LED:新光源、新考量 – 淺談光形與頻閃及其線上量测

LED普遍被認為是下世代的主流照明技術,然而在照明產業轉換光源的過程中,因其特性上的不同,LED作為新光源也較傳統光源多了些新考量。例如LED的表現會隨著結點溫度(junction temperature)不同而不同,於是乎LED作為新光源也就多了散熱的考量;例如LED的光形會隨著元件與二次光學的設計不同而不同,設計上也就多了更多的考量與彈性;例如LED驅動方式與傳統光源不同,不同的驅動電路設計也使LED光源的表現大為不同。本文特別針對LED作為照明新光源,其光形(spatial distribution)與頻閃(flicker)的考量提出討論,並介紹其線上量測的解決方案。

光形

雖然近年來LED元件設計大幅增加了各方向的光取出率,但相對來說LED還是指向性較高的光源。在球泡燈的應用上,過往幾年LED燈泡因其元件特性與散熱設計,多採取半周光燈泡的設計,其燈泡發光角度約只為120°,較傳統白熾燈泡的300°可謂大幅縮小,如圖一所示,而既有燈具一般是為傳統白熾燈泡做設計,在直接取代的替換光源應用上,使用者的感受明顯與期待有所落差,如圖二所示,也因如此,較新的設計紛紛採取能有較大出光角度的全周光設計,而對全周光不同方向的出光量,也有相對應的規定與要求,如美國的能源之星計劃,便針對全周光的光形有如圖三的要求,在剖面的135°~180°的區間,要求其光通量不得低於總光通量的5%。針對不同型態的光源型式與應用,其對光源的配光要求也會有所不同,如日本針對LED燈管便有JEL 801的規範,要求在120°的區間內,其光通量需小於總光通量的70%,如圖所示四。

圖一 燈泡光形比較

圖二 全周光與半周光燈泡在相同燈具上的表現

圖三 美國能源之星對全周光燈泡之要求

圖四 日本JEL 801之燈管光形要求

頻閃

所謂的頻閃(flicker)是光源強度隨著時間有明暗變化的現象,而頻閃隨著其明暗變化的振幅大小與變化頻率,對人身體也會有不同程度的影響。在IEEE Standard P1789 的報告指出人眼可辨識頻率70Hz以下的頻閃,而人生理上對這樣的頻閃可能會有頭痛、眼花、心神不安、或引發癲癇等反應。人體對於高於70Hz較無法感知的頻閃,也並非毫無反應,可能引發的生理反應有頭痛、眼睛疲勞、長期使用會影響視力、有些個案會引發心跳加快等等,研究顯示可能需要高於160Hz以上,甚至高於200Hz方能對生理危害較無疑慮。而可允許的明暗變化振幅大小,也與頻率高低有關,在低頻的頻閃狀況下,些微的明暗變化便有可能會引發生理反應。除了生理危害之外,在某些應用場合也會有不同考量,如在攝影棚的應用上,攝影機等設備能擷取到更高頻率的變化,對頻閃的要求也相對較高,尤其是現今智慧型手機普及,消費者隨時隨手均能對生活週遭事物攝影,有頻閃的照明對於攝影品質是極大的傷害,也會引來消費者的抱怨。

由於頻閃對於LED照明至關重要,各國各組織紛紛對此做研究,並定義相對應的規範與標準,如美國能源之星計劃、IEC、ANSI、CIE等等組織均有相關於頻閃的規範與研究,例如對於明暗變化的振幅大小,ANSI/ IES便定義了兩個指標來描述,分別為Percent Flicker與Flicker Index,其相關定義如圖五所示。Percent Flicker由時域上光波形的振幅大小定義,Flicker Index則從能量觀點來作為定義。針對頻率部分,雖然有研究顯示可能約需高於160Hz以上方能無生理危害,但因這部份尚無結論,並考量現有技術與成本,各國規範大致是以電力系統頻率的二次諧波作為規範,如美國電力為60Hz,能源之星便要求LED照明不能有低於120Hz的頻閃,但相信隨著相關研究陸續有成果後,對於可允許的頻閃頻率規範可能也會有相對應之修改。

