LED照明產品存在頻閃(flicker)?

LED照明(LED lighting)存在頻閃 近年LED照明產品頻閃議題持續於各國際照明團體發佈相關檔, 如IEEE(電機電子工程師學會)、Energy Start (能源之星)、IEC(電機電工委員會)、CIE(國際照明委員會)…等. 備註文件中說明LED照明光源(LED lighting)的回應速度非常快，可實現靈活多變的光色調控，並迅速掀起照明應用的變革. 但是，由於電源驅動器(LED driver)、調光器(Dimmer) 引起的光源調動，讓使用者對環境的視覺感知發生變化，而此變化往往是不期望發生的，它會嚴重影響光品質，甚至是有害的。 西元2016年CIE成立了專門的技術委員會，由來自荷蘭飛利浦(Philips)照明博士擔任主席，發佈了技術備註檔CIE TN 006對閃爍(Flicker)，頻閃效應(Stroboscopic effect)及幻影效應(Phantom array effect) 作出相關解釋，並定義了閃爍指數(Flicker Index，FI)和閃爍百分比(Flicker Percent，PF)。閃爍指數的計算公式如下：

 

 

圖1中，A1和A2分別為一個週期內光信號輸出平均值以上和以下的面積。經實際測試後推薦FI在0.1以下，可保證良好的照明。閃爍百分比與調製深度(Modulation depth，MD)的定義相同：其中，和分別為週期信號的最大值、最小值和平均值 當頻率達到400Hz及以上時，人眼就不易察覺到頻閃(flicker)，但並不代表就沒有危害性。光源亮度越高，其閃爍頻率也會相應提高。頻閃與頻閃效應，跟電光源種類，及其技術性能有直接的關係。

 

 

圖2中顯示, LED電流的改變會直接改變它的光通量輸出；但可以看出，兩者之間不是完全線性的關係。因此LED電流紋波(current ripple)和其衍生的閃爍百分比之間也不是線性的關係。對於大多數LED而言，光閃爍百分比是低於電流變化百分比的。 在大多數離線式LED驅動器中，電路參數會影響LED輸出電壓紋波(voltage ripple)，而LED電流紋波是則是受電壓紋波

 

 

美國能源相關分析市場照明產品結果, 如圖3 (資料來源：Michael Poplawski and Naomi Miller. ” SSL Flicker Fundamentals and Why We Care” by U.S Department of Energy，2014)。 頻閃差異分佈出乎意料的大，其中有4個樣本頻閃狀況顯示為非常嚴重，分佈在右上角落的位置，比傳統照明的頻閃狀況要差。但是，也有3個樣本的頻閃狀況竟然優於傳統燈，分佈在左下角落的位置，表示幾乎沒有頻閃。

 

 

 LED照明頻閃通嘉科技(Leadtrend)有對策

 

 圖3中，閃頻研究結果顯示發現某些廠牌能夠達到零頻閃，但也有不少廠牌的頻閃問題十分嚴重。換句話說，因國際節能相關單位要求LED照明燈具(取代螢光燈或電子放電燈)要求功率因數標準而反應出頻閃問題。但頻閃問題並非是無法克服的技術問題，而是設計燈具上是否針對電源和光源是否考慮頻閃紋波而選用兩級架構電路或選擇矩陣或二次光學設計。但由於價格競爭，許多廠商不願意花費成本做為改善。鑒於此通嘉科技(Leadtrend)提供簡易且安全的方案設計- LD6802/J, 以消除(remove)/抑制(suppress)因單級高功因轉換器(single stage PFC)架構下所產生100Hz~120Hz漣波控制，將帶有漣波的直流電經過處理才提供給LED晶片兩端驅動，因此有效抑制漣波閃爍(圖4)，成本相對兩級式減少約20% 。

 

 

圖4：通嘉科技LD6802/J 方案標準系統 

 

LD6802/J是一款可於模擬定電流調光系統(含TRIAC或DALI或0/1V-10V調光系統)之消除/抑制因單級高功因轉換器(single stage PFC)架構下所產生100Hz~120Hz漣波，通嘉科技(Leadtrend)至今已發表相關特性之專利, 有別於市場產品雖標有其效能但實測後卻無法於調光型頻閃要求。

 

 

<表一> LD6802保護功能表

 

圖片擷取LEDinside 報導, 量測波形資料取自通嘉科技產品驗證報告

 

 

 

以上實測結果電氣頻閃(flicker)可降至5%, 但電源效率將減少約3%。但若以光學流明效率(lm/W)僅差異約1%. 由此可推論較低的頻閃指數的燈具也會有較高光學亮度(流明)。

 

未來消費思考

 

照明的頻閃(flicker)問題從來不是一個新的議題，從傳統照明就存在至今。但面對新的LED照明型態，頻閃問題又重新浮現，而且可能比以往更加嚴重。市面上有部分LED照明產品的頻閃情況，比傳統螢光燈管還嚴重許多(尤其是單級相切phase cut調光系統, TRIAC dimmer)，不免擔心長期暴露在惡劣光源底下，會出現負面影響。另外消費者在一味關心LED燈的價格的同時，卻不曉得部分廠商為迎合消費者習慣降低產品價格及追求市占率的同時，也捨棄照明的品質與對視力健康的影響。消費者最終需要的是價格還是健康，這是值得深思的地方？