什麼是頻閃？LED為什麼頻閃？

來源：電工學習網

摘要: 　　關於頻閃，最簡單的定義就是指開關周期內光的不斷波動。在美國，電流是通過頻率為60Hz的交流電傳送的，燈具的供電電壓在開關周期內以正弦波的形式在波峰到波谷之間來回波動。因此，可能產生2倍於供電頻率的頻閃 ...

關於頻閃，最簡單的定義就是指開關周期內光的不斷波動。在美國，電流是通過頻率為60Hz的交流電傳送的，燈具的供電電壓在開關周期內以正弦波的形式在波峰到波谷之間來回波動。因此，可能產生2倍於供電頻率的頻閃，也就是120Hz。如果沒有合適的電子電路，比如鎮流器、驅動或電源，光源就會產生頻閃。有些頻閃是有意為之，比如自行車前燈。「某些程度的頻閃不會引起注意，也不存在生理上的不適。但有些頻閃卻真的是個問題」，波特蘭PNNL（Pacific Northwest National Laboratory）高級照明組的資深科學家、照明設計師Naomi Millier說，「照明行業關心的是那些可能引起神經系統問題和影響工作績效的頻閃範圍。」

紐約特洛伊LRC（Lighting Research Center）的研究主任Nadarajah Narendran說：「人類可以察覺低於50Hz的燈光頻閃,當然也有一些人到100Hz才會注意到」。大約3到70Hz的低頻閃可能會引起高敏人群的癲癇發作，介於大約100到500Hz之間的中度頻閃可能會導致頻閃效應的間接知覺（譯註：由視覺暫留所引起），在這種情況下，動態的物體可能表現為一系列靜止的圖像。這種效應或許是舞廳所希望達到的效果，但是對於工業場所來講卻是危險的。比如，頻閃會使移動的齒輪或者刀片看起來很慢，甚至靜止，同樣，它也給健康帶來一系列不利的影響，像頭疼、眼疲勞和身心疲倦。

圖：頻閃效應使運動的物體看上去是靜止的或者運動得更慢。

加利福利亞Benya Burnett Consultancy的負責人Jim Benya說，隨著閃爍頻率步入千赫茲範圍，高達2千赫茲甚至以上，初步研究表明，「我們感覺不到了，頻閃不再是問題了。」但是，如何讓不同的光源達到這麼高的閃爍頻率，可能是個問題。

頻閃測量

當前，沒有指導製造商進行頻閃檢驗的官方標準流程，但是IES（Illuminating Engineering Society）研究出了兩種方法來測量頻閃，可以在RP-16-10《照明工程術語和定義》中找到。第一種，也是較常用的測量方法是頻閃比率。它顯示光輸出在一個開關周期內的平均調整量，也就是縮減量。一個100%頻閃的光源意味著在開關周期內某些時候不發光，而一個完全穩定的光源就是0%頻閃。

另外一種測量方法是頻閃指數，範圍是從0到1。它綜合了頻閃比率和其它2個變數：光波形（輸出曲線）和占空比。占空比是指光源在單個開關周期內，開燈時間所佔的百分比。頻閃比率和頻閃指數越低，光源閃爍或者造成可見頻閃效應就越少。

圖：頻閃測量方法。頻閃比率等於一個開關周期內最大光輸出與最小光輸出之差除以最大光輸出與最小光輸出之和。頻閃指數等於一個開關周期內超出平均光輸出的量除以全部光輸出。

圖：常見光源的頻閃測量

傳統光源的頻閃

使用交流電的光源都有頻閃。高強度氣體放電燈（HID）的頻閃就非常明顯，Benya說，1972年奧運會期間，攝影師發現他們拍的很多照片漆黑一片，「因為他們嘗試拍一些非常短時間曝光的照片，但是是在錯誤的時間，那個時候，燈實際上是不發光的。」三相照明配電系統，相鄰燈具以120度異相供電，也就是說，一個燈亮時而另一個燈是滅的，第三個燈正好處於中間狀態，這種方案能解決體育館照明中的頻閃問題。

就算是大眾喜愛的白熾燈也有頻閃。我們沒注意到是因為白熾燈的熱惰性掩蓋了頻閃問題，切斷電源，直到下次通電時，燈絲上都還留有餘熱可以發光。這個特點也是白熾燈效率低的原因，大約90%的電能轉化為熱量損失掉了。

但是熒光燈和LED不同於白熾燈，「這些光源對電的反應很快」，Benya說：「斷電就斷光。」在20世紀90年代使用電感鎮流器的熒光燈因為頻閃遭到投訴，製造商通過把電感鎮流器改為電子鎮流器解決了這一問題，電子鎮流器驅動燈具的頻率超過20千赫茲，遠遠超過人所能察覺的頻率。

LED為什麼頻閃？

當一種新光源進入市場，頻閃問題也就浮出水面。PNNL的Miller說：在光輸出上LED的振幅甚至比白熾燈或熒光燈更大。但是，與HID或熒光燈不同，固態照明SSL是一種直流器件，這就是說當恆流供電時，LED就可以無頻閃點亮，Benya說。

那些沒有使用單獨恆流調節驅動的簡單LED電路，LED亮度會隨著交流電周期而變化。驅動起到兩個作用，供電和整流。從驅動到LED，交流電到直流電的轉換過程會產生電壓和電流輸出波紋。這種波紋以2倍於供電電壓的頻率存在，在美國就是120Hz。LED的輸出與驅動的輸出波形存在對應關係。

