央视3·15曝光LED频闪,关于频闪的这些事儿你知道吗?

  智能照明的发展甚嚣尘上,但照明产品在附加调光、通讯等功能后往往频闪问题凸显。频闪会带来健康和安全方面的问题,国际上有关频闪的标准也相继出台,但不同部门的标准的关注重点不同,评估指标也差别很大。本文就当前国际组织关注的频闪评价做了简要梳理,并建议高效的检测评价手段。


  一、什么是频闪


  频闪是指电光源光通量以一定频率的波动。用手机对准光源经常可以发现条纹分布,这就是由于频闪引起的。某些程度的频闪不会引起注意,也不存在生理上的不适;但有些频闪却真的是问题。早在上世纪90年代,就有大量的研究发现:光源频闪与偏头痛、头痛、自闭症、视觉疲劳与不适等神经学疾病有密切关系,严重的会使人眼造成错觉,进而引发事故。不要小看频闪,不同的频率和波动深度对人的影响是不一样的!


  1.可见频闪


  人眼是非常复杂的系统,个体差异非常大,对于绝大多数人来说,可以察觉到80Hz以下的光闪烁,此时的人眼能够感知到明暗变化,闪烁频率在80Hz以下的也被称为可见频闪(visible flicker)。可见频闪是普通照明或显示无法接受的。



  人眼对频闪的敏感加权函数


  2.频闪效应


  对于80Hz以上的频闪,人眼是不易发觉的,但却对人眼的空间感知有较大影响。例如将运动的物体看成是一系列静止的图像,即频闪效应(Stroboscopic effect)。由于频闪效应,人们会产生错觉,而把一些快速运转的设备看成是缓慢运转着甚至是静止的是非常危险的 。



  频闪效应示意



  频闪效应带来的机器运转错觉


  3.幻影现象


  同样的,当光源的闪烁频率在80Hz-2kHz时,且环境中的物体保持静止,人眼在移动位置或方向时,静止光源却会出现系统的延伸光点,称为幻影现象,如汽车尾灯,或者扫视户外LED显示屏等。



  4.频闪的危害


  光源频闪与偏头痛、头痛、自闭症、眼睛疲劳、视力模糊等多种神经科疾病有着密切的关系。研究表明,3-70Hz的低频闪烁光源对于一些人可能引发光敏性癫痫;对于100Hz闪烁频率被认定可导致头痛、偏头痛;对于120Hz频率的闪烁光源可能会影响人的情绪,出现厌烦、焦虑等。而频闪效应和相关机械运动合拍时造成的视觉错觉在工业场所是十分危险的。因此,对于照明产品的频闪特性进行准确测量和评估直接关系到人们的健康问题,亟待解决。


  二、LED为什么会频闪


  LED照明产品采用AC转DC的恒压或者恒流电源驱动,光源本身并不会产生频闪,有无频闪取决于LED驱动电源由于驱动器千差万别,每个LED产品的频闪表现也不一样。特别是有些厂家为了节约成本,使用了较为简单的驱动电路,如AC LED,会存在较大的频闪问题。


  而对于智能照明产品,调光是其必备的功能,而调光恰恰是导致频闪的另外一个诱因。而当产品加载调光功能时,频闪往往会进一步加剧。特别是在调光较暗时,其波动深度比较大,如下图所示。因此对于具有调光功能或者宣称可连接调光控制器的照明产品,应该在其分别在调光最亮以及调光较暗时测量其频闪表现。



  调光LED灯具的闪烁波形


  三、有关频闪评价标准


  目前,国际上已有多个标准化研究小组都对频闪课题展开了深入的研究,并且已经或者正在发布标准或者技术规范,主要包括以下几类:


  1.能源之星和IEEE


  北美能源之星产品认证规范是最早对照明产品的频闪作出要求的标准之一,实际上,早在2000年的IESNA照明手册中就已经对频闪提出了明确的定义和要求。


  2015年发布的IEEE 文件中,将频闪风险分为几个等级,如下图所示,绿色面积覆盖的是无风险的等级,而黄色区域则是低风险类,超过黄色部分是不能被接受的。



  低风险(黄色区域)和无察觉等级(绿色以下区域)示意图


  2.加州法规


  2015年发布的加州CEC法规中对频闪的测量和评估方法提出了不同的要求,要求在40Hz、90Hz、200Hz、400Hz和1000Hz的截波条件下,计算调制百分比,总体来说是更为复杂了。


