發(fā)現(xiàn)了嗎？當(dāng)我們長時(shí)間在日光燈下看書時(shí)，眼睛容易感到不舒服，即使日光燈的亮度與白天無異。

 

　　這是為什么？專家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這主要是因?yàn)槿展鉄舻墓鈴?qiáng)會(huì)隨著時(shí)間的改變而改變，進(jìn)而使人眼產(chǎn)生不適感。簡言之，日光燈光源的閃爍會(huì)引起人眼的不適。

 

 

　　談到光源的閃爍時(shí)，我們常常用到“頻閃”一詞，那么，什么是頻閃呢？

 

　　頻閃，顧名思義，是一種由于頻率而發(fā)生的閃爍。

 

　　光源頻閃現(xiàn)象就是指光源發(fā)出的光隨時(shí)間呈快速、重復(fù)的變化，使得光源跳動(dòng)和不穩(wěn)定，也就是電光源光通量波動(dòng)的深度。光通量波動(dòng)深度越大，頻閃越嚴(yán)重。光源頻閃的實(shí)質(zhì)是光通量的波動(dòng)，實(shí)質(zhì)光源在交流或脈沖直流的驅(qū)動(dòng)下，光通量，照度或亮度隨電流幅值的周期性變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，人眼到人腦對(duì)這一變化產(chǎn)生的主觀反應(yīng)。而電光源光通量波動(dòng)深度大小，與電光源的技術(shù)品質(zhì)有直接關(guān)系。

 

　　頻閃效應(yīng)需要和頻閃區(qū)別看待，頻閃效應(yīng)是指電光源由光通量的波動(dòng)而產(chǎn)生的危害效應(yīng)，即頻閃產(chǎn)生的危害效應(yīng)。電光源頻閃越嚴(yán)重，頻閃效應(yīng)危害越嚴(yán)重。頻閃與頻閃效應(yīng)是表征電光源，光通量的波動(dòng)深度和由此產(chǎn)生的危害效應(yīng)（稱為頻閃效應(yīng)）大小的兩個(gè)互為因果的物理量，即頻閃導(dǎo)致了頻閃效應(yīng)。

 

 

　　現(xiàn)在人們不僅只關(guān)注照明的物理性能效果，同時(shí)也很重視照明的光生物安全。光源頻閃對(duì)人的視覺系統(tǒng)有刺激作用，會(huì)產(chǎn)生不舒適的感覺。通常閃爍按人的感受分為可見閃爍和不可見閃爍。頻率大于100Hz時(shí)，人眼感受不到閃爍現(xiàn)象，但仍會(huì)造成眼睛疲勞，頭痛等，這就是頻閃導(dǎo)致的后果，普遍認(rèn)為500Hz以內(nèi)都存在該效應(yīng)。

 

　　人們長期在閃爍的光線下工作或生活，還可能影響視覺系統(tǒng)的生理衛(wèi)生和心理衛(wèi)生。這種刺激作用或影響的嚴(yán)重程度與光源閃爍的強(qiáng)度、頻率、持續(xù)作用時(shí)間以及長期性有關(guān)。這種影響往往是緩慢的，因此長期以來沒有引起人們的重視。電光源的頻閃與頻閃效應(yīng)，給我們的工作和生活帶來了嚴(yán)重的危害。那么頻閃對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生哪些危害呢？

 

　　光對(duì)人體健康的危害影響是一個(gè)長期作用、慢性累積的過程，世界上發(fā)達(dá)國家很早就開始了相關(guān)的研究。根據(jù)光的閃爍頻率、光強(qiáng)變化幅度等不同因素，光對(duì)人體的危害程度也不相同。

 

 

　　傳統(tǒng)的熒光燈具直接用于50Hz的交流電，它的頻閃是100Hz，用數(shù)碼相機(jī)拍攝的時(shí)候因?yàn)椴蓸宇l率的不同所以會(huì)出現(xiàn)水波紋。而LED燈具是直流電源供電，其光源發(fā)出的光也將是直流形式的(在直流基礎(chǔ)上疊加有微小的波動(dòng)或稱脈動(dòng))，從物理的角度上講，其發(fā)光的波動(dòng)性的確遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交流電流工作的光源發(fā)光的波動(dòng)程度。但是，其輸入供電電源的仍然是交流形式的，很難完全避免交流紋波通過LED光源，所以LED燈具也會(huì)存在頻閃。

 

　　對(duì)于控制裝置制造商而言，紋波電流是產(chǎn)生頻閃的一個(gè)重要罪魁禍?zhǔn)住＜y波電流是整流和濾波后依然存在的交流成分。紋波電流疊加在直流上，具有不同的頻率和曲線。該交流成分使LED模組的功率發(fā)生波動(dòng)，反過來又會(huì)使亮度發(fā)生變化。疊加交流的數(shù)量及頻率是產(chǎn)生頻閃的決定性因素。

 

