不同照明產(chǎn)品發(fā)光穩(wěn)定性對比解析

LED照明產(chǎn)品具有很多傳統(tǒng)照明產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢，當(dāng)然也有其固有缺點(diǎn)或爭議。其中，頻閃即是重要爭論之一。上期的文章中探討了頻閃、閃爍的基本概念，發(fā)光穩(wěn)定性的意義，以及各種光源(燈)的發(fā)光原理與發(fā)光穩(wěn)定性。本文將集中探討幾種燈的發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析。

　　一、幾種燈的發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)

　　根據(jù)常規(guī)認(rèn)為，人眼開始“臨界”看見頻閃發(fā)生的光變化應(yīng)該是周期時(shí)間等于人眼的“視覺暫留”效應(yīng)時(shí)間，并且光強(qiáng)度波動(dòng)深度為25%兩者的綜合效果。按原理來說，50Hz頻率供電的照明燈的規(guī)律性等幅度光強(qiáng)變化的光周期為0.01S，已經(jīng)比人眼的“暫留效應(yīng)”時(shí)間0.05～0.15S短較多，在“視覺暫留”效應(yīng)時(shí)間結(jié)束前又有同樣幅度的光到來，這時(shí)人感覺應(yīng)是沒有頻閃的。

　　本研究對各種工作于50Hz交流電的光源(燈)，從點(diǎn)燈預(yù)熱開始到穩(wěn)定后測量光通量變化，計(jì)算其光通量的變化率。光通量變化率大，則發(fā)光穩(wěn)定性差，也即頻閃的可能性大。這與“波動(dòng)深度”的定義H=(φmax-φmin)/φmax×100% 是相同的，但該定義也是頻閃的間接參數(shù)。

　　實(shí)驗(yàn)原理：測量時(shí)的積分時(shí)間(相當(dāng)于取樣或曝光時(shí)間)越短，其結(jié)果越接近得到“波動(dòng)深度”。測量一段連續(xù)時(shí)間的每個(gè)半波的光通量值穩(wěn)定性，將比定義更能直接得到頻閃如何的結(jié)論。例如對供電電源為50Hz的燈，連續(xù)測量幾秒或更長時(shí)間的每個(gè)半波的光通量，如果每個(gè)半波之間的光通量變化很小，則發(fā)光很穩(wěn)定。如有周期大于“視覺暫留”效應(yīng)時(shí)間的重復(fù)性波動(dòng)，且幅度超過25%則認(rèn)為有頻閃。

　　測量積分時(shí)間越短，對測量設(shè)備精度和各種其它條件要求越高，相應(yīng)的測量誤差或不確定性也可能增大。所以，如果受設(shè)備所限，多次隨機(jī)測量各不連續(xù)時(shí)刻的短持續(xù)時(shí)期的光通量值，也能間接得出結(jié)論。

　　本實(shí)驗(yàn)受光譜積分測量設(shè)備所限，測量的最短積分時(shí)間為50ms，也就是每次測量的是50Hz中的2.5個(gè)周期或5個(gè)半光波的平均光通量值。設(shè)備也不能連續(xù)測量，只能多次隨機(jī)測量各不連續(xù)時(shí)刻的5個(gè)半光波的平均光通量值。

　　本實(shí)驗(yàn)的第1個(gè)判定依據(jù)：對于研究“視覺暫留”效應(yīng)時(shí)間為0.05秒的頻閃來說，假設(shè)5個(gè)半波的光通量都是100lm，那測得的平均值為100lm。光變化最極端情況是第6～10個(gè)半波中的第10個(gè)半波的光通量增加25%(臨界)而其他四個(gè)半波的光通量不變而仍然都是100 lm。這時(shí)，第6個(gè)至第10個(gè)半波的光通量平均值為105lm。所以，“第1～5個(gè)半波的平均值”與“第6～10個(gè)半波的平均值”變化率為5%。那么只要整個(gè)實(shí)驗(yàn)很多次測得的所有光通量值的變化率都小于5%，就間接說明應(yīng)該沒有頻閃。測得的數(shù)據(jù)量越多越能反映結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是另一方面，即使測得的結(jié)果大于5%這個(gè)臨界值，也不能肯定有頻閃。

　　舉例來說，如果第1～5個(gè)半波的光通量都是100 lm， 第6～10個(gè)半波的光通量每個(gè)半波都平均增加光通量6%，這已超過5%這個(gè)臨界值，但“第1～5個(gè)半波” 的光在人眼中的亮度與“第6～10個(gè)半波”的每個(gè)半波光亮度相差都遠(yuǎn)沒達(dá)到25%。所以，不能因此判斷會(huì)發(fā)生頻閃。

　　本實(shí)驗(yàn)的第2點(diǎn)判定依據(jù)：以長期以來人們感覺比較舒適、不覺得有頻閃的白熾燈等的測試數(shù)據(jù)作參照比較，推斷其它燈的發(fā)光穩(wěn)定性程度與頻閃。

　　本試驗(yàn)所用的燈有白熾燈、電感鎮(zhèn)流下的熒光燈、高頻工作下的熒光燈(節(jié)能燈)、單向LED串以及并聯(lián)后成為雙向的LED串、高頻變換為直流下的LED球泡燈等。為了結(jié)論的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了小積分球系統(tǒng)的50ms(0.02S)、100ms(0.1S)、300ms(0.3S)三個(gè)積分時(shí)間的測量和積分時(shí)間為10多秒的大積分球系統(tǒng)的測量。為了驗(yàn)證結(jié)果的重復(fù)性進(jìn)行了多次相似試驗(yàn)條件的測量。

