照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响

陆世鸣，刘 磊，俞安琪

（国家电光源质量监督检验中心（上海）；国家灯具质量监督检验中心；上海市质量监督检验技术研究院；上海市照明学会，上海 201114）

1 从传统光源的频闪说起

自从采用交流电网作为照明电源起，因交流电而引起的光源闪烁（频闪）问题就一直困扰着人们，从20 世纪60年v代末至90年v代，为了提高照明能效，工厂里大量采用电感镇流器配荧光灯的照明灯具。在众多的纺织厂车间里，为了看清楚高速运动的梭子，而采用三相电源分别点亮每相的荧光灯并且照亮同一场合，从相位上基本弥补了输出光的频闪。但是对于一般的家庭及办公室，不可能具备三相电源，无法采用上述方法。有很多人认为，采用白炽灯照明除了光色参数好以外还能有效避免频闪，甚至一些医生也会告诉家长让孩子使用60 W 白炽灯的台灯，但这仍然是一个认识上的误区。从图1 的测量参数可以看出，该台灯输出光的波动深度为18.9，已明显超过了美国IEEE PAR 1789 标准的“不可察觉”限值和“低风险”限值。实际证明白炽灯的频闪深度随灯丝温度不同而变动。白炽灯功率越小其灯丝温度也越低，所以波动深度相对就大。

充有卤族元素的白炽灯（卤素灯）因为灯丝温度足够高，当灯电流在过“零”区域时，灯丝的“热惯性”尚能维持发光，所以其频闪深度远好于普通的白炽灯，从图2 可以看出，该卤素灯频闪深度已低于“不可察觉”限值，可认为无频闪的灯。

图1 60 W 白炽灯具频闪变化

图2 低压卤钨灯的灯具频闪变化

2 IEEE PAR1789 中的限值简介

2.1 波动深度的定义

IEEE PAR1789 对波动深度定义为最大和最小亮度之差除以最大和最小亮度之和，即迈克尔逊对比。图3 给出的是波动深度随驱动电流频率的函数关系，也可应用于复杂波形傅立叶分量的闪烁评估。低风险区域的上限是线性变化的，低风险区域的上限＜闪烁频率×0.08，相当于无影响边缘的2.5。低风险区域的更多研究是开放的，但在IEEE PAR1789 危险性评估分委会内，橙色区域包含低风险区已达成共识。

2.2 闪烁的度量

闪烁指数由伊士曼和坎贝尔定义为:一个周期的平均光输出线以上的面积除以光输出曲线的总面积（图4）。公式为

因为文章涉及的闪烁波形都是简单且重复的波形，所以文章对闪烁程度的衡量采用图3 的闪烁频率和波动深度函数关系的限值来评价。

图3 低风险和不可察觉到的影响水平的闪烁频率和波动深度函数关系

图4 闪烁指数和闪烁百分数的定义图

3 功能性照明光闪烁的危害

在功能性照明场合，照明光的闪烁会带来诸多麻烦甚至危害，主要表现在以下几方面。

（1）对于体育场馆，如果需要照明运动物体，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等，照明光的闪烁将无法看清运动球体。

（2）在进行摄影和摄像的场合，如果采用带闪烁的光照明，将无法避免摄影时出现暗区以及摄像时出现黑色滚动条。

（3）于光敏性癫痫病人，低频率高波动而产生可见的闪烁，会诱导癫痫发作。

（4）在自闭症人之间增加重复行为。

（5）低波动高频闪烁效果不太明显，需要几分钟，可引起偏头痛，严重时常伴恶心、视觉紊乱。

（6）包括应变疲劳、眼睛疲劳、视力模糊和传统的头痛，视力和在视觉相关作业上性能下降。

（7）频闪效应和相关的机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或者停止运动的错觉。

频闪效应（车轮效应、反转效应等）是指一类错觉，通过间歇照明，旋转或移动的物体外观是改变的。所以上述第7 条可能造成的危害最大。

4 LED 照明产品的闪烁

图5 是典型的LED 伏安特性曲线，从该伏安特性曲线的Ⅰ象限可以看出，从坐标原点到接近VF（0）段，LED 两极之间尽管存在一个正向电压，但几乎没有电流流过LED，所以LED 也不可能发光，只有当外加正向电压≥VF（0）时，LED 才有明显的导通电流并随之发光。

