不同照明产品发光稳定性对比解析

 LED照明产品具有很多传统照明产品无法比拟的优势，当然也有其固有缺点或争议。其中，频闪即是重要争论之一。上期的文章中探讨了频闪、闪烁的基本概念，发光稳定性的意义，以及各种光源(灯)的发光原理与发光稳定性。本文将集中探讨几种灯的发光稳定性试验以及数据分析。

　　一、几种灯的发光稳定性试验

　　根据常规认为，人眼开始“临界”看见频闪发生的光变化应该是周期时间等于人眼的“视觉暂留”效应时间，并且光强度波动深度为25%两者的综合效果。按原理来说，50Hz频率供电的照明灯的规律性等幅度光强变化的光周期为0.01S，已经比人眼的“暂留效应”时间0.05～0.15S短较多，在“视觉暂留”效应时间结束前又有同样幅度的光到来，这时人感觉应是没有频闪的。

　　本研究对各种工作于50Hz交流电的光源(灯)，从点灯预热开始到稳定后测量光通量变化，计算其光通量的变化率。光通量变化率大，则发光稳定性差，也即频闪的可能性大。这与“波动深度”的定义H=(φmax-φmin)/φmax×100% 是相同的，但该定义也是频闪的间接参数。

　　实验原理：测量时的积分时间(相当于取样或曝光时间)越短，其结果越接近得到“波动深度”。测量一段连续时间的每个半波的光通量值稳定性，将比定义更能直接得到频闪如何的结论。例如对供电电源为50Hz的灯，连续测量几秒或更长时间的每个半波的光通量，如果每个半波之间的光通量变化很小，则发光很稳定。如有周期大于“视觉暂留”效应时间的重复性波动，且幅度超过25%则认为有频闪。

　　测量积分时间越短，对测量设备精度和各种其它条件要求越高，相应的测量误差或不确定性也可能增大。所以，如果受设备所限，多次随机测量各不连续时刻的短持续时期的光通量值，也能间接得出结论。

　　本实验受光谱积分测量设备所限，测量的最短积分时间为50ms，也就是每次测量的是50Hz中的2.5个周期或5个半光波的平均光通量值。设备也不能连续测量，只能多次随机测量各不连续时刻的5个半光波的平均光通量值。

　　本实验的第1个判定依据：对于研究“视觉暂留”效应时间为0.05秒的频闪来说，假设5个半波的光通量都是100lm，那测得的平均值为100lm。光变化最极端情况是第6～10个半波中的第10个半波的光通量增加25%(临界)而其他四个半波的光通量不变而仍然都是100 lm。这时，第6个至第10个半波的光通量平均值为105lm。所以，“第1～5个半波的平均值”与“第6～10个半波的平均值”变化率为5%。那么只要整个实验很多次测得的所有光通量值的变化率都小于5%，就间接说明应该没有频闪。测得的数据量越多越能反映结果的准确性。但是另一方面，即使测得的结果大于5%这个临界值，也不能肯定有频闪。

　　举例来说，如果第1～5个半波的光通量都是100 lm， 第6～10个半波的光通量每个半波都平均增加光通量6%，这已超过5%这个临界值，但“第1～5个半波” 的光在人眼中的亮度与“第6～10个半波”的每个半波光亮度相差都远没达到25%。所以，不能因此判断会发生频闪。

　　本实验的第2点判定依据：以长期以来人们感觉比较舒适、不觉得有频闪的白炽灯等的测试数据作参照比较，推断其它灯的发光稳定性程度与频闪。

　　本试验所用的灯有白炽灯、电感镇流下的荧光灯、高频工作下的荧光灯(节能灯)、单向LED串以及并联后成为双向的LED串、高频变换为直流下的LED球泡灯等。为了结论的准确性，进行了小积分球系统的50ms(0.02S)、100ms(0.1S)、300ms(0.3S)三个积分时间的测量和积分时间为10多秒的大积分球系统的测量。为了验证结果的重复性进行了多次相似试验条件的测量。

