LED照明(LED lighting)存在頻閃

近年LED照明產品頻閃議題持續于各國際照明團體發布相關文件, 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. 備注文件中說明LED照明光源(LED lighting)的響應速度非常快，可實現靈活多變的光色調控，并迅速掀起照明應用的變革. 但是，由于電源驅動器(LED driver)、調光器(Dimmer) 引起的光源調動，讓用戶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，它會嚴重影響光質量，甚至是有害的。 公元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，發布了技術備注文件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，并定義了閃爍指數(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分別為一個周期內光信號輸出平均值以上和以下的面積。經實際測試后推薦FI在0.1以下，可保證良好的照明。閃爍百分比與調制深度(Modulation depth，MD)的定義相同：其中，和分別為周期信號的最大值、最小值和平均值

圖1：閃爍參數計算示意圖

當頻率達到400Hz及以上時，人眼就不易察覺到頻閃(flicker)，但并不代表就沒有危害性。光源亮度越高，其閃爍速率也會相應提高。頻閃與頻閃效應，跟電光源種類，及其技術性能有直接的關系。

圖2：LED電流紋波(current ripple)可推算其光通量之變化(以Cree高亮度LED產品為例)

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系。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系。對于大多數LED而言，光閃爍百分比是低于電流變化百分比的。 在大多數脫機式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影響的。

美國能源相關分析市場照明產品結果, 如圖3 (數據源：Michael Poplawski and Naomi Miller. ” SSL Flicker Fundamentals and Why We Care” by U.S Department of Energy，2014)。頻閃差異分布出乎意料的大，其中有4個樣本頻閃狀況顯示為非常嚴重，分布在右上角落的位置，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于傳統燈，分布在左下角落的位置，表示幾乎沒有頻閃。

圖3：現有市場照明產品的頻閃比較圖

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(取代熒光燈或電子放電燈)要求功率因子標準而反應出頻閃問題。但頻閃問題并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。但由于價格競爭，許多廠商不愿意花費成本做為改善。鑒于此通嘉科技(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芯片兩端驅動，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是一款可于仿真定電流調光系統(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, 有別于市場產品雖標有其效能但實測后卻無法于調光型頻閃要求。

<表一> LD6802保護菜單

圖片擷取LEDinside 報導, 量測波形數據取自通嘉科技產品驗證報告

圖5：通嘉科技LD6802/J方案對策前后差異(左為無去頻閃對策下電氣及光學信息,而右圖為LD6802/J對策后信息)

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，比傳統熒光燈管還嚴重許多(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，也舍棄照明的質量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？

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