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LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”

發(fā)布時(shí)間:2014-11-22 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】LED閃爍一直是業(yè)界內(nèi)久攻不下的難題。本文就這一問題深入探討LED閃爍的原因,解釋其在LED中突出的原因,以及應(yīng)對(duì)LED閃爍的措施。本文就幾個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)品詳細(xì)解析LED閃爍。

將傳統(tǒng)的白熾燈替換為高效率、高色溫、長壽命的LED燈確實(shí)是個(gè)好想法,不過所有的好想法都一樣——想得容易做起來難。

LED燈配上驅(qū)動(dòng)電路就可以接入家里現(xiàn)有的交流電路,但是驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓紋波可能會(huì)導(dǎo)致光的閃爍。大部分照明系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)閃爍,同時(shí)一些消費(fèi)者抱怨頻閃效應(yīng)使他們感到不適,甚至惡心生病。

LED和燈具廠家都急切地想要找到問題的根源。如果固態(tài)照明光源冤枉地背上“閃爍”的惡名,那么說服消費(fèi)者放棄傳統(tǒng)光源、轉(zhuǎn)而選擇LED就更難了。

閃爍的影響

研究表明,每4000人中就有1個(gè)人對(duì)頻率為 3~70 Hz的閃動(dòng)光源高度敏感。這種明顯的閃爍會(huì)引發(fā)一些嚴(yán)重疾病,例如癲癇。人們不太了解的是,長期暴露在人眼不可察覺的頻閃(70~160Hz)下也會(huì)導(dǎo)致心神不寧、頭痛和視力損害。

可惜除了自然光外,人們所接觸到的都是高頻的閃爍光。因?yàn)樗惺须婒?qū)動(dòng)的光源——無論是白熾燈、鹵素?zé)簟晒鉄艋蚴荓ED——都有可能產(chǎn)生閃爍。原因在于供電電源是交流電,一般情況下,閃爍的頻率和市電頻率(一般50或60Hz)相同,或者是市電頻率的兩倍。

測試顯示,人們很難直接感受到光源的高頻閃爍,但這個(gè)結(jié)論的意義其實(shí)并不大。因?yàn)榭茖W(xué)家進(jìn)行的研究表明,人類的視網(wǎng)膜可以解析100~150Hz的光源閃爍,即使實(shí)驗(yàn)對(duì)象不能覺察到,其大腦很可能確實(shí)對(duì)頻閃做出了反應(yīng)。這一類所謂不可察覺的閃爍(100~150Hz)其隱蔽影響是關(guān)于頻率的函數(shù),但不僅限于此,生理和心理因素也都很重要。

例如:

高亮度時(shí)比低亮度時(shí)危害更大;
亮暗兩部分的光相(Lighting Pattern)差異也很重要,如交流電周期內(nèi)“零”電壓時(shí),燈光完全變暗的比只是部分調(diào)暗的,危害更大;
閃爍的紅光和紅藍(lán)交替閃爍的光格外惹人討厭;
光映射在視網(wǎng)膜上的位置也很重要,因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中央感受到的光比落在視覺外周(視網(wǎng)膜邊緣)的光危害大。

一些研究者甚至聲稱視網(wǎng)膜可以感受到高達(dá)200Hz的頻閃,不過實(shí)驗(yàn)表明,高于160Hz的頻閃對(duì)健康的影響可以忽略不計(jì)。

閃爍的定義

直到近期,照明工程師依然不太關(guān)注不可察覺的閃爍所產(chǎn)生的影響。然而,隨著健康和安全的規(guī)范愈趨嚴(yán)苛,研究更加深入,以及工作在密布熒光燈管的辦公室職員發(fā)出越來越多抱怨,我們是時(shí)候該行動(dòng)了。

可是沒有對(duì)閃爍的定義,誰有資格評(píng)價(jià)哪種光源比另一種好呢?北美照明工程協(xié)會(huì)(IESNA)為解決這個(gè)難題,在第九版IESNA照明手冊中提出了一個(gè)“閃爍百分?jǐn)?shù)”和“閃爍指數(shù)”的定義。圖1展示了如何定義這個(gè)指標(biāo)。

LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”!
圖1:用于定義閃爍百分?jǐn)?shù)和閃爍指數(shù)的光輸出曲線示意圖
 
閃爍百分?jǐn)?shù)是衡量光源在周期內(nèi)的光輸出變化的相對(duì)量度(即,調(diào)制百分比)。有時(shí)候也稱它為“調(diào)制指數(shù)”。由圖可知:
閃爍百分比=100×(A-B)/(A+B)
根據(jù)該手冊,閃爍指數(shù)是一個(gè)“衡量不同光源在一個(gè)給定電源頻率下周期內(nèi)的光輸出變化的可靠的相對(duì)量度,它關(guān)乎光輸出的波形和振幅”。

閃爍指數(shù)取值在0到1.0間,0代表穩(wěn)定的光輸出。值越高表示可觀察到光源閃爍的可能性越大,頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)出現(xiàn)的可能性也越大。再次從圖中可得:
閃爍指數(shù)=面積1/(面積1+面積2)
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LEDs存在的問題

LEDs的物理特性決定了它們受驅(qū)動(dòng)的方式和其他光源不同。LEDs(發(fā)光二極管)正如其名,它是一種二極管。通常的燃點(diǎn)機(jī)制是,足夠大的穩(wěn)定正向電壓加在LED極其串聯(lián)的電阻上,器件在它的導(dǎo)電區(qū)開始發(fā)光。商品化高亮度LED的正向電壓一般在3到4.5V之間。正向電壓(VF)和正向電流(IF)之間的關(guān)系十分緊密,電流決定了器件的相對(duì)光通量(本質(zhì)上就是亮度)。

器件生產(chǎn)商都會(huì)給LED推薦一個(gè)常規(guī)使用的范圍,這實(shí)際上是在亮度和光效間的妥協(xié)。

LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”!
圖2a和2b:Cree Xlamp ML-B LED的電流隨電壓變化曲線和相對(duì)光通量隨電流變化的曲線。
 
圖2a和b表示了Cree XLamp ML-B LED的電流隨電壓變化的曲線和相對(duì)光通量隨電流變化的曲線。正向電壓的改變會(huì)影響正向電流,進(jìn)而影響光通量。

用交流電源給LED芯片供電需要調(diào)壓器,把大部分國家使用的110~115或230~240V、50或60Hz的市電電壓降到適用于LED的低壓。要注意燈具里一般是6~8個(gè)LED芯片為一組,所以每一個(gè)單元的功率要求大于單個(gè)LED。
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LED驅(qū)動(dòng)器的一種基本形式是:一個(gè)全波整流器(圖3)和一串帶有限流電阻的LED相連。這個(gè)方法以兩倍于市電頻率來調(diào)制LEDs(即100到120Hz)。由于發(fā)光強(qiáng)度和電流成比例,所以LED的閃爍也是這個(gè)頻率(圖4)。

LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”!
圖3:簡單的LED全波整流器驅(qū)動(dòng)器
LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”!
圖4:圖3中的LED的輸出。光閃爍是市電頻率的兩倍。
 
所有由交流供電的光源都可能閃爍,但是LED表現(xiàn)得尤其明顯。因?yàn)樗拈W爍指數(shù)(或調(diào)制深度)比傳統(tǒng)光源差。

這個(gè)現(xiàn)象的原因是,LED對(duì)電流變化的反應(yīng)尤其快。120Hz時(shí),LED在波形周期的“截止”部分時(shí)其本身和它的熒光粉都來得及完全停止產(chǎn)生光子。相比之下,傳統(tǒng)光源——特別是白熾燈和鹵素?zé)?mdash;—都有一種“慣性”,它們在周期的“截止”區(qū)段時(shí)依然會(huì)發(fā)出一些光子。

表1總結(jié)了不同光源在直流、交流電源下的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。2(“最小值”、“最大值”和“平均值”列表示各種光源的相對(duì)光強(qiáng)。)

