普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃問題分析

薛曉曉，陳 萍，王 建

(浙江省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)所，浙江 杭州 310007)

普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃問題分析

薛曉曉，陳 萍，王 建

(浙江省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)所，浙江 杭州 310007)

通過采用兩份國際上主流的頻閃問題技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的測試項(xiàng)目，對80批次從市場購買及從企業(yè)取回的普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品進(jìn)行了檢測。對目前市場上該產(chǎn)品的頻閃問題現(xiàn)狀進(jìn)行了一次摸底，并從技術(shù)規(guī)范項(xiàng)目的設(shè)定原理以及產(chǎn)品的檢測結(jié)果來分析兩份技術(shù)規(guī)范的特點(diǎn)，歸納了其統(tǒng)一性及區(qū)別。

照明；自鎮(zhèn)流LED燈；頻閃；閃爍百分比；SVM指數(shù)

引言

隨著LED照明產(chǎn)品被越來越多地應(yīng)用在我們的日常生活中，對其頻閃問題的探討近年來時(shí)常出現(xiàn)在相關(guān)技術(shù)論壇及學(xué)術(shù)會(huì)議上。越來越多的生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者都更加關(guān)心LED燈的頻閃問題。由于國內(nèi)尚無針對光源頻閃的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們嘗試通過采用兩份目前國際上主流的LED燈頻閃測試和評判技術(shù)規(guī)范，對80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的頻閃參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一測量和歸納分析。

1 檢測項(xiàng)目及方案

本次檢測的項(xiàng)目為IEEE Std 1789—2015《IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers》中要求的閃爍百分比(Percent Flicker)及與其判定配套使用的光波動(dòng)頻率、NM(normalized modulation歸一化調(diào)制)和CIE TN 006:2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中要求的Pst(短期閃爍指數(shù))及SVM指數(shù)(Stroboscopic effect visibility measure，頻閃效應(yīng)可見性測量指數(shù))。

在80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品準(zhǔn)備中，從市場隨機(jī)買樣70批次，從企業(yè)取樣10批次，樣品均不具備調(diào)光功能。在買樣及取樣過程中，沒有提出任何特殊要求，均為正常銷售或待銷產(chǎn)品。考慮到實(shí)際銷售及使用中存在的產(chǎn)品分布特點(diǎn)，最終得到80批次樣品中：冷色調(diào)57批次，暖色調(diào)23批次；額定功率3 W及以下43批次，額定功率3 W以上6 W及以下20批次，額定功率6 W以上17批次?？紤]到檢測結(jié)果的重復(fù)性，本文將只選取每批次中1個(gè)普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

檢測在測光暗室中進(jìn)行，將燈保持在固定的距離，到其燃點(diǎn)穩(wěn)定后，使用LFA-3000光源頻閃測量儀進(jìn)行檢測。該測試系統(tǒng)采用最高達(dá)到100 kHz的高速照度探頭，測量LED燈光輸出的時(shí)域變化曲線；并對該曲線進(jìn)行時(shí)域及頻域的分析計(jì)算，從而得到需要的各參數(shù)。

2 檢測項(xiàng)目分析

2.1 閃爍百分比

閃爍百分比表示在光輸出的一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)，最大光輸出值減去最小光輸出值和最大光輸出值加上最小光輸出值的比值(見圖1)，見公式(1)。

式中，PF為閃爍百分比，A是最大光輸出值，B是最小光輸出值。本文中光輸出值即為固定距離測得的照度值。

圖1 光輸出變化曲線Fig.1 Light output waveform

閃爍百分比表示的是光輸出在一個(gè)周期內(nèi)的最大波動(dòng)。閃爍百分比為100%意味著該光源在一個(gè)周期內(nèi)的某些時(shí)候不發(fā)光，而一個(gè)完全穩(wěn)定的光源其閃爍百分比則是0%。

IEEE Std 1789—2015對于LED燈閃爍百分比的要求分別見表1和表2。

2.2 NM

將光輸出變化曲線通過快速傅里葉變換得到了各頻率的分量，并計(jì)算出各分量的閃爍百分比。將每一分量的閃爍百分比除以該頻率點(diǎn)閃爍百分比限值，并對所有分量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累加，即得到NM。NM1=1表示頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級限值，若NM1>1則表示光源為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級；NM2=1表示頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級限值，若NM2>1則表示光源為頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級。

