【導(dǎo)讀】新光源的開發(fā)，伴隨頻閃問題的到來。專家聲稱，在光輸出上LED的振幅甚至比白熾燈或熒光燈更大。但是有一點與熒光燈不同，固態(tài)照明SSL是一種直流器件，當(dāng)恒流供電時，LED無頻閃。本文將帶你一起走進(jìn)LED頻閃，聊聊那些關(guān)于頻閃的不為人知。
從頭暈到照片曝光不足，頻閃在很多方面給人帶來影響。固態(tài)照明SSL已經(jīng)被照明行業(yè)視為現(xiàn)在和未來的高能效光源，但在LED的周期性調(diào)整導(dǎo)致頻閃這個問題上，它仍有不足。如果不加以解決，頻閃會帶來許多問題，有損精心設(shè)計的燈具和照明空間。理解頻閃問題背后的基本知識將幫助建筑師和照明專業(yè)人員規(guī)避燈光頻閃所帶來的讓人討厭、甚至有害的影響。
什么是頻閃？
關(guān)于頻閃，最簡單的定義就是指開關(guān)周期內(nèi)光的不斷波動。在美國，電流是通過頻率為60Hz的交流電傳送的，燈具的供電電壓在開關(guān)周期內(nèi)以正弦波的形式在波峰到波谷之間來回波動。因此，可能產(chǎn)生2倍于供電頻率的頻閃，也就是120Hz。如果沒有合適的電子電路，比如鎮(zhèn)流器、驅(qū)動或電源，光源就會產(chǎn)生頻閃。有些頻閃是有意為之，比如自行車前燈。某些程度的頻閃不會引起注意，也不存在生理上的不適。但有些頻閃卻真的是個問題照明行業(yè)關(guān)心的是那些可能引起神經(jīng)系統(tǒng)問題和影響工作績效的頻閃范圍。
人類可以察覺低于50Hz的燈光頻閃,當(dāng)然也有一些人到100Hz才會注意到。大約3到70Hz的低頻閃可能會引起高敏人群的癲癇發(fā)作，介于大約100到500Hz之間的中度頻閃可能會導(dǎo)致頻閃效應(yīng)的間接知覺，在這種情況下，動態(tài)的物體可能表現(xiàn)為一系列靜止的圖像。這種效應(yīng)或許是舞廳所希望達(dá)到的效果，但是對于工業(yè)場所來講卻是危險的。比如，頻閃會使移動的齒輪或者刀片看起來很慢，甚至靜止，同樣，它也給健康帶來一系列不利的影響，像頭疼、眼疲勞和身心疲倦。
圖1：頻閃效應(yīng)使運動的物體看上去是靜止的或者運動得更慢。
隨著閃爍頻率步入千赫茲范圍，高達(dá)2千赫茲甚至以上，初步研究表明，“我們感覺不到了，頻閃不再是問題了。”但是，如何讓不同的光源達(dá)到這么高的閃爍頻率，可能是個問題。
頻閃測量
當(dāng)前，沒有指導(dǎo)制造商進(jìn)行頻閃檢驗的官方標(biāo)準(zhǔn)流程，但是IES（Illuminating Engineering Society）研究出了兩種方法來測量頻閃，可以在RP-16-10《照明工程術(shù)語和定義》中找到。第一種，也是較常用的測量方法是頻閃比率。它顯示光輸出在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均調(diào)整量，也就是縮減量。一個100%頻閃的光源意味著在開關(guān)周期內(nèi)某些時候不發(fā)光，而一個完全穩(wěn)定的光源就是0%頻閃。
另外一種測量方法是頻閃指數(shù)，范圍是從0到1。它綜合了頻閃比率和其它2個變量：光波形（輸出曲線）和占空比。占空比是指光源在單個開關(guān)周期內(nèi)，開燈時間所占的百分比。頻閃比率和頻閃指數(shù)越低，光源閃爍或者造成可見頻閃效應(yīng)就越少。
圖：頻閃測量方法。頻閃比率等于一個開關(guān)周期內(nèi)最大光輸出與最小光輸出之差除以最大光輸出與最小光輸出之和。頻閃指數(shù)等于一個開關(guān)周期內(nèi)超出平均光輸出的量除以全部光輸出。
表1：常見光源的頻閃測量
傳統(tǒng)光源的頻閃
使用交流電的光源都有頻閃。高強(qiáng)度氣體放電燈（HID）的頻閃就非常明顯，Benya說，1972年奧運會期間，攝影師發(fā)現(xiàn)他們拍的很多照片漆黑一片，“因為他們嘗試拍一些非常短時間曝光的照片，但是是在錯誤的時間，那個時候，燈實際上是不發(fā)光的。”三相照明配電系統(tǒng)，相鄰燈具以120度異相供電，也就是說，一個燈亮?xí)r而另一個燈是滅的，第三個燈正好處于中間狀態(tài)，這種方案能解決體育館照明中的頻閃問題。