　　50ms(0.02S)：短于人眼的“视觉暂留效应”时间，对于50Hz交流工作的灯相当于2.5个周期(5个半周期)的光通量的平均值；

　　100ms(0.1S)：与人眼的平均暂留效应时间相当，对于50Hz交流工作的灯相当于5个周期(10个半周期)的光通量的平均值；

　　300ms(0.3S)：长于人眼的暂留效应时间，对于50Hz交流工作的灯相当于15个周期(30个半周期)的光通量的平均值。

　　实验在尽可能相同的环境条件下和电源稳定(监测其变化为220V±0.1V约0.05%)条件下进行，通过各种灯的测试数据分析，仪器的一致性和稳定性很好，对于主要希望得到光通量变化率/相对值的本次测量结论的影响可忽略不计。

　　本文以下主要以50ms的数据进行分析。

　　(一)白炽灯的发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象

　　由交流50Hz电源给白炽灯供电，预热45分钟开始，每隔3分钟至84分钟，按积分时间300ms、100ms、50ms各测量1次光通量数据如图1。

　　2.试验说明

　　a.假设30分钟之前没稳定，因此只测量了300ms的光通量数据；

　　b.50ms：30分钟后，最大值141lm，最小值139.5lm，平均值140.2lm；波动变化+0.8lm，-0.7lm；波动变化率+0.57%，-0.50%；

　　c.100ms：30分钟后，最大值139.8lm，最小值138.8lm，平均值139.3lm；波动变化+0.5lm，-0.5lm；波动变化率+0.36%，-0.36%；

　　d.300ms：30分钟后，最大值138.2lm，最小值 138.1lm，平均值138.1lm；波动变化+0.1lm，-0lm；波动变化率+0.07%，-0%。

　　3.分析

　　同一只灯所测得其光通量最大变化率分别为+0.57%(50ms)、±0.36%(100ms)、+0.07%(300ms)，都远低于本实验前面所说的变化率5%的临界值。因此，对于人眼感觉来说，远没达到频闪的程度，这也与实际相符。

　　从数据可见，测量积分时间越短，变化率越大，越能反映出本身的特性。测量积分时间越长，就把原本发光的变化给平均或淹没掉了，也就是说即使有频闪，用很长积分时间测量也无法获知。

　　(二)荧光灯发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象

　　4W荧光灯由交流50Hz电源供电电感镇流，开始预热至100分钟每隔4分钟用积分时间50ms测量光通量数据如图2。

　　2.试验说明

　　以40分钟稳定至100分钟的数据统计，最大值91.16lm，最小值88.99lm，平均值90.48lm；波动变化+0.68lm，-1.49lm，波动变化率+0.75%，-1.65%。

　　3.分析

　　其光通量稳定性差于白炽灯，光通量波动变化率低于前面所述的波动率5%的临界值。因此，对于人眼感觉来说，没达到频闪的程度。

　　(三)自镇流荧光灯发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象

　　50Hz交流5W节能灯(功率因数0.6)，预热78分钟至100分钟用50ms积分时间测量15次光通量数据如图3。

　　2.试验说明

　　最大值为88.54lm，最小值为88.31lm，平均88.47lm；波动变化+0.07lm，-0.16lm；波动变化率+0.08%，-0.18%。

　　3.分析

　　其光通量稳定性高于白炽灯和电感镇流的荧光灯，远低于前面所述的波动率5%的临界值。因此，对于人眼感觉来说，远没达到频闪的程度。

　　(四)LED球泡灯发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象......

　　2.试验说明和分析......

　　3.分析......

　　(五)金属卤化物灯发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象......

　　2.试验说明......

　　3.分析......

　　(六)高压钠灯发光稳定性试验及分析说明

　　1.试验及现象......

　　2.试验说明......

　　3.分析......

　　(七)LED串的发光稳定性试验及分析说明

　　1.单向LED串发光稳定性试验......

　　(1)试验及现象......

　　(2)试验说明......

　　(3)试验分析......

　　2. LED串反向并联成双向(50Hz交流电源供电)

　　(1)试验及现象......

　　(2)试验说明......

　　(3) 分析......

　　3. LED串反向并联成双向(小幅纹波的直流供电)

　　(1)试验及现象......

　　(2) 试验说明......

　　(3) 分析......

　　二、结论......

　　最后，本文认为目前使用“波动深度”公式来定义和判断是否频闪是不对的，它不足以是反映“频闪”最关键和本质的参数。接下来，我们将提出关于“频闪”定性的新观点以及定量的实验方法和结果，请大家批评指正。