表1 高風(fēng)險(xiǎn)等級Table 1 High risk level

表2 低風(fēng)險(xiǎn)等級Table 2 Low risk level

2.3 Pst

在電磁兼容項(xiàng)目中，Pst是考慮用電設(shè)備的工作對電網(wǎng)造成波動(dòng)，從而導(dǎo)致同一電網(wǎng)中工作的光源發(fā)生閃爍影響的評價(jià)值。CIE TN 006:2016中將Pst作為評價(jià)80 Hz以下低頻可見閃爍的一個(gè)參數(shù)。它是對采集到的光輸出變化曲線的去調(diào)制，進(jìn)行人眼響應(yīng)濾波，并計(jì)算短期內(nèi)信號的方差然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。Pst的限值為1，當(dāng)其等于1時(shí)表示在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，50%的觀測者剛好感覺到有閃爍。

2.4 SVM指數(shù)

SVM指數(shù)是CIE TN 006:2016最新提出專門量化頻閃效應(yīng)的一個(gè)參數(shù)。它得到了Lighting Europe和NEMA的支持。SVM指數(shù)反映的是80 Hz～2 000 Hz光波動(dòng)照射下人眼對于頻閃效應(yīng)的可視化程度，見式(2)。

式中，Cm為光輸出變化曲線m階傅里葉分量的幅值；Tm是第m階傅里葉分量其頻率對應(yīng)的頻閃效應(yīng)可見閾值(見圖2)；n等于3.7。SVM指數(shù)的限值為1，當(dāng)其等于1時(shí)表示頻閃效應(yīng)正好可見。

圖2 頻閃效應(yīng)可見閾值曲線Fig.2 SVM sensitivity curve

3 檢測結(jié)果分析

按照一致性要求，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定的電源、大氣及光環(huán)境條件下，對80批次樣品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分批檢測。

3.1 閃爍百分比、光波動(dòng)頻率和NM檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

80批次樣品中，有75批次樣品的光波動(dòng)頻率為100 Hz；4批次樣品的光波動(dòng)頻率為50 Hz；1批次樣品的光波動(dòng)頻率為500 Hz。32批次樣品的閃爍百分比為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級；35批次樣品的閃爍百分比為頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級。32批次樣品的NM1超過了限值；35批次樣品的NM2超過了限值。按照NM與按照閃爍百分比判定的頻閃風(fēng)險(xiǎn)等級結(jié)果一致，且樣品分布一致。按照存在頻閃風(fēng)險(xiǎn)的比例來說，頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級的樣品比例達(dá)到了40.0%，頻閃低風(fēng)險(xiǎn)等級的樣品比例達(dá)到了43.8%。表3為典型的10批次樣品的檢測結(jié)果。

3.2 Pst和SVM指數(shù)檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

80批次樣品中，所有樣品的Pst檢測結(jié)果均未達(dá)到可見限值；23批次樣品的SVM指數(shù)超過了頻閃效應(yīng)可見限值，頻閃效應(yīng)可見的樣品達(dá)到了28.8%。表4為表3對應(yīng)的10批次樣品的檢測結(jié)果。

表3 閃爍百分比、光波動(dòng)頻率和NM檢測結(jié)果Table 3 Test result of PF,frequency and NM

表4 Pst和SVM指數(shù)檢測結(jié)果Table 4 Test result of Pst and SVM

3.3 檢測結(jié)果分析

閃爍百分比是通過光輸出變化曲線的幅值直接計(jì)算得到的，能夠較為直觀地表現(xiàn)出光輸出的變化量。由于這個(gè)特點(diǎn)，它并沒有考慮光輸出變化曲線波形不同對實(shí)際頻閃效果的影響，但實(shí)際上波形的不同必然會(huì)對觀測結(jié)果存在一定的影響。而NM參數(shù)，是對只簡單根據(jù)閃爍百分比和光波動(dòng)頻率來判定LED光源的頻閃情況的完善和補(bǔ)充。由于NM是通過快速傅里葉變換得到各頻率的分量，再進(jìn)行計(jì)算，充分考慮了波形不同對實(shí)際頻閃結(jié)果的影響。能夠?qū)⑷我庑螤畹牟ㄐ危y(tǒng)一到了正弦波。因此，拋開限值是否合理不論，只針對光輸出變化曲線的分析情況來說，NM是比較充分的。本次80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈閃爍百分比與NM的判定結(jié)果完全一致，我們發(fā)現(xiàn)這正是因?yàn)槠渲虚W爍百分比較大的樣品其光輸出變化曲線波形接近于正弦波(如圖3所示)。當(dāng)光輸出變化曲線和正弦波差別較大時(shí)，NM和閃爍百分比的判定可能會(huì)有所差距。