如前文所述,除了頻率之外,閃爍指數(shù)還能顯著影響光如何作用于人的感受。閃爍指數(shù)越高越易察覺,因此也有更大的潛在危險(xiǎn)。

LED閃爍“久攻不下”?看我如何“攻城”!
表1:幾種光源的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。高閃爍指數(shù)的頻閃更易被人眼察覺。

改良的LED驅(qū)動(dòng)器

大部分現(xiàn)在使用的LED驅(qū)動(dòng)器都比圖3中給出的簡單示例要復(fù)雜。高頻開關(guān)電源因?yàn)槠涓咝Ф鴱V受歡迎。開關(guān)電源使用的輸入、輸出濾波器大大減少了市電電源輸出端的交流成分,不過有些紋波難以避免。LED驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量良莠不齊,建議工程師謹(jǐn)慎選擇。

盡管有些開關(guān)LED電源可以減少輸出端的交流成分,進(jìn)而降低閃爍指數(shù),可是閃爍的頻率卻不受影響,依然是市電頻率的兩倍,其所屬頻率區(qū)間有研究者認(rèn)為對(duì)人體有所影響。
具有影響力的美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)為了解決這個(gè)問題,建議將LED的工作頻率提高到150Hz。該組織的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)包括一條針對(duì)閃爍的標(biāo)準(zhǔn):如果廠家想要得到能源之星認(rèn)證以獲得商業(yè)優(yōu)勢,就一定要符合能源之星標(biāo)準(zhǔn)。

2009年,那條關(guān)于閃爍的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化,規(guī)定LED的最低工作頻率從之前的120Hz升高到150Hz。LED和半導(dǎo)體制造商都不喜歡這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)榘阉鼈兊漠a(chǎn)品提升到適應(yīng)新頻率標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用高昂。

2010年3月,在一封致相關(guān)方的公開信中,3 EPA放寬了規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)又改回了原來的120Hz,并一直沿用至今?,F(xiàn)在市面上有很多可以直接接入市電電源的LED驅(qū)動(dòng)器,而且宣稱能夠產(chǎn)生“無頻閃”電源。例如Cirrus Logic近期推出了它的CS161xLED驅(qū)動(dòng)器系列(CS1610-FSZ, CS1611-FSZ)。

這些芯片適用于100-120VAC和220-240VAC線路電壓,并稱即使配合傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)使用也可以維持無頻閃的優(yōu)異表現(xiàn)。(傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)總為LED驅(qū)動(dòng)器引入各種麻煩,所以只好妥協(xié)閃爍指數(shù)。)

CUI也提供了一款恒流驅(qū)動(dòng)器V-Infinity VLED15(圖5),配合傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)使用,在全亮度的時(shí)候可以完全沒有頻閃。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)版本可選,適合115VAC輸入和230VAC輸入。

設(shè)計(jì)LED燈具的照明工程師可以列出LED的許多優(yōu)點(diǎn),比如說光效高、壽命長而且堅(jiān)固耐用。然而,工程師們要記得,消費(fèi)者一旦在固態(tài)照明光下作業(yè)感到不適,他們會(huì)對(duì)產(chǎn)品吐槽。

就算頻閃可能是“不可察覺的”,它一樣會(huì)引發(fā)問題。例如,工作在使用頻閃熒光燈管照明的辦公室里的人認(rèn)為“病態(tài)建筑綜合癥”是導(dǎo)致高缺勤率的原因?,F(xiàn)在并沒有直接證據(jù)證明頻閃會(huì)導(dǎo)致癲癇,但是近期的研究表明頻閃非??赡苁钦T因之一。

相應(yīng)地,設(shè)計(jì)LED照明系統(tǒng)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)記減少頻閃。選擇高質(zhì)量的高頻率的LED驅(qū)動(dòng),因?yàn)樗鼈兛梢詼p少電壓中的交流分量,和輸出的電流紋波,進(jìn)而控制LED閃爍的調(diào)制深度。
還有,我們應(yīng)該積極尋找能將輸出紋波中的交流分量轉(zhuǎn)化到150Hz或更高頻率的LED驅(qū)動(dòng)器。據(jù)稱這個(gè)頻率的閃爍對(duì)健康的影響可以忽略不計(jì),不過還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)去證實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)。

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