化量。由于這個(gè)特點(diǎn)，它并沒(méi)有考慮光輸出變化曲線波形不同對(duì)實(shí)際頻閃效果的影響，但實(shí)際上波形的不同必然會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果存在一定的影響。而NM參數(shù)，是對(duì)只簡(jiǎn)單根據(jù)閃爍百分比和光波動(dòng)頻率來(lái)判定LED光源的頻閃情況的完善和補(bǔ)充。由于NM是通過(guò)快速傅里葉變換得到各頻率的分量，再進(jìn)行計(jì)算，充分考慮了波形不同對(duì)實(shí)際頻閃結(jié)果的影響。能夠?qū)⑷我庑螤畹牟ㄐ危y(tǒng)一到了正弦波。因此，拋開(kāi)限值是否合理不論，只針對(duì)光輸出變化曲線的分析情況來(lái)說(shuō)，NM是比較充分的。本次80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈閃爍百分比與NM的判定結(jié)果完全一致，我們發(fā)現(xiàn)這正是因?yàn)槠渲虚W爍百分比較大的樣品其光輸出變化曲線波形接近于正弦波(如圖3所示)。當(dāng)光輸出變化曲線和正弦波差別較大時(shí)，NM和閃爍百分比的判定可能會(huì)有所差距。

圖3 某樣品光輸出變化曲線Fig.3 Light output waveform of a typical sample

Pst考慮的是80 Hz以下的可見(jiàn)閃爍。本次檢測(cè)的80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品中，76批次樣品的光輸出變化曲線頻率是100 Hz及100 Hz以上的，另外4批次50 Hz的樣品的閃爍百分比或者說(shuō)其光輸出變化曲線的波動(dòng)并不是太大，因此并沒(méi)有達(dá)到頻閃可見(jiàn)的限值。然而從光源存在的多樣性來(lái)考慮，對(duì)某些低頻且波動(dòng)幅度較大的光輸出來(lái)說(shuō)，Pst將變得十分有意義。

SVM指數(shù)是通過(guò)對(duì)光輸出變化曲線進(jìn)行傅里葉變換得到各頻率分量的幅值，然后對(duì)各分量幅值和該頻率的頻閃效應(yīng)可見(jiàn)閾值的比值再來(lái)做求和計(jì)算。因此它主要考慮的是實(shí)際分量幅值和和頻閃效應(yīng)可見(jiàn)閾值Tm的比值。Tm是人眼對(duì)頻閃效應(yīng)的感知閾值，是從大量針對(duì)人眼頻閃效應(yīng)主觀感知的實(shí)驗(yàn)并通過(guò)統(tǒng)計(jì)歸納得到的。而式(2)中的Minkowski標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)n同樣是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)化擬合常數(shù)。因此SVM是從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，從人眼直接能夠感知的角度來(lái)得到的頻閃效應(yīng)可見(jiàn)指數(shù)。本次檢測(cè)中頻閃效應(yīng)可見(jiàn)樣品的比例要小于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)樣品的比例。

從這4個(gè)參數(shù)的測(cè)量或計(jì)算過(guò)程來(lái)看，我們所采用的兩份技術(shù)規(guī)范對(duì)頻閃問(wèn)題考慮的方向和分析原理存在不同。IEEE Std 1789—2015所要求的閃爍百分比和NM都是對(duì)光輸出變化曲線本身的分析，它們考慮的是燈發(fā)出光的波動(dòng)和對(duì)應(yīng)頻率的關(guān)系。而CIE TN 006:2015則完全從人眼感知的角度出發(fā)，通過(guò)人眼對(duì)可見(jiàn)閃爍以及頻閃效應(yīng)的可見(jiàn)程度從統(tǒng)計(jì)分析的方法得到。它們看待頻閃問(wèn)題的角度存在差異，但這個(gè)差異并不矛盾。因此這也能夠部分地解決行業(yè)內(nèi)針對(duì)這兩份技術(shù)規(guī)范的爭(zhēng)論。

本次檢驗(yàn)中，有40.0%的樣品達(dá)到了IEEE Std 1789—2015規(guī)定的高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，43.8%達(dá)到了低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。有28.8%的樣品超過(guò)了CIE TN 006:2015頻閃效應(yīng)可見(jiàn)限值。而超過(guò)頻閃效應(yīng)可見(jiàn)限值的樣品，均為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，且其閃爍百分比和NM1都要比頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)限值要大得多。因此僅從本次檢測(cè)結(jié)果來(lái)說(shuō)，兩者對(duì)頻閃問(wèn)題的判定存在一定的一致性，其限值要求存在不同。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)80批次隨機(jī)買樣和取樣普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈頻閃參數(shù)的檢測(cè)可以看到，目前國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品的頻閃問(wèn)題比較嚴(yán)重。許多普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，也有不少產(chǎn)品的頻閃效應(yīng)為可見(jiàn)。為此有關(guān)部門應(yīng)積極組織行業(yè)內(nèi)專家，在充分參考研究國(guó)際上相關(guān)技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，做好理論研究和產(chǎn)品分析工作，盡快制定出我們自己的檢驗(yàn)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；引導(dǎo)企業(yè)改善產(chǎn)品頻閃控制能力，減少頻閃危害；不斷提高LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量水平，促進(jìn)我國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

[1] IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risk to Viewers：IEEE Std 1789—2015[S].

[2] Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models：CIE TN 006:2016[S].

[3] 盧帆.交流LED頻閃效應(yīng)研究[D].南京：東南大學(xué),2015.

[4] CIE發(fā)布有關(guān)照明頻閃的定義和測(cè)量的技術(shù)備注[EB/OL].http://lights.ofweek.com/2016-10/ART-220001-8130-30058664.html.

AnalysisofFlickerProblemofSelf-BallastedLEDLampsforGeneralLightingServices

XUE Xiaoxiao，CHEN Ping，WANG Jian
(ZhejiangProvincialTestingInstituteofElectronicInformationProducts，Hangzhou310007，China)

We tested 80 batches self-ballasted LED lamps for general lighting services we bought or obtained from manufactories, adopting the test items in 2 international mainstream technology specification of flicker. We were trying to find out the existing status of flicker problems on the market. In this paper, we analyze the two specifications to conclude their unity and differences from the principles and the test results.

self-ballasted LED lamps for general lighting services; flicker; percent flicker; NM; Pst; SVM

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.012