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照明产品频闪的国际标准进展及其测量方案

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-01-09  来源:中国建筑电气网

The latest International Standards and Measurement Solutions for the Flicker of Lighting Products

盛迎晓,李晓妮,胡余兵,李倩

(杭州远方光电信息股份有限公司,浙江省杭州市310053)

摘要:LED产品的频闪问题已经引起了业内的广泛关注,特别是近年来智能照明甚嚣尘上,在附加调光、通讯等功能后,光源频闪往往更为严重。频闪不仅会带来心理和生理方面的健康问题,严重时甚至还会引发安全事故。目前,国际上已相继出台了多个有关频闪评估的标准,但这些标准的关注重点不同,评估指标也有很大的差别,要获得这些指标并非易事。本文将首先介绍频闪及其带来的影响,并且对现有相关标准进行梳理,同时结合标准分析频闪测量的方法和要求,最后介绍了频闪测量技术的发展近况。

关键字:频闪;照明产品;频闪百分比;频闪指数;频率

Abstract: The flicker problem of LED product has caused widespread concern in this industry, especially in recent years, the speed development of intelligent lighting makes the flicker problem even serious. Flicker not only bring psychological and physiological problems, but also may lead to serious accidents. At present, several international standards or reports have been published or under draft. However, these standards focus on different aspects, and their evaluation specification vary greatly. This paper will first introduce the flicker and its effects, then provide an overview of the existing relevant standards and analyze the measurement methods and requirements combining with all standards. Besides, the recent development of flicker measurement technology is introduced.

Keywords: Flicker, lighting product, percent flicker, flicker index, frequency

1、引言

频闪,是指照明产品的光输出随时间呈现周期性波动的现象早在上世纪90年代,就有大量的研究发现:光源频闪与偏头痛、头痛、自闭症、视觉疲劳与不适等神经学疾病有密切关系,严重的会使人眼造成错觉,进而引发事故。其中特别是电感镇流器荧光灯的问世,它的光输出随时间变化非常明显,光源频闪问题一度引起业内人士的关注,但是,随着电感镇流器荧光灯被电子镇流器荧光灯所取代,频闪问题逐渐淡出人们的视野。

近几年来,随着LED登上历史舞台,频闪问题又一次提出并被关注。特别是近年来智能照明甚嚣尘上,但照明产品在附加调光、通讯等功能后往往频闪问题更加凸显。由于频闪直接关乎照明质量,目前国际上已经出台了多项与频闪评估相关的标准,本文将对频闪的影响以及相关的标准进行综合梳理[1-3]

2、频闪的影响和危害

通常,频闪根据其可见性分为“可见频闪(visible flicker)”和“不可见频闪(invisible flicker)”两种。由于人眼系统的复杂性以及个体差异性,一般把频率在80Hz以下,大多数人眼可察觉的闪烁,称为可见频闪(visible flicker),且在8.8Hz时,人眼最为敏感,如图1所示,为人眼对频闪的敏感程度变化曲线。可见频闪是普通照明或者显示所无法接受的。

 

图1 人眼对频闪的敏感程度变化

图2 频闪效应示意图及机器频闪效应带来的机器运转错觉

图3 扫视汽车尾灯出现的幻影现象

研究表明,光源频闪与多种神经科疾病有着密切的关系:3-70Hz的低频闪烁光源对于一些人可能引发光敏性癫痫;对于100Hz闪烁频率被认定可导致头痛、偏头痛;对于120Hz频率的闪烁光源可能会影响人的情绪,出现厌烦、焦虑等。因此,对于照明产品的频闪特性进行准确测量和评估直接关系到人们的健康问题,亟待解决。

3LED产品的频闪问题

与荧光灯类似,LED灯也需要经过驱动器将电流输入二极管。但不同于只有电磁镇流器和电子镇流器两种选择的荧光灯,LED照明并没有固定的闪烁波形,目前LED照明产品的闪烁波形非常多样且复杂,如图4所示。今年来,随着LED产品的价格急剧下降,有些厂家为了节约成本,使用了较为简单的驱动电路,会造成较大的频闪问题。

图4 LED产品的频闪

而对于智能照明产品,调光是其必备的功能,而当产品具有调光功能时,频闪往往会进一步加剧,如图5所示。因此对于具有调光功能或者宣称可连接调光控制器的照明产品,在很多标准中,都要求其分别在调光最亮以及调光较暗时测量其频闪。

图5 调光LED频闪更为严重

4、频闪的评价标准

目前,国际上已有多个标准化研究小组都对频闪课题展开了深入的研究,并且已经或者正在发布相应的标准或者技术规范。

4.1 能源之星和IEEE

北美能源之星产品认证规范是最早对照明产品的频闪作出要求的标准之一,实际上,早在2000年的IESNA照明手册(Lighting handbook)中就已经对闪烁、频闪效应、闪烁指数(Flicker Index,FI)以及闪烁百分比(Percent Flicker,PF)等概念进行了明确定义。

