城市轨道车辆客室照明LED灯具无频闪研究

城市轨道车辆客室照明LED灯具无频闪研究

何泽钧1,2

（1.中车株洲电力机车有限公司；2.宁波市江北九方和荣电气有限公司）

摘要：城市轨道车辆客室照明的频闪问题似乎一直被忽略，特别明显的频闪会让乘客的眼睛感觉难受，甚至间接引发恶心、头疼等症状。未来轨道车辆客室照明的部件设计应更关注乘客对健康照明的需求，轨道车辆客室照明LED灯具的无频闪设计是发展趋势，可改善客室照明环境。

关键词：频闪、LED、灯具、健康

Research on non-strobe LED Lamp for rail vehicle saloon lighting system

HeZhe-jun1,2

(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd; 2. Ningbo Jiangbei Gofront Herong Electric Co., Ltd.）

Abstract：Thestrobe problem of railway vehicle saloon lighting seems to have been ignored, especially obvious strobe will make passengers' eyes feel uncomfortable, and even indirectly cause nausea, headache and other symptoms. In the future, more attention should be paid to passengers' demand for healthy lighting in the design of lighting components of rail vehicles. The strobe-free design of LED lighting in rail vehicles is a developing trend, which can improve the saloon lighting environment.

Key words：Stroboscopic, LED, Lamps, Health

0　引言

光源频闪实质上是光源发出的光随着时间呈现出一定频率、周期的变化［1］。轨道车辆客室照明用白炽灯、卤素灯、LED灯具都可能出现频闪，但是每种光线的效果都不完全相同。白炽灯与卤素灯的灯丝温度对电流的变化反应缓慢，所以不易注意到频闪。对于当前的变化，LED灯具几乎是瞬间响应的，所以频闪现象更容易被乘客察觉。当然特别明显的频闪会让人的眼睛感觉难受，从而极大地影响视力。

IEEE PAR 1789危险性评估分委会拟定的《LED照明频闪的潜在健康影响》危险性评估草案中列出的频闪会造成的且可能在轨道车辆上发生的潜在危害有：对于光敏性癫痫病人，低频率高波动而产生可见的频闪，会诱导癫痫发作；在自闭症人之间增加重复行为；低波动、高频频闪效果不太明显，可能几分钟会出现偏头痛或严重头痛，常伴恶心、视觉紊乱等症状［2］［3］［4］。

1　频闪定义及参考指标

关于频闪，有不同定义与不同参考指标，例如 IEEE、IEC、CIE、GB等，轨道车辆客室照明可主要参考电气和电子工程师协会和中华人民共和国国家标准的定义。轨道车辆客室照明产生频闪的技术机理，既有供电驱动电源的因素，也有电光源技术设计不合理的因素等。对于很多项目的客室照明LED灯具来说，光源工作电流必然随着输入电压的波动而波动，也会导致光输出的波动产生频闪。

1）电气和电子工程师协会 IEEE

IEEE PAR 1789危险性评估分委会认为频闪主要取决于频率和波动深度，而且这两个因素是互相关联的。以轨道车辆客室照明LED灯具的频闪为例，可将频率理解为基于PWM控制的客室照明LED灯具在一亮一暗地闪着，而频率就是在1秒内“一亮一暗”的次数。当客室照明LED灯具频闪的频率是1000Hz，则其在一秒内“一亮一暗”1000次。波动深度，也称频闪指数，波动深度等于光线最强值与最弱值的差值，再除以最强值后获得的百分比，百分比越小，频闪越浅。

IEEE Std 1789－2015 在 2015 年所发布的文件中，将频闪风险分为几个等级，如图 1所示，绿色面积覆盖的是无危害的等级，而黄色区域则是低风险，超过黄色部分（白色区域）是不能被接受的［5］。

图 1  IEEE Std 1789中频率与波动深度的关系

IEEE Std 1789－2015中列出的低风险和无危害区域的灯具波动深度的限值如表 1 和表 2 所示。

表1 低风险区域的波动深度限值

表2 无危害的影响水平区域的波动深度限值

2）中华人民共和国国家标准GB

《GB/T 31831-2015 LED室内照明技术应用技术要求》标准范围适用于室内照明用LED光源和LED灯具及应用。其中条款6.1.4中规定，用于人员长期工作或停留场所的一般照明的LED光源和LED灯具，其光输出波形的波动深度应符合表3的规定。波动深度应按式FPF=100%×（A-B）/（A+B）计算，式中A为在一个波动周期内光输出的最大值，B为在一个波动周期内光输出的最小值［6］。

