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屏幕和灯光的闪烁让你头晕眼花?自戳双目,还是换个『无频闪』的设备?

找到『无频闪』的东西没?告诉你一个好消息:绝大部分光源都有频闪,只是程度有别。

灯泡系列:LED 闪瞎眼?-器物与我

美国能源部认为:所有光源都有不同程度的频闪,来源:youtube.com

本文先聊什么是频闪,再说各种灯泡的频闪,接着谈 LED 频闪的原因、测试方法和减少手段,最后总结一番。

什么是频闪?

频闪,有频率的闪烁,光随着时间快速、重复的变化就叫做频闪,直接的感受就是图像跳动、不稳定。

灯泡系列:LED 闪瞎眼?-器物与我

频闪示意,来源:youtube.com

大部分人可以明显感知 50 或 60 Hz 以下的频闪,当频率达到一定程度,人眼会将闪烁的光看做连续源,这个频率被称作『临界闪烁频率』(CCF)。

CCF 因人而异,同一人在不同状况下也会变化,但大多数人的 CCF 值不超过 100 Hz。

不少人面对 50/60 Hz 以下的频闪会感到很不舒服,部分人在 50 - 100 Hz 之间依然不自在,那么频率要多少才能消除这种影响?

因人而异,有说 160 Hz、200 Hz,也有说 500 Hz,但基本上都认为达到千赫兹(KHz)就没啥问题了。

任何灯泡都有频闪


任何灯泡都有闪烁,只是程度不同。

家庭使用的交流电,供电频率一般为为 50/60 Hz (大家可以观察各种充电器上标注的参数),直接使用交流电的灯泡(如白炽灯),会产生 100/120 Hz 的频闪。

灯泡系列:LED 闪瞎眼?-器物与我

白炽灯在不同供电频率下的闪烁百分比和指数,来源:《Flicker happens But does it have to》 - cree

频闪问题,就算是白炽灯也要按基本法,只是因其『热惯性』,频闪并不明显。

除了『明显』、『不明显』这种摸棱两可的描述外,频闪可以用『Percent Flicker』(也叫做闪烁百分比、波动深度、频闪比例)和 『Flicker Index』 (也叫做闪烁指数、频闪指数)来衡量。

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各种灯泡的闪烁百分比和闪烁指数,来源:《LEDs: Fighting Flicker》 - archlighting.com

老式荧光灯的频闪比白炽灯厉害得多,但『电感镇流器』升级为『电子镇流器』之后,驱动频率上升到千赫兹(一般超过 2 KHz),频闪就不再成为问题。

灯泡系列:LED 闪瞎眼?-器物与我

频闪有无影响和风险,与『驱动频率』和『闪烁百分比』都有关,来源:《照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响》 - 俞安琪

显示器也会频闪,而且不单是 『 PWM 调光』的『LED 背光』显示器。

一般而言,采用 PWM 调光的显示器,亮度越低,驱动 LED 背光的频率越低,频闪越明显。

(PS:『PWM』,Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)

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亮度越低,频闪越明显,来源:《计算机屏幕和眼睛疲劳最新资料》- 艺卓公司

LED 为啥会有频闪?

除去 LED 芯片,LED 灯还剩下一堆电路板和原件,它们的分类和命名方式众多,基本上没个统一标准。

我们用一种简陋但方便的方式来两分:驱动部件和调光部件(或称电路)。

灯泡系列:LED 闪瞎眼?-器物与我

中间那块电路板就是驱动部件,来源:mashable.com

驱动部件


驱动部件 为 LED 芯片提供合适电流的各种部件的总称,包含交流电转换直流电、降低电压、整流滤波、恒流、恒压等功能。

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一种 LED 驱动方案的两分法,来源:《LED驱动电路设计与应用》 - 周志敏、周纪海等

调光部件


调光部件,调节 LED 芯片亮度高低的部件,其实很多情况下调光部件包含在驱动部件中,为了方便起见,我们把它独立出来说。

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电流在短时间内开、关、开、关的『PWM 调光』,来源:youtube.com

坊间常用『 DC(直流)调光』和『 PWM 调光』来区别调光方式,但我有些迷惑,因为除了少数『AC LED』之外,绝大部分家用的 LED 灯泡本来就是直流供电的啊。

