普通照明用自镇流LED灯的频闪问题分析

薛晓晓，陈 萍，王 建

(浙江省电子信息产品检验所，浙江 杭州 310007)

普通照明用自镇流LED灯的频闪问题分析

薛晓晓，陈 萍，王 建

(浙江省电子信息产品检验所，浙江 杭州 310007)

通过采用两份国际上主流的频闪问题技术规范中规定的测试项目，对80批次从市场购买及从企业取回的普通照明用自镇流LED灯样品进行了检测。对目前市场上该产品的频闪问题现状进行了一次摸底，并从技术规范项目的设定原理以及产品的检测结果来分析两份技术规范的特点，归纳了其统一性及区别。

照明；自镇流LED灯；频闪；闪烁百分比；SVM指数

引言

随着LED照明产品被越来越多地应用在我们的日常生活中，对其频闪问题的探讨近年来时常出现在相关技术论坛及学术会议上。越来越多的生产企业和消费者都更加关心LED灯的频闪问题。由于国内尚无针对光源频闪的相关标准，我们尝试通过采用两份目前国际上主流的LED灯频闪测试和评判技术规范，对80批次普通照明用自镇流LED灯的频闪参数进行统一测量和归纳分析。

1 检测项目及方案

本次检测的项目为IEEE Std 1789—2015《IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers》中要求的闪烁百分比(Percent Flicker)及与其判定配套使用的光波动频率、NM(normalized modulation归一化调制)和CIE TN 006:2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中要求的Pst(短期闪烁指数)及SVM指数(Stroboscopic effect visibility measure，频闪效应可见性测量指数)。

在80批次普通照明用自镇流LED灯样品准备中，从市场随机买样70批次，从企业取样10批次，样品均不具备调光功能。在买样及取样过程中，没有提出任何特殊要求，均为正常销售或待销产品。考虑到实际销售及使用中存在的产品分布特点，最终得到80批次样品中：冷色调57批次，暖色调23批次；额定功率3 W及以下43批次，额定功率3 W以上6 W及以下20批次，额定功率6 W以上17批次。考虑到检测结果的重复性，本文将只选取每批次中1个普通照明用自镇流LED灯的检测结果进行分析。

检测在测光暗室中进行，将灯保持在固定的距离，到其燃点稳定后，使用LFA-3000光源频闪测量仪进行检测。该测试系统采用最高达到100 kHz的高速照度探头，测量LED灯光输出的时域变化曲线；并对该曲线进行时域及频域的分析计算，从而得到需要的各参数。

2 检测项目分析

2.1 闪烁百分比

闪烁百分比表示在光输出的一个波动周期内，最大光输出值减去最小光输出值和最大光输出值加上最小光输出值的比值(见图1)，见公式(1)。

式中，PF为闪烁百分比，A是最大光输出值，B是最小光输出值。本文中光输出值即为固定距离测得的照度值。

图1 光输出变化曲线Fig.1 Light output waveform

闪烁百分比表示的是光输出在一个周期内的最大波动。闪烁百分比为100%意味着该光源在一个周期内的某些时候不发光，而一个完全稳定的光源其闪烁百分比则是0%。

IEEE Std 1789—2015对于LED灯闪烁百分比的要求分别见表1和表2。

2.2 NM

将光输出变化曲线通过快速傅里叶变换得到了各频率的分量，并计算出各分量的闪烁百分比。将每一分量的闪烁百分比除以该频率点闪烁百分比限值，并对所有分量的计算结果进行累加，即得到NM。NM1=1表示频闪高风险等级限值，若NM1>1则表示光源为频闪高风险等级；NM2=1表示频闪低风险等级限值，若NM2>1则表示光源为频闪低风险等级。

表1 高风险等级Table 1 High risk level

表2 低风险等级Table 2 Low risk level

2.3 Pst

在电磁兼容项目中，Pst是考虑用电设备的工作对电网造成波动，从而导致同一电网中工作的光源发生闪烁影响的评价值。CIE TN 006:2016中将Pst作为评价80 Hz以下低频可见闪烁的一个参数。它是对采集到的光输出变化曲线的去调制，进行人眼响应滤波，并计算短期内信号的方差然后进行统计分析得到。Pst的限值为1，当其等于1时表示在标准实验条件下，50%的观测者刚好感觉到有闪烁。

2.4 SVM指数

SVM指数是CIE TN 006:2016最新提出专门量化频闪效应的一个参数。它得到了Lighting Europe和NEMA的支持。SVM指数反映的是80 Hz～2 000 Hz光波动照射下人眼对于频闪效应的可视化程度，见式(2)。

式中，Cm为光输出变化曲线m阶傅里叶分量的幅值；Tm是第m阶傅里叶分量其频率对应的频闪效应可见阈值(见图2)；n等于3.7。SVM指数的限值为1，当其等于1时表示频闪效应正好可见。