　　50ms(0.02S)：短于人眼的“視覺暫留效應(yīng)”時(shí)間，對于50Hz交流工作的燈相當(dāng)于2.5個(gè)周期(5個(gè)半周期)的光通量的平均值；

　　100ms(0.1S)：與人眼的平均暫留效應(yīng)時(shí)間相當(dāng)，對于50Hz交流工作的燈相當(dāng)于5個(gè)周期(10個(gè)半周期)的光通量的平均值；

　　300ms(0.3S)：長于人眼的暫留效應(yīng)時(shí)間，對于50Hz交流工作的燈相當(dāng)于15個(gè)周期(30個(gè)半周期)的光通量的平均值。

　　實(shí)驗(yàn)在盡可能相同的環(huán)境條件下和電源穩(wěn)定(監(jiān)測其變化為220V±0.1V約0.05%)條件下進(jìn)行，通過各種燈的測試數(shù)據(jù)分析，儀器的一致性和穩(wěn)定性很好，對于主要希望得到光通量變化率/相對值的本次測量結(jié)論的影響可忽略不計(jì)。　　本文以下主要以50ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　(一)白熾燈的發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象

　　由交流50Hz電源給白熾燈供電，預(yù)熱45分鐘開始，每隔3分鐘至84分鐘，按積分時(shí)間300ms、100ms、50ms各測量1次光通量數(shù)據(jù)如圖1。

　　2.試驗(yàn)說明

　　a.假設(shè)30分鐘之前沒穩(wěn)定，因此只測量了300ms的光通量數(shù)據(jù)；

　　b.50ms：30分鐘后，最大值141lm，最小值139.5lm，平均值140.2lm；波動(dòng)變化+0.8lm，-0.7lm；波動(dòng)變化率+0.57%，-0.50%；

　　c.100ms：30分鐘后，最大值139.8lm，最小值138.8lm，平均值139.3lm；波動(dòng)變化+0.5lm，-0.5lm；波動(dòng)變化率+0.36%，-0.36%；

　　d.300ms：30分鐘后，最大值138.2lm，最小值 138.1lm，平均值138.1lm；波動(dòng)變化+0.1lm，-0lm；波動(dòng)變化率+0.07%，-0%。

　　3.分析

　　同一只燈所測得其光通量最大變化率分別為+0.57%(50ms)、±0.36%(100ms)、+0.07%(300ms)，都遠(yuǎn)低于本實(shí)驗(yàn)前面所說的變化率5%的臨界值。因此，對于人眼感覺來說，遠(yuǎn)沒達(dá)到頻閃的程度，這也與實(shí)際相符。

　　從數(shù)據(jù)可見，測量積分時(shí)間越短，變化率越大，越能反映出本身的特性。測量積分時(shí)間越長，就把原本發(fā)光的變化給平均或淹沒掉了，也就是說即使有頻閃，用很長積分時(shí)間測量也無法獲知。

　　(二)熒光燈發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象

　　4W熒光燈由交流50Hz電源供電電感鎮(zhèn)流，開始預(yù)熱至100分鐘每隔4分鐘用積分時(shí)間50ms測量光通量數(shù)據(jù)如圖2。

　　2.試驗(yàn)說明

　　以40分鐘穩(wěn)定至100分鐘的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大值91.16lm，最小值88.99lm，平均值90.48lm；波動(dòng)變化+0.68lm，-1.49lm，波動(dòng)變化率+0.75%，-1.65%。

　　3.分析

　　其光通量穩(wěn)定性差于白熾燈，光通量波動(dòng)變化率低于前面所述的波動(dòng)率5%的臨界值。因此，對于人眼感覺來說，沒達(dá)到頻閃的程度。　　(三)自鎮(zhèn)流熒光燈發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象

　　50Hz交流5W節(jié)能燈(功率因數(shù)0.6)，預(yù)熱78分鐘至100分鐘用50ms積分時(shí)間測量15次光通量數(shù)據(jù)如圖3。

　　2.試驗(yàn)說明

　　最大值為88.54lm，最小值為88.31lm，平均88.47lm；波動(dòng)變化+0.07lm，-0.16lm；波動(dòng)變化率+0.08%，-0.18%。

　　3.分析

　　其光通量穩(wěn)定性高于白熾燈和電感鎮(zhèn)流的熒光燈，遠(yuǎn)低于前面所述的波動(dòng)率5%的臨界值。因此，對于人眼感覺來說，遠(yuǎn)沒達(dá)到頻閃的程度。

　　(四)LED球泡燈發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　2.試驗(yàn)說明和分析......

　　3.分析......

　　(五)金屬鹵化物燈發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　2.試驗(yàn)說明......

　　3.分析......

　　(六)高壓鈉燈發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　2.試驗(yàn)說明......

　　3.分析......

　　(七)LED串的發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析說明

　　1.單向LED串發(fā)光穩(wěn)定性試驗(yàn)......

　　(1)試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　(2)試驗(yàn)說明......

　　(3)試驗(yàn)分析......

　　2. LED串反向并聯(lián)成雙向(50Hz交流電源供電)

　　(1)試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　(2)試驗(yàn)說明......

　　(3) 分析......

　　3. LED串反向并聯(lián)成雙向(小幅紋波的直流供電)

　　(1)試驗(yàn)及現(xiàn)象......

　　(2) 試驗(yàn)說明......

　　(3) 分析......

　　二、結(jié)論......

　　最后，本文認(rèn)為目前使用“波動(dòng)深度”公式來定義和判斷是否頻閃是不對的，它不足以是反映“頻閃”最關(guān)鍵和本質(zhì)的參數(shù)。接下來，我們將提出關(guān)于“頻閃”定性的新觀點(diǎn)以及定量的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果，請大家批評指正。