發(fā)現(xiàn)了嗎？當我們長時間在日光燈下看書時，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)，這主要是因為日光燈的光強會隨著時間的改變而改變，進而使人眼產(chǎn)生不適感。簡言之，日光燈光源的閃爍會引起人眼的不適。

 

 

　　談到光源的閃爍時，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)出的光隨時間呈快速、重復(fù)的變化，使得光源跳動和不穩(wěn)定，也就是電光源光通量波動的深度。光通量波動深度越大，頻閃越嚴重。光源頻閃的實質(zhì)是光通量的波動，實質(zhì)光源在交流或脈沖直流的驅(qū)動下，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，人眼到人腦對這一變化產(chǎn)生的主觀反應(yīng)。而電光源光通量波動深度大小，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)。電光源頻閃越嚴重，頻閃效應(yīng)危害越嚴重。頻閃與頻閃效應(yīng)是表征電光源，光通量的波動深度和由此產(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，同時也很重視照明的光生物安全。光源頻閃對人的視覺系統(tǒng)有刺激作用，會產(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，人眼感受不到閃爍現(xiàn)象，但仍會造成眼睛疲勞，頭痛等，這就是頻閃導(dǎo)致的后果，普遍認為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重程度與光源閃爍的強度、頻率、持續(xù)作用時間以及長期性有關(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重的危害。那么頻閃對人體會產(chǎn)生哪些危害呢？

 

　　光對人體健康的危害影響是一個長期作用、慢性累積的過程，世界上發(fā)達國家很早就開始了相關(guān)的研究。根據(jù)光的閃爍頻率、光強變化幅度等不同因素，光對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)碼相機拍攝的時候因為采樣頻率的不同所以會出現(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或稱脈動)，從物理的角度上講，其發(fā)光的波動性的確遠遠低于交流電流工作的光源發(fā)光的波動程度。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燈具也會存在頻閃。

 

　　對于控制裝置制造商而言，紋波電流是產(chǎn)生頻閃的一個重要罪魁禍首。紋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，反過來又會使亮度發(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)時間，因此在一定的條件下，LED的頻閃特性主要是由于驅(qū)動電源的特性決定。而傳統(tǒng)光源由于響應(yīng)速度慢（上升、下降時間長），發(fā)光具有很大延后性，因此對電流的抖動不敏感。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)對人們的工作和生活也有一定的影響，如視覺錯覺引發(fā)工傷事故，嚴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。

 

　　對于不同光源其產(chǎn)生頻閃的技術(shù)機理都是一樣的，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，進行分析：

 

　　1、發(fā)光體驅(qū)動電功率頻率低

 

　　2、電光源供電電壓波動大

 

　　3、電光源性能

 

　　這里需要細說一下，因為白熾燈為燈絲直接加熱發(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。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。但由于其啟動與點燃均采用電感式鎮(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而波動。電壓變動產(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概念來量化。可以被人眼感知的光源閃爍，可以通過統(tǒng)計的方法來測得人眼的對光源閃爍的感覺特性。當閃爍頻率40Hz以上時，感覺就不靈敏；50Hz以上的閃爍就完全沒有感覺。

 

　　頻閃閃對人眼的危害往往超出我們的想象，為了減少頻閃給人們造成的傷害，我國相應(yīng)國標對LED頻閃做了規(guī)定，具體如何？我們往下看？

 

 

　　波特蘭PNNL（PacificNorthwest National Laboratory）高級照明組的資深科學(xué)家、照明設(shè)計師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引起上述的問題。那么這個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》給出了波動深度及頻閃指數(shù)的“不可察覺”及“低風險”限制，并定義了波動深度（波動深度=(A-B)/(A+B)×100%）和頻閃指數(shù)（頻閃指數(shù)=Q1/(Q1+Q2)），但在實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)，主要是因為會增加LED光源的成本和體積。

 

　　波動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，即邁克爾遜對比。

 

　　頻閃指數(shù)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。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》標準就是采用這種定義和限值，新標準于2016年1月1日起實施。

 

　　上圖可以幫助我們理解波動深度和頻閃指數(shù)的含義。

 

　　評價頻閃的波動深度與頻率的關(guān)系如圖2所示，圖2中無影響區(qū)域用綠色表示，低風險區(qū)域用橙色表示。低風險區(qū)域的上限是波動深度線，小于閃爍頻率的0.08倍，相當于無影響邊緣的2.5倍。

 

 

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

 

　　針對LED頻閃的特點，進行頻閃測量時需要滿足以下條件：

 

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

 

　　2）探測器必須能夠模擬人眼對光的感應(yīng)曲線，即明視函數(shù)曲線，可同時進行照度或亮度測量；

 

　　3）具備軟件計算功能。

 

　　按照上述要求，目前測量頻閃的儀器是使用光度計。測試時的環(huán)境溫度應(yīng)控制在20~30℃之間。光度計價格相對于光譜儀更便宜，但是其一次只能測量一個波長，不過在測頻閃中已經(jīng)足夠了。因為在可見光波段內(nèi)，針對同一個燈具，其光強變化是同步的且成比例的。在一個開關(guān)周期內(nèi)，我們只需要測定一個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深度，另外再計算出其平均光通量（利用積分的方法求得圖一中一個周期的面積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試光源頻閃的頻閃儀，可以從儀器中直接讀出頻閃各項參數(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）、臺式觸屏可直接顯示（如LFA-2000光源頻閃測試儀）、臺式需連接PC端加軟件測試（如PM2000）。

 

 

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

 

　　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PFC方案；3.采用雙級方案(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，但是實際經(jīng)驗告訴我們：當紋波控制在一定范圍之內(nèi)以后(10%)，很難再進一步降低，除非將電解電容不計成本的加多，也不能從根本上完全消除。

 

　　采用填谷式被動PFC方案。此方案也是最主流的一種處理方式。采用兩個大的電容以及三個二極管進行功率因素校正，因為在整流橋后面有大的電解電容，所以將交流紋波吸收，通過電感或者變壓器到次級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，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，諧波測試根本無法通過，功率因素也不能完全達到0.95以上。

 

　　采用雙級方案。在隔離電源的基礎(chǔ)上，再加一級DC to DC，就能夠消除交流紋波的影響。電性參數(shù)也能完全達到認證標準。但此方案在成本上有一定增加，需要加多一個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時不能做成全電壓輸入，但成本相對比兩級方案便宜，對于無頻閃有嚴格要求，輸出電壓超過40V時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，國家也剛剛出臺了新標準進行行業(yè)規(guī)范。按照國家最新標準對頻閃的定義以及評價方法，我們可以通過實驗（波動深度和頻閃指數(shù)）評價一個燈具的頻閃。解決頻閃的方法目前也還在研究中，某些LED驅(qū)動電源已經(jīng)可以消除頻閃。