图2 频闪效应可见阈值曲线Fig.2 SVM sensitivity curve

3 检测结果分析

按照一致性要求，在实验室内稳定的电源、大气及光环境条件下，对80批次样品的相关参数进行了分批检测。

3.1 闪烁百分比、光波动频率和NM检测结果统计

80批次样品中，有75批次样品的光波动频率为100 Hz；4批次样品的光波动频率为50 Hz；1批次样品的光波动频率为500 Hz。32批次样品的闪烁百分比为频闪高风险等级；35批次样品的闪烁百分比为频闪低风险等级。32批次样品的NM1超过了限值；35批次样品的NM2超过了限值。按照NM与按照闪烁百分比判定的频闪风险等级结果一致，且样品分布一致。按照存在频闪风险的比例来说，频闪高风险等级的样品比例达到了40.0%，频闪低风险等级的样品比例达到了43.8%。表3为典型的10批次样品的检测结果。

3.2 Pst和SVM指数检测结果统计

80批次样品中，所有样品的Pst检测结果均未达到可见限值；23批次样品的SVM指数超过了频闪效应可见限值，频闪效应可见的样品达到了28.8%。表4为表3对应的10批次样品的检测结果。

表3 闪烁百分比、光波动频率和NM检测结果Table 3 Test result of PF,frequency and NM

表4 Pst和SVM指数检测结果Table 4 Test result of Pst and SVM

3.3 检测结果分析

闪烁百分比是通过光输出变化曲线的幅值直接计算得到的，能够较为直观地表现出光输出的变化量。由于这个特点，它并没有考虑光输出变化曲线波形不同对实际频闪效果的影响，但实际上波形的不同必然会对观测结果存在一定的影响。而NM参数，是对只简单根据闪烁百分比和光波动频率来判定LED光源的频闪情况的完善和补充。由于NM是通过快速傅里叶变换得到各频率的分量，再进行计算，充分考虑了波形不同对实际频闪结果的影响。能够将任意形状的波形，均统一到了正弦波。因此，抛开限值是否合理不论，只针对光输出变化曲线的分析情况来说，NM是比较充分的。本次80批次普通照明用自镇流LED灯闪烁百分比与NM的判定结果完全一致，我们发现这正是因为其中闪烁百分比较大的样品其光输出变化曲线波形接近于正弦波(如图3所示)。当光输出变化曲线和正弦波差别较大时，NM和闪烁百分比的判定可能会有所差距。

图3 某样品光输出变化曲线Fig.3 Light output waveform of a typical sample

Pst考虑的是80 Hz以下的可见闪烁。本次检测的80批次普通照明用自镇流LED灯样品中，76批次样品的光输出变化曲线频率是100 Hz及100 Hz以上的，另外4批次50 Hz的样品的闪烁百分比或者说其光输出变化曲线的波动并不是太大，因此并没有达到频闪可见的限值。然而从光源存在的多样性来考虑，对某些低频且波动幅度较大的光输出来说，Pst将变得十分有意义。

SVM指数是通过对光输出变化曲线进行傅里叶变换得到各频率分量的幅值，然后对各分量幅值和该频率的频闪效应可见阈值的比值再来做求和计算。因此它主要考虑的是实际分量幅值和和频闪效应可见阈值Tm的比值。Tm是人眼对频闪效应的感知阈值，是从大量针对人眼频闪效应主观感知的实验并通过统计归纳得到的。而式(2)中的Minkowski标准系数n同样是通过大量实验得到的最优化拟合常数。因此SVM是从大量实验结果统计的角度出发，从人眼直接能够感知的角度来得到的频闪效应可见指数。本次检测中频闪效应可见样品的比例要小于高风险等级样品的比例。

从这4个参数的测量或计算过程来看，我们所采用的两份技术规范对频闪问题考虑的方向和分析原理存在不同。IEEE Std 1789—2015所要求的闪烁百分比和NM都是对光输出变化曲线本身的分析，它们考虑的是灯发出光的波动和对应频率的关系。而CIE TN 006:2015则完全从人眼感知的角度出发，通过人眼对可见闪烁以及频闪效应的可见程度从统计分析的方法得到。它们看待频闪问题的角度存在差异，但这个差异并不矛盾。因此这也能够部分地解决行业内针对这两份技术规范的争论。

本次检验中，有40.0%的样品达到了IEEE Std 1789—2015规定的高风险等级，43.8%达到了低风险等级。有28.8%的样品超过了CIE TN 006:2015频闪效应可见限值。而超过频闪效应可见限值的样品，均为高风险等级，且其闪烁百分比和NM1都要比频闪高风险等级限值要大得多。因此仅从本次检测结果来说，两者对频闪问题的判定存在一定的一致性，其限值要求存在不同。

4 结论

通过对80批次随机买样和取样普通照明用自镇流LED灯频闪参数的检测可以看到，目前国内该产品的频闪问题比较严重。许多普通照明用自镇流LED灯为频闪高风险等级，也有不少产品的频闪效应为可见。为此有关部门应积极组织行业内专家，在充分参考研究国际上相关技术规范的基础上，做好理论研究和产品分析工作，尽快制定出我们自己的检验和评判标准；引导企业改善产品频闪控制能力，减少频闪危害；不断提高LED照明产品的质量水平，促进我国LED照明产业健康持续发展。

[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] 卢帆.交流LED频闪效应研究[D].南京：东南大学,2015.

[4] CIE发布有关照明频闪的定义和测量的技术备注[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