圖五 ANSI/ IES定義之頻閃指標

LED作為新光源,頻閃之所以會是須考量的重點,在於傳統光源其頻閃現象較為一致,而LED則會因為設計上的取捨與選擇,而有很大的差異。表一為各種光源使用上述頻閃指標的數值範圍,由表可知各種傳統光源其指標一致,但LED光源因驅動電路設計的不同,可能會有極為不同的表現。

表一 各種光源頻閃指標

光源 Percent Flicker Flicker index
60W 白熾燈泡 6.70% 0.02
20W 鹵素燈泡 4.80% 0.01
T8燈管 28.40% 0.07
CFL 燈管 37% 0.11
A廠7W LED 燈泡 100% 0.35
B廠10W LED燈泡 25% 0.04
C廠 12W LED燈泡 55% 0.15
D廠10W LED 燈泡 8.60% 0.02

 

光形與頻閃的線上測試

甫獲得LEDinside極光獎最佳後段製程LED檢測設備獎的線上式發光二極體照明測試系統,除了流明、色溫等等傳統檢測之外,特別針對光形與頻閃也提出了線上檢測的方法。測試系統架構如圖六所示,其相關測試原理則詳述於「LED照明產品在生產線上測試的可行性與必要性」一文中。

圖六 LED燈線上測試系統架構

實驗室中對於光形分佈是使用分佈光度計(Goniophotometer)作為量測設備,然而分佈光度計不僅體積龐大,且每次量測約需數小時的時間,實不適合作為生產檢測使用。致茂電子的線上測試系統,使用多個大面積光偵測器,在待測物周圍適當佈滿,因此透過這多個光偵測器所測得光量,便能大略描繪出待測物之光形分佈。如在燈泡的應用中,藉由光偵測器的適當排列,便能檢測能源之星要求的剖面135°~180°區間光通量檢測要求,如圖七所示。類似的,在燈管的應用中,藉由光偵測器的適當排列,亦能針對如日本JEL 801對燈管光形之要求,如圖八所示。表二為應用圖七方式,針對5000顆全周光LED燈泡實測其剖面135~180度區間光通量百分比結果。因其來料品質與組裝精準度問題,雖然已作了全周光的設計,但還是有近70顆燈泡不符合能源之星規範。

圖七 燈泡光形線上檢測 — 美國能源之星要求範例

圖八 燈管光形線上檢測 — 日本JEL要求範例

表二 全周光燈泡能源之星規範實測

樣品數量: 5000顆全周光LED燈泡  135~180度區域流明百分比
Max 7.60%
Min 4.80%
Average 5.50%
Stedv. 0.23%
不合格比率 (<5%) 1.30%

 

針對頻閃部份,線上測試系統使用單晶矽太陽能板作為光偵測器,藉由適當的取樣(sampling)技術,便能適當描繪待測物之光輸出於時域上(time domain)之波形,透過軟計算後,提供了包括Percent Flicker、Flicker Index與頻率資訊,藉由傅利葉轉換(Fourier Transform),亦提供了完整的頻域(frequency domain)資訊。配合系統所配置之數位功率表,便能在時域上同時描繪出電壓、電流、與光輸出波形,方便工程人員作進一步之分析驗證之用,如圖九所示。圖十則為市售幾種不同LED燈泡實測結果波形,由圖可知各家燈泡之波形表現極為不同,其頻閃現象也極為不同,與傳統光源頻閃現象一致的情形大異其趣,也增添了LED光源應用上的困難。

圖九 頻閃之完整時域與頻域分析

圖十 市售LED燈泡頻閃實測波形

結論

LED作為新光源,因其與傳統光源特性上的不同,也帶給照明業者使用上的新考量與挑戰。本文特別針對光形與頻閃做討論。甫獲得LEDinside極光獎最佳後段製程LED檢測設備獎之致茂電子線上測試設備,結合了自動化達成線上測試目的,除了一般的流明、色溫等參數檢測外,亦針對光形與頻閃提供了完整的解決方案。

致茂電子將於廣州照明展時展出此先進檢測設備,歡迎業界先進蒞臨指導。

來源:致茂電子 LED產品經理 張敏宏

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