　　另外由于LED具有非常快的響應(yīng)時(shí)間，因此在一定的條件下，LED的頻閃特性主要是由于驅(qū)動(dòng)電源的特性決定。而傳統(tǒng)光源由于響應(yīng)速度慢（上升、下降時(shí)間長），發(fā)光具有很大延后性，因此對(duì)電流的抖動(dòng)不敏感。因此LED光源的頻閃問題比傳統(tǒng)的光源要更加突出、嚴(yán)重，需要給予必要的關(guān)注。

 

　　與白熾燈相比，因白熾燈有熱慣性和氣體放電燈有余輝效應(yīng)，而LED的電壓和電流與光輸出響應(yīng)快，所以LED光源的頻閃效應(yīng)更加明顯。另一方面，頻閃效應(yīng)對(duì)人們的工作和生活也有一定的影響，如視覺錯(cuò)覺引發(fā)工傷事故，嚴(yán)重的頻閃危害人們的身體健康，損傷視力等，目前限制并消除LED燈具的頻閃效應(yīng)就成為非常重要的話題。

 

　　對(duì)于不同光源其產(chǎn)生頻閃的技術(shù)機(jī)理都是一樣的，既有供電電源的因素，也有電光源技術(shù)性能落后的因素，以及照明設(shè)計(jì)不合理的因素等等，并且是諸多因素綜合作用的結(jié)果，我們僅從常用電光源技術(shù)性能的角度，進(jìn)行分析：

 

　　1、發(fā)光體驅(qū)動(dòng)電功率頻率低

 

　　2、電光源供電電壓波動(dòng)大

 

　　3、電光源性能

 

　　這里需要細(xì)說一下，因?yàn)榘谉霟魹闊艚z直接加熱發(fā)光的熱輻射性光源，發(fā)光體的發(fā)光功率，必然隨供電電源的頻率，呈正弦波規(guī)律波動(dòng)。高壓汞（鈉）燈，直管型（電感式）日光燈，雖然是氣體放電發(fā)光的電光源。但由于其啟動(dòng)與點(diǎn)燃均采用電感式鎮(zhèn)流器（不具備AC-DC-AC變頻功能）。所以，氣體放電發(fā)光體的放電功率，必然也隨供電電源的頻率波動(dòng)而波動(dòng)。電壓變動(dòng)產(chǎn)生的影響，可以用視覺敏感系數(shù)曲線和閃變電壓限值曲線兩個(gè)概念來量化。可以被人眼感知的光源閃爍，可以通過統(tǒng)計(jì)的方法來測(cè)得人眼的對(duì)光源閃爍的感覺特性。當(dāng)閃爍頻率40Hz以上時(shí)，感覺就不靈敏；50Hz以上的閃爍就完全沒有感覺。

 

　　頻閃閃對(duì)人眼的危害往往超出我們的想象，為了減少頻閃給人們?cè)斐傻膫Γ覈鄳?yīng)國標(biāo)對(duì)LED頻閃做了規(guī)定，具體如何？我們往下看？

 

 

　　波特蘭PNNL（PacificNorthwest National Laboratory）高級(jí)照明組的資深科學(xué)家、照明設(shè)計(jì)師Naomi Millier說，“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。”而LED的頻閃如果沒有很好地控制那么就會(huì)引起上述的問題。那么這個(gè)頻閃范圍又是什么呢？

 

　　雖然IEEE PAR1789 《LED照明閃爍的潛在健康影響》給出了波動(dòng)深度及頻閃指數(shù)的“不可察覺”及“低風(fēng)險(xiǎn)”限制，并定義了波動(dòng)深度（波動(dòng)深度=(A-B)/(A+B)×100%）和頻閃指數(shù)（頻閃指數(shù)=Q1/(Q1+Q2)），但在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)，主要是因?yàn)闀?huì)增加LED光源的成本和體積。

 

　　波動(dòng)深度的概念即是最大（A）和最小（B）亮度之差除以最大和最小亮度之和，即邁克爾遜對(duì)比。

 

　　頻閃指數(shù)定義為一個(gè)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。即是指Q1區(qū)域的面積與Q1和Q2區(qū)域的面積之和的比。

 

　　目前，新的GB/T 31831-2015《LED室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)就是采用這種定義和限值，新標(biāo)準(zhǔn)于2016年1月1日起實(shí)施。

 

　　上圖可以幫助我們理解波動(dòng)深度和頻閃指數(shù)的含義。

 

　　評(píng)價(jià)頻閃的波動(dòng)深度與頻率的關(guān)系如圖2所示，圖2中無影響區(qū)域用綠色表示，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域用橙色表示。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的上限是波動(dòng)深度線，小于閃爍頻率的0.08倍，相當(dāng)于無影響邊緣的2.5倍。

 

 

　　檢驗(yàn)和判別LED光源和燈具是否有頻閃？簡單的辦法是打開手機(jī)的拍照功能對(duì)著LED光源近距離觀察，如屏幕上看到光源有明顯黑條紋滾動(dòng)或有明暗變化，就可以斷定有頻閃。