图6 闪烁评价示意图

闪烁百分比:PF    (1)

闪烁指数:FI   (2)

闪烁百分比PF在IEEE标准中也被称为调制率,用Mod%表示。

PF(或FI)值越大,表明光源频闪越严重。根据IEEE标准,频闪带来的风险与调制深度和闪烁频率有关;频率较高时,调制深度可相对较大。该标准针对频闪可能带来的潜在健康问题给出了相应和介绍和建议,并将频闪风险分为几个等级,如图7所示,为频闪低风险和无察觉等级的划分示意图
 

图7 低风险(黄色区域)和无察觉等级(绿色以下区域)示意图

ENERGY STAR® 中专门给出了频闪测量的推荐实施方案,提到对于光源频闪的测量可选择使用光度绝对测量法或相对测量法。但无论是绝对还是相对测量,其供电输入必须符合IES LM-79-08或IES LM-66-14的要求,而且测量设备必须具有数据存储功能,必要时还应该配置合适的光衰减器,而且绝对测量必须配备积分球进行。此外,光度探测器与CIE V(λ)视觉曲线应高精度匹配,测量过程中,必须在采样时间≥100ms,采样频率≥2kHz等条件要求下,对待测照明产品不加调光器和加调光器分别进行测量等。

4.2 加州法规

2015年发布的加州法规CEC中对频闪的测量和评估方法提出了更为复杂的要求:在多个不同调光等级下采用20kHz以上的采样频率至少采集1s的数据,通过傅里叶和反傅里叶变换,并在40Hz、90Hz、200Hz、400Hz和1000Hz截波条件下,计算调制百分比。值得注意的是所述的调制百分比与上文闪烁百分比(PF)的计算公式差异很大。

4.3 IEC 闪变评价标准

IEC 关于光闪变的评价标准原来是电磁兼容骚扰特性评价的一部分,用于评价用电设备工作时带来的电压变化使周边照明产品由于电压波动所引起可见闪烁影响,覆盖频率为0.05Hz-80Hz。其中,IEC关于人对照度波动的主观视感进行了大量研究,给出了敏感曲线,并设计了一套基于概率的频闪分析方法。由于IEC的方法综合考虑了波形、占空比和调制深度,被学界认为是比较好的方法。

图8 Pst的评价计算示意图

IEC标准中采用短时间闪变值Pst对可见频闪进行评估,其测量计算原理如图8所示。Pst的典型观察时间是10min,计算中模拟了人对照度波动的主观视感,通过对于瞬时闪烁视感度概率进行分析计算,对该段时间内的光闪烁严重程度作出评估。IEC推荐Pst =1作为限值,它表示在标准实验条件下,50%的试验者(概率)刚好感觉到闪烁现象。

Pst的计算公式见式(3):

    (3)

其中,

式中表示整个测量期间,超过i%时间的频闪等级。

4.4 CIE 关于频闪的研究

CIE 在第一分部的关于频闪的技术委员会采用SVM指数评价频闪效应,覆盖频段80Hz-2000Hz,该方法已经在美国能源部的Caliper报告中得到应用[5]技术委员会主席 Dragan Sekulovski博士和我国东南大学研究团队在这方面已经作了大量研究工作[4]

国际照明委员会(CIE)第一分部(D1)也成立了关于光的暂态变化技术委员会,目前正在开展第一阶段的工作,将发布一个有关光源的频闪效应的技术注释(TN)。该TN提出了一个全新的指标:SVM指数,SVM的计算过程示意图如图9所示,即通过在频域空间对人眼的频率响应函数加权计算得出SVM值,见式并以此判断频闪效应的视见性:SVM=1时,刚好可见;SVM<1时,不可见;SVM>1时,可见。而准确计算SVM值则要求采样时间至少1s且为波形周期的整数倍,采样频率至少为信号带宽的2倍。

(4)

其中,为第m阶傅里叶分量的幅值;在第m阶傅里叶分量的频率处波形频闪效应的可见阈值;n为闵可夫斯基标准参数。

傅里叶变换                频闪效应的敏感度函数加权

图9 SVM的计算过程示意

4.5 ASSIST 推荐方法

美国照明研究中心(LRC)发布了三项关于频闪的半导体照明系统和技术联盟(ASSIST)推荐方法, 其中一项关于可见频闪,两项关于频闪效应。

对于可见频闪,LRC定义了自己的频闪感知调制值Mp。

而对于频闪效应,LRC则基于闪烁频率、FI和PF给出了如图10所示的频闪效应可接受范围[6]