調光是導致頻閃的另外一個誘因。傳統調光器，比如TRIAC調光器（一種能雙嚮導電的電子元件），通過在開關周期內延長關機時間來調節電流，減少光輸出。對於LED來說，使用脈衝寬度調製（PWM）以超過200Hz頻率開關LED是比較理想的。但是，Benya強調：「如果你在一種非常低的頻率中使用脈寬調製，比如正常供電頻率，就會造成非常高的頻閃比率。」

圖：單周期波形特性和頻閃測量

減輕頻閃

減輕頻閃的關鍵在於驅動，可以通過提供恆定、無振蕩的電流來解決這個問題。但是製造商在為LED產品配套驅動時，不得不權衡其它因素——驅動成本、尺寸，可靠性和效率。Cree應用工程副總Mark McClear表示。燈具的預期用途也需要考慮，以確保產品不被過度設計，因為在有些照明情境中頻閃是可以被接受的，有些則不行。

Mcclear還說：「製造商也一直在嘗試優化什麼產品適合什麼應用，怎樣讓頻閃可接受又不提高成本。」電容可以調節從驅動到LED的交流波紋，但是它也有缺點，Benya說，「電容體積大而且對熱敏感」。所以，在一個緊湊有限的空間里，比如LED替換光源，使用電容就行不通。

使用脈衝寬度調製（PWM）調節的LED，生廠商可以把電流調節到超過幾千赫茲的非常高的頻率。這同電子鎮流器驅動熒光燈類似。但是要求的頻率越高，驅動和LED之間的距離就要越近。「不幸的是，很多人都想要驅動遠離照明系統，所以也並不是什麼時候都可行的。」Benya說。

為了簡化調光器和可調光LED光引擎(LED light engines)之間的兼容性試驗，NEMA（National Electrical Manufacturers Association）發布了NEMA SSL 7A-2013《固態照明SSL切相調光：基本兼容性》，這是一份給照明產品設計師和生廠商的指南。只要調光器和LED光引擎都符合標準，那麼它們就可以兼容。NEMA的技術項目經理Megan說，這個標準是行業第一個，由24家主要製造商簽署。SSL 7A的目標是：擺脫燈具和調光器的匹配性測試。需要強調的是這個標準僅適用於標準發布之後的技術，正如其所言，該標準沒有給「現存產品或者已安裝的LED光引擎和切相調光器的兼容性確定」提供方法。

設置標準

2002年，由LRC的Narendran領導的固態照明系統和技術聯盟（ASSIST）成立，這個聯盟由政府組織、研究人員和製造商組成。該組織的第一步工作就是定義可接受的頻閃範圍，2012，該組織發布ASSIST推薦：《減少固態照明系統頻閃效應的閃爍參數》，包含了光源頻閃效應的可接受度和檢測計算的方法。

最近ASSIT發起了一項關於間接頻閃知覺和人性因素的研究，該研究由LRC高級研究科學家John Bullough領銜。在確認了頻閃引起人體不適的兩項主要指標是頻率和強度後，Bullough試圖找出「在哪些點頻閃變得引人注意，並且對長期在這種照明條件下工作的人來說是不可接受的。」舉例來說，儘管電腦屏幕頻閃頻率是60到70赫茲，但是這種頻閃大部分並不為人察覺。

理想的話，Bullough希望做一份列示光源頻閃值和察覺該頻閃的居民比例的參考文件出來。Narendran介紹說，這項研究已經進入被選照明應用領域的頻閃指數限制的分析階段了，應該會在今年發布結果。

選型小貼士

照明專業人員可以採取一些方法來減少選到有頻閃的固態照明SSL產品的可能性。在室內，許多LED產品宣稱是交流直供，Miller講，電路設計更簡單，沒有驅動，有吸引力的價格，但是有些產品，在滿載輸出時會產生高達40%的頻閃。調光階段，頻閃比率可能更高。

替換型LED光源，像MR16，A型燈泡，Par燈，比高天井燈，更有可能頻閃，McClear說。替換型光源受尺寸的限制，所以他們可能會配置簡單的驅動，缺少必要的電子期間來糾正輸出。

對於不調光的產品，如果配置高品質驅動，頻閃可能不明顯。但是如果一位設計師給一個替換型光源配置傳統牆面開關和TRIAC調光器，而不是用一個0-10V的數字調光系統，「就算再好的產品也會有頻閃」，Benya說，「第一個判斷依據就是，越是便宜貨，越有可能產生頻閃。」

設計師應該和燈具製造商一起來確定一套可兼容的系統，並根據預期的最終安裝效果對驅動和調光設備進行第一手測試。一種低技術門檻的測試方法是照亮轉動的陀螺，看有沒有頻閃效應。另外一種是在光源下像轉風扇那樣擺動鉛筆。在有頻閃的光源下，風扇中的間隙和黑線會比較明顯，如果沒有頻閃，風扇看起來就會很流暢，平滑，無間隙。

圖：一種沒有什麼技術門檻的頻閃測量方法是擺動一支鉛筆，或者如圖，一個捲尺，像風扇那樣轉動。如果有頻閃，風扇之間的間隙就會明顯。

聽起來好像是熒光燈和電感鎮流器那種黑暗的日子又回來了，但是，不存在頻閃效應的固態照明SSL是確實存在的。只是設計師和選產品的人必須認真仔細，做試驗。「前景並非一片黑暗」， Narendran說，「只是必須先花時間來確認你用的是兼容的系統。」

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