就算是大眾喜愛的白熾燈也有頻閃。我們沒注意到是因為白熾燈的熱惰性掩蓋了頻閃問題，切斷電源，直到下次通電時，燈絲上都還留有余熱可以發(fā)光。這個特點也是白熾燈效率低的原因，大約90%的電能轉(zhuǎn)化為熱量損失掉了。
但是熒光燈和LED不同于白熾燈，“這些光源對電的反應(yīng)很快”，“斷電就斷光。”在20世紀(jì)90年代使用電感鎮(zhèn)流器的熒光燈因為頻閃遭到投訴，制造商通過把電感鎮(zhèn)流器改為電子鎮(zhèn)流器解決了這一問題，電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動燈具的頻率超過20千赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人所能察覺的頻率。
LED為什么頻閃？
當(dāng)一種新光源進(jìn)入市場，頻閃問題也就浮出水面。在光輸出上LED的振幅甚至比白熾燈或熒光燈更大。但是，與HID或熒光燈不同，固態(tài)照明SSL是一種直流器件，這就是說當(dāng)恒流供電時，LED就可以無頻閃點亮。
那些沒有使用單獨恒流調(diào)節(jié)驅(qū)動的簡單LED電路，LED亮度會隨著交流電周期而變化。驅(qū)動起到兩個作用，供電和整流。從驅(qū)動到LED，交流電到直流電的轉(zhuǎn)換過程會產(chǎn)生電壓和電流輸出波紋。這種波紋以2倍于供電電壓的頻率存在，在美國就是120Hz。LED的輸出與驅(qū)動的輸出波形存在對應(yīng)關(guān)系。
調(diào)光是導(dǎo)致頻閃的另外一個誘因。傳統(tǒng)調(diào)光器，比如TRIAC調(diào)光器（一種能雙向?qū)щ姷碾娮釉ㄟ^在開關(guān)周期內(nèi)延長關(guān)機(jī)時間來調(diào)節(jié)電流，減少光輸出。對于LED來說，使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）以超過200Hz頻率開關(guān)LED是比較理想的。但是，如果你在一種非常低的頻率中使用脈寬調(diào)制，比如正常供電頻率，就會造成非常高的頻閃比率。
圖3：單周期波形特性和頻閃測量
減輕頻閃
減輕頻閃的關(guān)鍵在于驅(qū)動，可以通過提供恒定、無振蕩的電流來解決這個問題。但是制造商在為LED產(chǎn)品配套驅(qū)動時，不得不權(quán)衡其它因素——驅(qū)動成本、尺寸，可靠性和效率。燈具的預(yù)期用途也需要考慮，以確保產(chǎn)品不被過度設(shè)計，因為在有些照明情境中頻閃是可以被接受的，有些則不行。
制造商也一直在嘗試優(yōu)化什么產(chǎn)品適合什么應(yīng)用，怎樣讓頻閃可接受又不提高成本。”電容可以調(diào)節(jié)從驅(qū)動到LED的交流波紋，但是它也有缺點，電容體積大而且對熱敏感。所以，在一個緊湊有限的空間里，比如LED替換光源，使用電容就行不通。
使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)的LED，生廠商可以把電流調(diào)節(jié)到超過幾千赫茲的非常高的頻率。這同電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動熒光燈類似。但是要求的頻率越高，驅(qū)動和LED之間的距離就要越近。不幸的是，很多人都想要驅(qū)動遠(yuǎn)離照明系統(tǒng)，所以也并不是什么時候都可行的。
為了簡化調(diào)光器和可調(diào)光LED光引擎(LED light engines)之間的兼容性試驗，NEMA（National Electrical Manufacturers Association）發(fā)布了NEMA SSL 7A-2013《固態(tài)照明SSL切相調(diào)光：基本兼容性》，這是一份給照明產(chǎn)品設(shè)計師和生廠商的指南。只要調(diào)光器和LED光引擎都符合標(biāo)準(zhǔn)，那么它們就可以兼容。這個標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)第一個，由24家主要制造商簽署。SSL 7A的目標(biāo)是：擺脫燈具和調(diào)光器的匹配性測試。需要強(qiáng)調(diào)的是這個標(biāo)準(zhǔn)僅適用于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后的技術(shù)，正如其所言，該標(biāo)準(zhǔn)沒有給“現(xiàn)存產(chǎn)品或者已安裝的LED光引擎和切相調(diào)光器的兼容性確定”提供方法。