图10 ASSIST给出的频闪效应可接受范围图

在ASSIST推荐方法中,不仅对采样频率有较高的要求,而且要求仪器的垂直分辨率达到0.05%,以满足观察细微闪烁波形的需求。普通的示波器由于只有8bit的处理功能,并不能符合测量要求。

5、照明产品的频闪测量方法

综上所述,对于频闪的客观测量操作比较简单,从采样方法来说,可分为相对法和绝对法。相对法测量即照度测量,只需照度计就可实现;而绝对测量则需要配备积分球才可完成,准确性和重复性会更高。频闪测量的准确性和重复性主要取决于测量设备。结合上述标准要求,测量设备应满足下述条件:

(1)    快速采样:能源之星要求采样频率在2kHz,SVM计算需要4kHz的频率,而加州规范则的要求20kHz或以上;

(2)    良好V(λ)匹配:能源之星等标准要求光度探头应与CIE V(λ)曲线高精度匹配,具体标准要求光谱失匹配系数f1小于3%或5%。

(3)    高分辨率:该指标决定了测量仪表能否较好地测量调暗状态下的光源,以及能够显示闪烁波形的细微之处,要求至少12位的分辨率。

(4)    大存储空间:空间不足可能导致采集波形数据不足或者傅里叶变换无法实现,从而导致测量精度低、测量参数不全面;

(5)    数据分析功能:从测量仪表获取各个频闪计量参数是非常有用和高效的。

基于上述要求,本文就照明产品频闪测量评价介绍以下典型测量设备,以供业界参考。

5.1 现场摸底测试

对于现场测量对设备的可移动性和人机交互有较高的要求。下图为典型的手持式频闪测量设备,兼具闪烁分析和光谱测量,并可在时域和频域对输出波形作出分析,获得基准频率、PF和FI等参数[7]

图11 远方SFIM-300光谱闪烁照度计

5.2实验室认证级测量

实验室测量需要精度更高,图12所示光源频闪测量系统,可实现照明产品的基准频率、闪烁指数、闪烁百分比、光波动深度等的测量;当配以积分球时,可实现能源之星所要求的绝对频闪测量。2016年2月美国能源部(DOE)的一项关于频闪测试仪的Caliper研究中将远方LFA-2000也列为研究对象, 经过实测,LFA-2000被列为推荐设备[5]


图12 远方的LFA-2000光源频闪测量系统

5.3 最新的综合性高精度测量设备

基于最新的标准和技术规范要求,远方光电在原有LFA-2000基础上成功升级了新一代频闪测量设备,如图13所示。仪器通过配备快速光度探头,最高采样速度可达100kS/s,可捕捉快速变化光源的精细波形,并对快变光源的闪烁特性作出准确分析;照度测量范围为0.1 lx~200,000lx,适应于各种调光等级的测量。同时,采样与传输同时进行,克服了传统RAM存储空间有限的问题,在一定条件下可实现无限采样

该设备能够获得上述已发布标准或技术报告的所有频闪评价参数,并根据标准,对照明产品的风险等级进行自动分类。特别之处还在于,仪器搭载可拆卸的平板电脑作为显示界面,能够实现远程无线操控和数据传输,因此既适合于实验室也满足现场照明测量需求。

 

图13 光源频闪测量仪及典型测试界面(远方LFA-3000

5、小结

照明产品的频闪问题因关系到人的健康和安全,已经得到了国际社会的广泛关注。随着固态照明技术的快速发展,LED产品正以迅猛的发展态势逐渐取代传统照明光源成为新一代照明产品的新选择,但伴随着越来越多的智能照明产品的应用,照明产品的频闪问题也逐渐凸显。对于频闪的评估,各种标准的计量方法都不相同,本文简要梳理国际主流法规和标准,推荐目前最为先进的检测设备,相信在已经验证的检测设备的帮助下,解决照明频闪可以事半功倍。

参考文献

[1]涂新雅,潘建根,等.LED驱动电源的检测技术进展,照明用电源与智能控制技术研讨会,2013.9.

[2]牛占彪,健康照明与无频闪护眼灯,中国照明电器,2015(3).

[3]陆世鸣,刘磊,俞安琪.照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响,灯与照明,2014(4).

[4] Gosia Perz,Dragan Sekulovski,Measures for Quantifying the Visibility of Temporal Light Artefacts,International Commission on Illumination(CIE ),2015.

[5]Characterizing Photometric Flicker,Department of Energy,Energy Efficiency &Renewable Energy,2016.2.

[6]Minmizing Flicker from SSL Systems,ASSIT :Alliance for Solid -State Illumination Systems and Technology,Lighting Research Center,2015.

[7]Tiankai Zhu,Yan Huang,etc.The Mobile Spectral Measurement Technology in New Lighting Era,Lighting Conference of China,Japan and Korea,2014.

 
 
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