 

　　針對(duì)LED頻閃的特點(diǎn)，進(jìn)行頻閃測(cè)量時(shí)需要滿足以下條件：

 

　　1）使用的光電轉(zhuǎn)換探測(cè)器，必須有很快的響應(yīng)速度，可以快速取樣；

 

　　2）探測(cè)器必須能夠模擬人眼對(duì)光的感應(yīng)曲線，即明視函數(shù)曲線，可同時(shí)進(jìn)行照度或亮度測(cè)量；

 

　　3）具備軟件計(jì)算功能。

 

　　按照上述要求，目前測(cè)量頻閃的儀器是使用光度計(jì)。測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)控制在20~30℃之間。光度計(jì)價(jià)格相對(duì)于光譜儀更便宜，但是其一次只能測(cè)量一個(gè)波長，不過在測(cè)頻閃中已經(jīng)足夠了。因?yàn)樵诳梢姽獠ǘ蝺?nèi)，針對(duì)同一個(gè)燈具，其光強(qiáng)變化是同步的且成比例的。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，我們只需要測(cè)定一個(gè)特定波長的光通量變化曲線，根據(jù)峰值和谷值可算出波動(dòng)深度，另外再計(jì)算出其平均光通量（利用積分的方法求得圖一中一個(gè)周期的面積S，在除以周期長度T，即可得到平均光通量），然后在對(duì)Q1區(qū)域積分，Q2= S - Q1，由Q1和Q2就可算出頻閃指數(shù)。

 

　　另外，目前市場上也有多種專門用于測(cè)試光源頻閃的頻閃儀，可以從儀器中直接讀出頻閃各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，大概分為3種：手持式（如SFIM-300光譜閃爍照度計(jì)）、臺(tái)式觸屏可直接顯示（如LFA-2000光源頻閃測(cè)試儀）、臺(tái)式需連接PC端加軟件測(cè)試（如PM2000）。

 

 

　　由于電光源的特性，想徹底消除頻閃是很難實(shí)現(xiàn)的，想要降低LED頻閃，根本上是取決于LED的驅(qū)動(dòng)。

 

　　目前LED電源單純來講滿足無頻閃的要求也是可以做到。大致有此三種方式：1.加大輸出電解電容；2.采用填谷式被動(dòng)PFC方案；3.采用雙級(jí)方案(AC to DC，DC to DC)。

 

　　加大輸出電解電容。此方案從理論上講可以采用電解電容吸收部分交流紋波，但是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我們：當(dāng)紋波控制在一定范圍之內(nèi)以后(10%)，很難再進(jìn)一步降低，除非將電解電容不計(jì)成本的加多，也不能從根本上完全消除。

 

　　采用填谷式被動(dòng)PFC方案。此方案也是最主流的一種處理方式。采用兩個(gè)大的電容以及三個(gè)二極管進(jìn)行功率因素校正，因?yàn)樵谡鳂蚝竺嬗写蟮碾娊怆娙荩詫⒔涣骷y波吸收，通過電感或者變壓器到次級(jí)部分的電流為直流電。

 

　　填谷式方案也存在一些問題，輸出電壓在40V以上時(shí)，無法做成90-265V全電壓輸入，填谷電路輸出電壓谷值只有電解濾波電路谷值的一半，填谷式的整流方式整流后輸出電壓比普通整流后的輸出電壓低不少，有可能采用填谷式后在低壓輸入的是帶載不足。再者，無論隔離式還是非隔離式填谷式方案，諧波測(cè)試根本無法通過，功率因素也不能完全達(dá)到0.95以上。

 

　　采用雙級(jí)方案。在隔離電源的基礎(chǔ)上，再加一級(jí)DC to DC，就能夠消除交流紋波的影響。電性參數(shù)也能完全達(dá)到認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。但此方案在成本上有一定增加，需要加多一個(gè)電源管理芯片以及部分外圍電路。

 

　　綜上所述，填谷式方案固然能夠解決LED燈具的頻閃問題，但存在輸出電壓超過40V時(shí)不能做成全電壓輸入，但成本相對(duì)比兩級(jí)方案便宜，對(duì)于無頻閃有嚴(yán)格要求，輸出電壓超過40V時(shí)不要求全電壓輸入的客戶可以考慮選擇此種無頻閃電源解決方案，而對(duì)于無頻閃及其它方面均有較高要求的客戶，則可以選擇雙級(jí)方案。

 

 

　　目前，LED的頻閃危害正逐漸引起人們的注意，國家也剛剛出臺(tái)了新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行行業(yè)規(guī)范。按照國家最新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻閃的定義以及評(píng)價(jià)方法，我們可以通過實(shí)驗(yàn)（波動(dòng)深度和頻閃指數(shù)）評(píng)價(jià)一個(gè)燈具的頻閃。解決頻閃的方法目前也還在研究中，某些LED驅(qū)動(dòng)電源已經(jīng)可以消除頻閃。