所以我觉得,他们想说的可能是『CCR(恒流) 调光』,为了不产生混乱,我们下面还是称之为『DC 调光』。

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电流连续、恒定的 『CCR 调光』,来源:youtube.com

LED 频闪的原因


LED 的频闪,很大程度上不是 LED 芯片本身问题,而是源自驱动和调光部件,常见的频闪原因是:

一,劣质的驱动部件,不能减少『从交流电转为直流电』和『从驱动部件到 LED 芯片』过程中产生的『电压和电流的输出波纹』。

二,劣质的调光部件,或是兼容性差,或是选用了低频的 PWM 调光。

需要提醒大家的是,具备调光功能的 LED 产品才有调光部件,包含部分『可调光的、用于照明的』LED 灯泡和几乎所有 『LED 背光』的显示器。

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『是否感到频闪』的调查结果,DC 调光、200 Hz PWM 调光和 100 Hz PWM 调光下,《计算机屏幕和眼睛疲劳最新资料》 - 艺卓公司


怎么测试频闪?


实际上没有专业设备无法检测频闪,坊间流传的风扇(或转盘)和铅笔大法,主观性太强,只能作为简单的参考。

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转盘大法,左边为 CCR 调光,右边为PWM 调光,来源:youtube。


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铅笔大法,中间的缝隙越明显,频闪越严重,来源:youtube。

怎么降低频闪?


如果是驱动部件的问题,那就增加恒流部件、改进电路设计,以改善调整电流的性能。

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多种驱动方式,各有优劣和适用范围,来源:《LED 驱动方式分析及性能比较》 -  巢时斌

如果是调光方式的问题,那就改变调光方式、改进调节部件。

或是采用恒流的『 CCR 调光』,也就是常说的『 DC 调光』。

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左为『PWM 调光』,右为『CCR 调光』,来源:《Flicker In LED Luminaires WhitePaper》 - finelite.com

或是增加『 PWM 调光』的频率,因为采用高频驱动的 LED 灯,产生频闪的比例较小,而且 DC 驱动不一定没有频闪。

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采用高频驱动的 LED 灯,产生频闪的比例较小,DC 驱动不一定没有频闪,来源:《Flicker happens But does it have to》 - CREE 公司

或是采用混合调光方式(如:PWM + DC),因为对于可调光的 LED 来说,PWM 和 DC 调光两种模式各有优势。

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液晶显示器 PWM 和 DC 调光系统比较,来源:《10种方法缓解所显示器造成的眼睛疲劳》 - 艺卓公司

你可能会想,这不是很简单吗?厂商为啥想不到?朋友们,成本、体积、制造难度都在那摆着呢。

总结

任何光源都有频闪,只是程度有别,频闪是否被感知,因人而异,因方式、状态和环境而异;比方说液晶显示器的刷新频率大部分为 60/70hz,貌似没有给很多人带来困扰。

通常而言,白炽灯、『使用电子镇流器』的荧光灯、『采高品质驱动部件』的 LED 灯泡、『驱动频率较高』的 PWM 调光和 DC 调光的 LED 显示器,频闪较低,一般不会造成问题。

使用『电感镇流器』的荧光灯、『劣质驱动部件』的 LED 灯泡和『驱动频率较低』的 PWM 的 LED 背光,容易让人感知到闪烁,进而产生不适。

除了少数国外机构,大部分评测机构的 LED 评测结果中都没有频闪数据,我只知道一个国外的(ledbenchmark.com),希望能有更多这样的机构。

LED 的频闪主要来自驱动和调光部件,它们的结构比白炽、荧光灯复杂得多,各部件还存在兼容性问题,所以建议不要购买来路可疑、低于常价的 LED 产品,尽量选用正规大厂的灯泡。

主要信息来源

youtube.com

ledbenchmark.com

《Proper driver design eliminates LED light strobe flicker》 - ledsmagazine

《Flicker In LED Luminaires WhitePaper》 - finelite.com

《Flicker in LED Luminaires》 - finelite.com

《Flicker happens,But does it have to》 - CREE 公司

《10种方法缓解所显示器造成的眼睛疲劳》 - 艺卓公司

《LED 驱动方式分析及性能比较》 -  巢时斌

《LED照明驱动电源与灯具设计》 - 毛兴武

《基于不同驱动条件下白光LED照明频闪问题的研究》 - 杨光

《照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响》 - 俞安琪

《LED驱动电路设计与应用》 - 周志敏、周纪海等