图5 LED 伏安特性曲线

从该伏安特性图和实测结果看出，如果用交流或波动度很大的单向脉动直流或被整流后100 Hz 严重调幅的直流来驱动LED，在180°半周期内，每次电源电压过零区域将有35°～45°不导通。因为这一原因，有很多LED 灯管（T-LED）（见图6）和球泡灯（见图7），其光输出闪烁现象明显甚于传统光源。当然，LED 灯管（TLED）除了光输出闪烁外，还存在尚无安全标准的问题。

图6 T-LED 灯

图7 LED 球泡灯

由于人眼的滞留作用，在一般场合我们可能没发现这些光闪烁的情况，但是如果在这种灯光下，伸开五指水平晃动，就可察觉明显的亮暗交替现象，如果用数码相机或手机处于摄像/摄影状态时对准这些灯，也能直接观察到亮暗变化。

一些有源驱动调光的LED 筒灯，在满功率输出时（见图8），因为开关频率达1 kHz，输出光的波动深度为1.718，远低于不可察觉限值3.2 和低风险限值8.0，可称之为无频闪。但是就这一LED 筒灯，在采用前切相式调光器并调到光输出最暗时，其波动深度已达36.07，已超过不可察觉限值（见图9），不能称之为“无频闪”照明光源。

当有源LED 驱动的频率达1 600 Hz 时（见图10），尽管驱动电流的波动深度仍比较大，但采用了长余辉荧光粉后，输出光的波动深度仅为3.472，明显低于不可察觉限值（无频闪）。

这说明，目前的长余辉荧光粉对抑制（1/10～1）毫秒级的输出光波动是比较有效的。当进一步提高有源LED 驱动器的频率达50 kHz（见图11）时，驱动LED 电流有明显的波动，但是输出光的电流已经找不出波峰和波谷，与纯直流驱动一样，属于彻底的无频闪。这说明提高驱动电源的频率能有效抑制输出光的波动深度，甚至能彻底消除光的闪烁。

图8 有源驱动调光LED 灯（最亮）

图9 有源驱动LED 灯（最暗）

图10 有源驱动LED

图11 有源驱动LED（调光至最亮）

5 小 结

大部分光源闪烁（频闪）是由交流电网的正弦波所引起的。因为LED 的正向伏安特性，所以在相同的交流电源或脉动电源驱动下，很多LED 照明产品输出光的闪烁现象明显甚于传统光源。大部分时间输出光的闪烁尽管不被人们直接感觉到，但还是会造成普通人群产生眼睛疲劳、视力模糊和传统的头痛，以及在视觉相关作业方面的效率下降。波动深度达不到图3“不可察觉”限值的照明光一般不适用于运动物体，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等的照明以及摄影和摄像场合的照明。波动深度达不到图3“低风险”限值的照明光，当频闪效应和相关的机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或者停止运动的错觉，这时闪烁（频闪）的危害性是最大的，极易因人们的错觉造成工伤事故。

减少驱动电流的纹波或调制的纹波及提高驱动电流的频率将有效改善波动深度指标。LED 照明产品必须满足照明场合对照明光闪烁的需求，通过改善驱动电流的波动性或采用其他手段来控制照明光的波动深度，保证各种场合下照明光有合适的波动深度，从而避免因照明光闪烁（频闪）对人们健康产生损害和伤害。

［1］危险性评估分委会IEEE PAR1789，LED 照明闪烁的潜在健康影响

［2］张璐，俞安琪.发光二极管灯管存在的安全问题及应遵循的有关标准［J］.光源与照明，2013（3）