設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)
2002年，由LRC的Narendran領(lǐng)導(dǎo)的固態(tài)照明系統(tǒng)和技術(shù)聯(lián)盟（ASSIST）成立，這個聯(lián)盟由政府組織、研究人員和制造商組成。該組織的第一步工作就是定義可接受的頻閃范圍，2012，該組織發(fā)布ASSIST推薦：《減少固態(tài)照明系統(tǒng)頻閃效應(yīng)的閃爍參數(shù)》，包含了光源頻閃效應(yīng)的可接受度和檢測計算的方法。
最近ASSIT發(fā)起了一項關(guān)于間接頻閃知覺和人性因素的研究，該研究由LRC高級研究科學(xué)家John Bullough領(lǐng)銜。在確認(rèn)了頻閃引起人體不適的兩項主要指標(biāo)是頻率和強(qiáng)度后，Bullough試圖找出“在哪些點頻閃變得引人注意，并且對長期在這種照明條件下工作的人來說是不可接受的。”舉例來說，盡管電腦屏幕頻閃頻率是60到70赫茲，但是這種頻閃大部分并不為人察覺。
理想的話，Bullough希望做一份列示光源頻閃值和察覺該頻閃的居民比例的參考文件出來。Narendran介紹說，這項研究已經(jīng)進(jìn)入被選照明應(yīng)用領(lǐng)域的頻閃指數(shù)限制的分析階段了，應(yīng)該會在今年發(fā)布結(jié)果。
選型小貼士
照明專業(yè)人員可以采取一些方法來減少選到有頻閃的固態(tài)照明SSL產(chǎn)品的可能性。在室內(nèi)，許多LED產(chǎn)品宣稱是交流直供，Miller講，電路設(shè)計更簡單，沒有驅(qū)動，有吸引力的價格，但是有些產(chǎn)品，在滿載輸出時會產(chǎn)生高達(dá)40%的頻閃。調(diào)光階段，頻閃比率可能更高。
替換型LED光源，像MR16，A型燈泡，Par燈，比高天井燈，更有可能頻閃，替換型光源受尺寸的限制，所以他們可能會配置簡單的驅(qū)動，缺少必要的電子期間來糾正輸出。
對于不調(diào)光的產(chǎn)品，如果配置高品質(zhì)驅(qū)動，頻閃可能不明顯。但是如果一位設(shè)計師給一個替換型光源配置傳統(tǒng)墻面開關(guān)和TRIAC調(diào)光器，而不是用一個0-10V的數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)，就算再好的產(chǎn)品也會有頻閃，第一個判斷依據(jù)就是，越是便宜貨，越有可能產(chǎn)生頻閃。
設(shè)計師應(yīng)該和燈具制造商一起來確定一套可兼容的系統(tǒng)，并根據(jù)預(yù)期的最終安裝效果對驅(qū)動和調(diào)光設(shè)備進(jìn)行第一手測試。一種低技術(shù)門檻的測試方法是照亮轉(zhuǎn)動的陀螺，看有沒有頻閃效應(yīng)。另外一種是在光源下像轉(zhuǎn)風(fēng)扇那樣擺動鉛筆。在有頻閃的光源下，風(fēng)扇中的間隙和黑線會比較明顯，如果沒有頻閃，風(fēng)扇看起來就會很流暢，平滑，無間隙。
圖4：一種沒有什么技術(shù)門檻的頻閃測量方法是擺動一支鉛筆，或者如圖，一個卷尺，像風(fēng)扇那樣轉(zhuǎn)動。如果有頻閃，風(fēng)扇之間的間隙就會明顯。
聽起來好像是熒光燈和電感鎮(zhèn)流器那種黑暗的日子又回來了，但是，不存在頻閃效應(yīng)的固態(tài)照明SSL是確實存在的。只是設(shè)計師和選產(chǎn)品的人必須認(rèn)真仔細(xì)，做試驗。
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