表3 光输出波形的波动深度的规定

该GB/T 31831标准同样规定若LED灯具其光输出波形的波动深度FPF＞3125 Hz，即”无限制”（高频豁免级别），即可达到无频闪的严格要求。

2　无频闪设计

根据表1、表2及表3可知，轨道车辆客室照明无频闪LED灯具的设计，关键在于设计LED灯具的光输出波形频率f，按照计算公式是否小于所对应的波动深度限值以内，超过即不合其标准。事实上，“无频闪”不是真的完全没有频闪，而是在一定的高频下（如表 2，光输出波形频率f＞3125 Hz，高频额免级别），已经超过人眼神经反应速度（无危害的影响水平区域的波动深度限值），不会对眼球有损害［7］。

轨道车辆客室照明LED灯具的频闪，调光设计是导致频闪的主要诱因［8］。轨道车辆自适应调光控制系统由环境光传感器、调光控制器、电源模块和执行灯具组成，如图2所示。轨道车辆车内布置2个环境光传感器，1个调光控制器，4个电源模块及数个灯具。调光采用车外光线自适应控制，即通过环境光传感器采集客室照度，对应调剂调光控制器的输出。光传感器可以将感应到的车外光照度处理成数字电信号传递给调光控制器，达到实时调节客室光照度的功能。光传感器的信号接口分别对接到调光控制器对应定义接口处，实现信号实时传输处理。调光控制器输出两路PWM调光信号分别给车内左右两侧电源模块，PWMA+和PWMB+为串联信号，从而保证灯具工作照度的一致性和稳定性。

图2 自适应调光控制系统

当LED灯具加载调光功能时，频闪往往会出现。特别是在调光较暗时，其波动深度比较大。因此对于具有调光功能或者连接调光控制器的LED灯具，最少应该在其分别在调光最亮（100%亮度）以及调光较暗时测量其频闪表现。综上所述，在不增加产品成本的情形下，唯一对调光控制器的软硬件进行优化设计，将PWM调光频率提升到法规所界定的健康高频豁免频率以上，设置为f=3200Hz，即免除考核（高频豁免级别），满足无频闪的严格要求［9］。

3　频闪测试

事实上，使用智能手机摄像头拍摄轨道车辆客室照明LED灯具的确可以看到频闪，但这并不是判断有无频闪的最佳方法，主要原因为：首先，智能手机屏幕看到的不是你的眼睛直接感知到的，而是经过手机的采样电路处理后的，具有卷帘门效应的影像［10］。其次，有的智能手机的采样和显示的频率会在一定的范围内根据摄像范围内的光变化进行自动调整，采样频率不够高，且不固定。也即是说，当智能手机测量没有黑条纹时，就表示光的波形是没有变化的，这也未必。如果智能手机的采样频率正好和光波形一样，那么手机就会被欺骗。最后，智能手机的快门也会影响判断，快门时间越短，智能手机所看到的频闪越明显，但快门时间越长频闪极可能消失。

真正能够测出是否频闪，仍须专业的检测仪器，如图 3所示，可以满足包括 IEEE、能源之星、IEC、CIE 等在内的多个最新频闪测量标准要求，适用于实验室和轨道车辆车内等测量场所。

图3 光源频闪测量仪

4结语

未来轨道车辆客室照明的部件设计应更关注乘客对健康照明的需求，轨道车辆客室照明LED灯具的无频闪设计是发展趋势，可改善客室照明环境。城市轨道车辆客室照明LED灯具的无频闪设计关键方式之一为调光控制器的PWM调光频率的设计，PWM调光频率不低于3125Hz，建议最佳设置为3200Hz，即可满足无频闪的严格要求，实现轨道车辆客室照明的健康化，改善车内照明环境。

  参考文献：

[1]  王晓静,段延龙,牟同升.健康照明的评价方法及其标准化的新进展[J].照明工程学报.2017(06)

[2]  沈海平.LED智能照明中涉及的几个视觉问题[J].照明工程学报.2017(05)

[3]  赵晓杰,徐蔚.光源频闪对人体健康的影响分析[J].光源与照明.2020(02)

[4]  赵晓杰,侯丹丹,徐蔚,林燕丹.办公室LED光源的频闪效应对人体健康的影响[J].照明工程学报. 2019(06)

[5] 许巧云.LED照明产品光源频闪风险分析[J].日用电器.2019(06)

[6]  杨志豪,李蕴,许瀛丹,陈凯.LED照明闪烁效应的评价及测量方法[J].照明工程学报.2019(02)

[7]  沈海平.LED智能照明中涉及的几个视觉问题[J].照明工程学报.2017(05)

[8]  陈燕达,屠彦,王莉莉,沈莉,贺亚光.视觉疲劳状态下的生理指标研究[J].电子器件.2015(06)

[9]  杨帆,许建兴,蔡建奇,杜鹏.多款不同光参数LED教室灯对视觉健康舒适度的影响[J].照明工程学报.2015(04)

[10]  何欣,冯雷,张来军.LED驱动电路中电解电容对频闪的影响[J].光源与照明.2020(02)