  3.IEC 标准


  IEC覆盖的光闪烁频率为0.05Hz-80Hz。标准中采用短时间闪变值Pst对可见频闪进行评估。计算中模拟了人眼对照度波动的主观视感,通过对于瞬时闪变视感度分级概率计算,对该段时间内的闪变严重程度作出评估。以Pst =1为限值,当PST>1时,50%以上的观察者会感觉到频闪。



  Pst的计算过程示意图


  4.CIE 技术委员会


  CIE 在第一分部的关于频闪的技术委员会采用SVM指数评价频闪效应,覆盖频段80Hz-2000Hz,该方法已经在美国能源部的Caliper报告中得到应用。技术委员会主席 Dragan Sekulovski博士和我国东南大学研究团队在这方面已经作了大量研究工作。



东南大学研究出的频闪效应的敏感度曲线


  5.ASSIST推荐方法


  美国LRC已发布了三项关于频闪的半导体照明系统和技术联盟(ASSIST)推荐方法, 其中一项关于可见频闪,两项关于频闪效应。


  对于可见频闪,LRC定义了自己的频闪感知调制值Mp,它和IEC 的方法有类同之处。而对于频闪效应,LRC也类似于IEEE,按照风险等级给出了下图的指导。



  ASSIST给出的频闪效应可接受范围图


  6.各标准的比较


  上述各个标准的关注重点不同,计算方法也往往大相径庭。荷兰飞利浦公司整理了部分标准的限值比较,发现IEEE的要求最为严格,而Pst和SVM分别限定不同的波段,并且考虑了被测对象的波形和占空比,更为准确,因此也更为推荐。


  此外,美国能源部(DOE)还专门组织了对频闪评估进行普及介绍的网络直播。


  四、如何测量频闪


  手机拍照识别频闪的方法靠谱吗?打开手机的摄像头并对准被测照明产品,通过观察手机屏幕中有无出现条纹来判断该产品是否存在频闪,这种方法能反映出一部分问题,但并不完全正确,更谈不上客观科学。要定量评估频闪问题,需要专业的测量设备。而且根据标准要求,测量频闪应使用光度探头采集数据,采样速率至少要2kHz以上,越快越好。


  1.现场摸底测试


  对于现场测量对设备的可移动性和人机交互有较高的要求。远方SFIM-300光谱闪烁照度计是一款专门为现场测量而开发的设备,可同时实现闪烁分析和光谱测量;可实时记录快速变化的光输出波形,并在时域和频域对输出波形作出分析,获得频闪指数和频闪百分比等参数。点击“阅读原文”可购买该照度计。



  2.实验室认证级测量


  远方LFA-2000光源频闪测量系统主要用于实验室测量,可实现照明产品的基准频率、闪烁指数、闪烁百分比、光波动深度等的测量。在2016年美国能源部(DOE)发起的频闪测试仪的调查报告中,通过实测给了远方LFA-2000很高的评价。



  3.最强频闪测量利器


  结合最新的标准和技术规范,远方又推出了新一代频闪测量设备:LFA-3000光源频闪分析仪。该设备不论是在硬件配置上,还是软件功能上都有着卓越的性能表现。



  设备配备快速光度探头,最高采样速度达100kHz,可捕捉快速变化光源的精细波形;照度测量范围:0.1 lx~200,000lx,适用于绝大多数调光照明产品。该仪器的各项指标均满足上述最新标准测量要求,并且搭载平板电脑,可实现远程无线操控和数据传输,既可在实验室中应用,又可以应用在各种现场测量场合中。


  可测量参数:


  光波动的时域和频域分析图;


  基准频率、闪烁百分比(PF)、闪烁指数(FI)、调制深度(MD)(符合IEEE 法规)


  调制百分比(符合CEC法规)


  Pst (符合IEC标准),


  SVM(符合CIE TC预案,选项),


  Mp (符合ASSIST推荐)


  同时,软件可根据相应标准判别频闪危害等级。


  五、总结


  照明产品的频闪问题因关系到人的健康和安全,已经得到了国际社会的广泛关注,特别是智能产品极易出现不可接受的频闪现象。对于频闪的评估,各种标准的计量方法都不相同,本文简要梳理国际主流法规和标准,推荐目前最为先进的检测设备,相信在已经验证的检测设备的帮助下,解决照明频闪可以事半功倍。


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