終結隱形殺手!正視LED照明頻閃問題

(文 / 浩然科技投稿)

您知道辦公室內大部分的光源都不是連續的嗎?它們以肉眼無法察覺的高頻率閃爍著,但是研究證明一定程度的照明頻閃對人體是有害的。

在今年的LFI照明展會,由美國能源局所主持的固態照明訓練講座中,其中一堂課即為「認識LED頻閃及為何應重視此議題」 (Michael Poplawski and Naomi Miller 2014),這重新開啟了業界對照明頻閃的討論。此議題早先由美國固態照明系統與技術聯盟提出,研究人們對於照明頻閃的容忍範圍並發佈在LED專業雜誌上(Rebekah Mullaney 2011),藉此希望LED品牌商及製造商能夠重視頻閃問題並創造更良好、適合人們的健康照明。

然而就在2012年之後,LED照明產業經歷削價競爭、血流成河,不論大型或中小企業首先關心的是「如何降低成本」,究竟有多少廠商注重照明的品質問題,值得我們省思。

 

 



何謂照明之頻閃

凡是直接使用AC交流電驅動的電子光源,都會因電流的波動而產生頻閃,螢光燈管、高壓鈉燈和LED照明的發光原理特性,容易迅速反應電流的波動,因此頻閃的程度比較大,需靠電路設計轉換成穩定的直流電輸入。一般市電的頻率為50-60赫茲,螢光燈管經過電路轉換後的閃爍頻率為50-60赫茲的倍數,一般通常為120赫茲。

我們平時感受不到光源的閃爍,是由於閃爍的頻率非常快,每秒閃爍近百次以上,肉眼只能辨識100赫茲以下的光源閃爍,100赫茲以上的光源閃爍雖無法透過肉眼辨識,卻能夠從頻閃效應中被察覺。

頻閃效應可以從一些現象中觀察到,最簡單的就是用手機對準光源拍照,有頻閃的光源會出現水波紋(圖一)。移動物體在有頻閃的光源下拍照時,會出現疊影,而非連續的成像(圖三)。此外,上下快速震動的工具機具,若振動的頻率剛好與燈光閃爍的頻率倍數相當,就會使人產生工具機是靜止的或震動速度變慢的錯覺。

 

表一  頻閃效應說明




圖一與圖二表示,用手機對準光源拍照,有頻閃的光源會出現明顯的水波紋,無頻閃的光源則不會。圖三與圖四表示移動物體在有頻閃的環境下拍照時,物體成像有疊影,在無頻閃的環境下拍照時,則為連續的成像、無疊影。

頻閃對人體的影響

根據美國能源局公佈的頻閃說明(U.S Department of Energy 2013),光源的低頻閃爍會觸發癲癇發作,辦公室環境使用螢光燈管搭配電感式安定器,也研究出與頭痛、容易疲勞、視力模糊、視力減弱等人們的不適有關聯。頻閃效應甚至可能造成夜間開車時的錯覺,誤以為移動中的物體是靜止的或速度減慢;或是在工業環境中,也可能因頻閃效應造成工安狀況。

光源的頻閃對某些特定族群容易造成負面影響,包含孩童、自閉症患者、偏頭痛患者、癲癇患者。由於頻閃無法直接被肉眼查覺,因此人們時常沒有意識到頻閃其實是某些不適症狀的主因,只要改善照明的品質,一些疲勞的症狀都能減輕,也能大幅提升工作效率。

市場上照明產品的頻閃分析

一般我們認知螢光燈管有較嚴重的頻閃問題,但卻不太清楚LED照明有沒有這類頻閃問題,以下美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的調查可能會讓你我跌破眼鏡。

PNNL調查市面上25項照明產品(圖五),從傳統白熾燈、金鹵燈、螢光燈到LED燈分別做頻閃比較分析,圖表中越靠近左下角,表示頻閃狀況趨近於零,越靠近右上角,表示頻閃狀況十分嚴重。

白熾燈、金鹵燈與螢光燈這三款傳統照明中,以螢光燈的頻閃狀況較為嚴重。但是同屬性的傳統燈不論是哪一家廠牌,頻閃狀況分佈都很集中,也就是說各家廠牌針對頻閃問題的技術水準都差不多。

然而,LED照明的分析結果就十分有趣,頻閃狀況的差異分佈出乎意料的大,其中有4個樣本頻閃狀況顯示為非常嚴重,分佈在右上角落的位置,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於傳統燈,分佈在左下角落的位置,表示幾乎沒有頻閃。

 

圖五  照明產品的頻閃比較圖


 






資料來源:Michael Poplawski and Naomi Miller. ” SSL Flicker Fundamentals and Why We Care”. (U.S Department of Energy,2014)

解決LED照明的頻閃問題

由以上的市場調查與科學研究中,我們可以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,LED照明的頻閃問題並非無法解決的技術問題,而是廠商在製作過程中投入的成本問題。台灣的LED高功率照明大廠 浩然科技總經理羅賢傑表示:「是否能創造零頻閃的優質LED光源,關鍵在於LED電源是否為兩級架構的電路設計。由於價格競爭,許多廠商不願意花費成本製作兩級架構的電路。」如圖五所示,輸入電流是AC交流電,但是LED晶片運作於DC直流電,因此須透過電路轉換。目前有兩種電路架構:單級架構及兩級架構。單級架構的電路設計,線路簡單,只做一次交流電轉換為直流電的處理,成本雖然較低,但是卻無法有效抑制直流電漣波,由於LED晶片其順向偏壓與電流成指數關係,因此極細小的電壓變化也會使其電流、光度有很大變化,也代表頻閃問題較嚴重。兩級架構的電路設計,將帶有漣波的直流電再經過濾波電路後,轉換為更穩定的直流電,接著才提供給LED晶片運作,因此能有效抑制漣波閃爍(圖六),但相對成本較高。

兩級架構多出的電路板體積要安裝到電源結構的有限空間中,考驗到廠商電路設計的技術。此外,安規規定電源零件之間必須相隔一段距離,要符合安規規定又是另一個技術門檻。廠商必須支出更高的成本來完成兩級架構電路, 因此改善LED照明頻閃的問題其實也反映在產品的成本與價格之上。
 

圖六  單級架構與兩級架構的電路設計比較圖


 


 

圖七  單級架構與兩級架構的電源輸出比較圖






照明的頻閃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。我們看到市面上有部分LED產品的頻閃情況,比傳統螢光燈管還嚴重許多,不免擔心長期暴露在惡劣光源底下是否會出現我們還不曉得的負面影響。消費者關心LED燈泡的價格是否已達到甜蜜點,卻不曉得部分廠商一昧追求市占率、迎合消費者降低價格的同時,捨棄的可能是品質與健康。消費者最終需要的是價格還是健康,這是值得省思的問題。



參考資料

  • Michael Poplawski and Naomi Miller
    2014    SSL Flicker Fundamentals and Why We Care. U.S Department of Energy. Electronic document, http:http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/miller_poplawski_flicker_lightfair2014.pdf, accessed Dec 8, 2014.
     
  • Rebekah Mullaney
    2011    Studies Published on Minimizing Flicker from SSL Systems; ASSIST to Release Related Recommendation. Electronic document, http://www.lrc.rpi.edu/resources/newsroom/pr_story.asp?id=205#.VIrDGyuUcQ0, accessed Dec 8, 2014.
     
  • U.S Department of Energy
    2013    Solid-State Lighting Technology Fact Sheet. Electronic document, http:http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/flicker_fact-sheet.pdf, accessed Dec 8, 2014.
     
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