呵护您的视力

是您的私人灯光顾问

照明中的频闪现象是什么

发表时间:2020-06-17 00:00

揭秘照明中的频闪现象

考核光源对人眼影响时,不可避免会提到频闪,随着电光源技术的进步以及人们对于光生物性了解的不断加深,解决频闪问题无疑是实现健康照明的一大关键。

当人们处于一个照明用光环境时,似乎并不能明显感觉闪烁,事实上,除了警告类闪烁标记或者灯具故障,人们对于频闪的概念并无太多直观感受。观察转动的风扇叶片时,会发现叶片有时“静止”,有时“转动”,行驶的汽车轮胎也会有这种现象,这些都可以解释为光源频闪带来的视觉暂留现象

下图中,黑色圆盘上一个白点,圆盘转动时,无频闪照明条件下会出现图A的连续变化,在波动频闪光源下,会出现‍图B现象‍。

07.png

频闪示意图

频闪造成原因:

光源频闪实质上就是光源发出的光随着时间呈现出一定频率、周期的变化,在不同亮度、颜色之间随着时间变化而变化,灯具的驱动如果没有合适的电子电路,比如镇流器、驱动或电源,光源就会产生频闪,输出光通量波动越大,频闪越严重。

产生频闪的技术机理,既有供电电源的因素,也有电光源技术性能因素以及照明设计不合理的因素等等。对于很多照明灯具来说,光源工作电流必然随着输入电压的波动而波动,直接导致光输出的波动产生频闪。以白炽灯为例,驱动为50 Hz交流市电,负半周和正半周叠加后光闪烁频率为100 Hz;采用电感式镇流器的气体放电灯,其输出光频率也随着供电频率的波动而波动。另外,供电电网的瞬时波动幅度在10%~20%之间,加深了照明灯具的光波动

常用频闪指数来形容光源的频闪程度,综合频闪比率和其它2个变量:光波形和占空比。其中,频闪比率等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和,频闪指数等于一个开关周期内超过平均光输出的量除以全部光输出。频闪比率和频闪指数越低,光源闪烁或者造成的频闪效应越少。

08.jpg


频闪危害:

1、光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫

现有的研究数据以及行业专家指出,光敏性癫痫确实存在。Bittencourt和Fisher等人在2004和2005年提出了光敏性癫痫流行学说,Bittencourt指出光敏性癫痫在整个人群内发病率很低,每年的发病率大约在0.001%,在青少年中发病率约为0.006%,并且癫痫患者患这种病概率‍高达10%‍。

而Fisher通过测量人体对光刺激的不寻常脑电波得出光敏性癫痫在5岁到24岁人群中发病率大约在0.01%—0.025%,当癫痫患者在闪烁光源刺激下有2%到14%的几率诱发急促‍癫痫症状‍。美国癫痫工作基金会指出影响光敏性癫痫症状诱发因素主要包括闪烁频率、光强、调制深度、光谱成分以及一些视觉神经系统‍相关‍因素‍

2、频闪造成的视觉暂留效应

Bullough等人采用一系列波形和频率研究固态光源的频闪效应,发现驱动的调制深度、频率、占空比以及波形对频闪效应的可见性有影响。

tu5.jpg

Bullough频闪研究的实验图

3、头痛、偏头痛、恶心、视觉紊乱等生理问题

美国头痛学会指出许多偏头疼患者对光线更敏感,尤其是眩光,带闪烁的明亮光源能引起偏头痛,并且低频闪烁比高频闪烁更严重;一些闪烁的荧光灯或者电视屏幕都会引起类似偏头痛的症状,许多研究也表明对于这些闪烁诱发的偏头痛患者,他们的脑电反应化(EEG)通常会跟那些没有偏头痛的不一样。但是,究竟是闪烁光源的那些因素导致的生理不适,还没有得出确切结论。

4、用眼疲劳、视力下降

照明灯具的光闪烁,往往会影响到人类的工作效率。在研究闪烁对人们疲劳程度的影响时发现,可见闪烁造成的精神疲劳都很小,而造成人体疲劳的主要因素是工作内容;非可见闪烁可以影响眼球的运动轨迹,影响阅读并导致视力下降。图中无影响区域用绿色表示,低风险区域用橙色表示:

tu4.jpg

图:低风险和不可察觉到的影响水平的闪巧频率和波动深度函数关系

文件对无频闪判定准则为:

(1)频率低于9 Hz,不可觉察波动深度限值为0.288%;

(2)频率在9-3 120 Hz范围内,不可觉察波动深度限值为:频率×0.032%;

(3)频率大于3 120 Hz,认为完全无频闪,免除考核。

如何减小频闪分析频闪产生的原因,可以发现减轻频闪的关键在于电光源技术与驱动技术。如LED在恒定、无震荡的直流源驱动下,可达到无频闪的效果。市场上的驱动产品还需考虑驱动成本、尺寸、可靠性、效率等因素,制造商与行业专家也尝试找到一个人们可以接受的频闪程度。   

如何解决频闪问题:

分析频闪产生的原因,可以发现减轻频闪的关键在于电光源技术与驱动技术。如LED在恒定、无震荡的直流源驱动下,可达到无频闪的效果。市场上的驱动产品还需考虑驱动成本、尺寸、可靠性、效率等因素,制造商与行业专家也尝试找到一个人们可以接受的频闪程度。

于电光源的特性,想彻底消除频闪是很难实现的,想要降低LED频闪,根本上是取决于LED的驱动。

目前LED电源单纯来讲满足无频闪的要求也是可以做到。大致有此三种方式:1.加大输出电解电容;2.采用填谷被动PFC方案;3.采用双级方案(AC to DC,DC to DC)。

加大输出电解电容此方案从理论上讲可以采用电解电容吸收部分交流纹波,但是实际经验告诉我们:当纹波控制在一定范围之内以后(10%),很难再进一步降低,除非将电解电容不计成本的加多,也不能从根本上完全消除。
  采用填谷式被动PFC方案。方案也是最主流的一种处理方式。采用两个大的电容以及三个二极管进行功率因素校正,因为在整流桥后面有大的电解电容,所以将交流纹波吸收,通过电感或者变压器到次级部分的电流为直流电。填谷式方案也存在一些问题,输出电压在40V以上时,无法做成90-265V全电压输入,填谷电路输出电压谷值只有电解滤波电路谷值的一半,填谷式的整流方式整流后输出电压比普通整流后的输出电压低不少,有可能采用填谷式后在低压输入的是带载不足。再者,无论隔离式还是非隔离式填谷式方案,谐波测试根本无法通过,功率因素也不能完全达到0.95以上。

采用双级方案。在隔离电源的基础上,再加一级DC to DC,就能够消除交流纹波的影响。电性参数也能完全达到认证标准。但此方案在成本上有一定增加,需要加多一个电源管理芯片以及部分外围电路。

综上所述,填谷式方案固然能够解决LED灯具的频闪问题,但存在输出电压超过40V时不能做成全电压输入,但成本相对比两级方案便宜,对于无频闪有严格要求,输出电压超过40V时不要求全电压输入的客户可以考虑选择此种无频闪电源解决方案,而对于无频闪及其它方面均有较高要求的客户,则可以选择双级方案。