圖3 某樣品光輸出變化曲線Fig.3 Light output waveform of a typical sample

Pst考慮的是80 Hz以下的可見閃爍。本次檢測的80批次普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈樣品中，76批次樣品的光輸出變化曲線頻率是100 Hz及100 Hz以上的，另外4批次50 Hz的樣品的閃爍百分比或者說其光輸出變化曲線的波動(dòng)并不是太大，因此并沒有達(dá)到頻閃可見的限值。然而從光源存在的多樣性來考慮，對某些低頻且波動(dòng)幅度較大的光輸出來說，Pst將變得十分有意義。

SVM指數(shù)是通過對光輸出變化曲線進(jìn)行傅里葉變換得到各頻率分量的幅值，然后對各分量幅值和該頻率的頻閃效應(yīng)可見閾值的比值再來做求和計(jì)算。因此它主要考慮的是實(shí)際分量幅值和和頻閃效應(yīng)可見閾值Tm的比值。Tm是人眼對頻閃效應(yīng)的感知閾值，是從大量針對人眼頻閃效應(yīng)主觀感知的實(shí)驗(yàn)并通過統(tǒng)計(jì)歸納得到的。而式(2)中的Minkowski標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)n同樣是通過大量實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)化擬合常數(shù)。因此SVM是從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，從人眼直接能夠感知的角度來得到的頻閃效應(yīng)可見指數(shù)。本次檢測中頻閃效應(yīng)可見樣品的比例要小于高風(fēng)險(xiǎn)等級樣品的比例。

從這4個(gè)參數(shù)的測量或計(jì)算過程來看，我們所采用的兩份技術(shù)規(guī)范對頻閃問題考慮的方向和分析原理存在不同。IEEE Std 1789—2015所要求的閃爍百分比和NM都是對光輸出變化曲線本身的分析，它們考慮的是燈發(fā)出光的波動(dòng)和對應(yīng)頻率的關(guān)系。而CIE TN 006:2015則完全從人眼感知的角度出發(fā)，通過人眼對可見閃爍以及頻閃效應(yīng)的可見程度從統(tǒng)計(jì)分析的方法得到。它們看待頻閃問題的角度存在差異，但這個(gè)差異并不矛盾。因此這也能夠部分地解決行業(yè)內(nèi)針對這兩份技術(shù)規(guī)范的爭論。

本次檢驗(yàn)中，有40.0%的樣品達(dá)到了IEEE Std 1789—2015規(guī)定的高風(fēng)險(xiǎn)等級，43.8%達(dá)到了低風(fēng)險(xiǎn)等級。有28.8%的樣品超過了CIE TN 006:2015頻閃效應(yīng)可見限值。而超過頻閃效應(yīng)可見限值的樣品，均為高風(fēng)險(xiǎn)等級，且其閃爍百分比和NM1都要比頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級限值要大得多。因此僅從本次檢測結(jié)果來說，兩者對頻閃問題的判定存在一定的一致性，其限值要求存在不同。

4 結(jié)論

通過對80批次隨機(jī)買樣和取樣普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈頻閃參數(shù)的檢測可以看到，目前國內(nèi)該產(chǎn)品的頻閃問題比較嚴(yán)重。許多普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈為頻閃高風(fēng)險(xiǎn)等級，也有不少產(chǎn)品的頻閃效應(yīng)為可見。為此有關(guān)部門應(yīng)積極組織行業(yè)內(nèi)專家，在充分參考研究國際上相關(guān)技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，做好理論研究和產(chǎn)品分析工作，盡快制定出我們自己的檢驗(yàn)和評判標(biāo)準(zhǔn)；引導(dǎo)企業(yè)改善產(chǎn)品頻閃控制能力，減少頻閃危害；不斷提高LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量水平，促進(jìn)我國LED照明產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

[1] IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risk to Viewers：IEEE Std 1789—2015[S].

[2] Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models：CIE TN 006:2016[S].

[3] 盧帆.交流LED頻閃效應(yīng)研究[D].南京：東南大學(xué),2015.

[4] CIE發(fā)布有關(guān)照明頻閃的定義和測量的技術(shù)備注[EB/OL].http://lights.ofweek.com/2016-10/ART-220001-8130-30058664.html.

AnalysisofFlickerProblemofSelf-BallastedLEDLampsforGeneralLightingServices

XUE Xiaoxiao，CHEN Ping，WANG Jian
(ZhejiangProvincialTestingInstituteofElectronicInformationProducts，Hangzhou310007，China)

We tested 80 batches self-ballasted LED lamps for general lighting services we bought or obtained from manufactories, adopting the test items in 2 international mainstream technology specification of flicker. We were trying to find out the existing status of flicker problems on the market. In this paper, we analyze the two specifications to conclude their unity and differences from the principles and the test results.

self-ballasted LED lamps for general lighting services; flicker; percent flicker; NM; Pst; SVM

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.012