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震惊!央视315炮轰无良LED厂,智能家居厂竟集体躺枪

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2017年315晚会上,央视曝光了部分打着“护眼灯”旗号的LED灯泡,存在严重的频闪问题,并给出了一个简单的用普通手机摄像头检测频闪的方法。消息一出不到5分钟,立刻就有用户发来了微信,说我用手机看了,怎么这智能灯也有频闪呀!

赶快回看315晚会,果然,央视继续秉承一贯的“为了大众的认知能力,不能把科学讲太深”的精神,把大家的恐慌煽动起来后就撤了。是时候把央视没讲出来的部分写出来了。




01



什么是频闪(Flicker),哪些灯具会有频闪,哪些没有?

大家都知道,咱们的市电是50Hz的交流电,也就是说,在一秒钟之内,会交替变化50个周期,就像下面的图那样。

不仅仅瞬时电压是波动的,相应的瞬时电流和瞬时功率,都是以50Hz波动的。正因为这个50Hz的交流电,导致几乎所有插在市电上的电子设备,都或多或少带有一些50Hz的印记。

(315合格灯具,依然可见微小的波动)


日光灯:说到频闪,最典型的是需要用启辉器的日光灯管。这类灯管,是通过电流激发管里的气体,产生光线。电流无论正反流动,都能激发发光,只有电流接近和经过零点的时候,才不发光(但仍有辉光),因此,这类灯管会产生两倍于电流频率的频闪,在市电下就是100Hz(美国就是120Hz)。


白炽灯、卤素灯:这类灯具都是靠热来发光的,虽然灯丝的瞬时功率是波动的,但是其温度的变化是非常缓慢的,因此其光线是持续无频闪的。


节能灯:所谓节能灯,其实是指采用电子镇流器的荧光灯,发光原理和日光灯相同,但电子镇流器会把50Hz的市电先转换成直流,再转换成频率高达20k-60kHz的高频交流来驱动灯管。因此它也有“频闪”,只是频率高了近3个数量级。


LED:它是有潜力实现没有频闪的光源。LED灯具中,50Hz市电首先转换成直流,再转换成恒定的电流和电压,直接以直流驱动LED发光器件,因此几乎没有频闪。同时,LED也是目前量产商用的效率最高的光源。


很遗憾的是,一些无良LED厂商为了降低成本,并不用上述这种市电->直流驱动的方式,而是直接用简单整流后的市电来驱动LED器件。这样,LED就和日光灯一样,会产生100Hz的频闪。在(Wilkins-2010)中,记载有如下会产生频闪的简化LED驱动方式。事实上,我曾经在某个办公室看到过采用这种方案的灯泡。某宝上的1.9包邮的LED灯泡,大家就自己掂量着买吧。


(简化LED驱动图,摘自Wilkins-2010)




02



频闪对健康是否有影响?

频闪,是“频”和“闪”两件事组成的。离开频率谈频闪对健康的影响,是不科学的。遗憾的是,直到电子镇流器之前,人们对频闪的讨论都只集中在了50-60Hz工频,以及其倍频100-120Hz。


频闪对人的影响,大致有两类:

第一类:可见的频闪(Visible Flicker),大约3-70Hz。这类闪烁可以被人直接看到。短期暴露在这种环境中,就有可能产生癫痫(IEEE-Std-P1789,2010)。事实上,曾经有动画片中出现闪烁过于强烈的画面,就导致很多看电视的儿童发生癫痫。

第二类:不可见的频闪(Invisible Flicker),大约70-160Hz。这类闪烁虽然人不能感觉到,但是却实际上会被视网膜捕捉到(Veitch-1995),反馈在“视网膜电图”上(ERG,类似脑电图、心电图吧)。这类闪烁会导致人用眼疲劳、头疼、视觉能力下降等副作用。


比160Hz更高的频率,就超出了视网膜反映的速度,因而也没有在ERG中检出。这意味着,160Hz以上的频闪,已经超出了对人体产生影响的范围。也正因此,采用电子镇流器的节能灯虽然也有频闪,但对人是没有影响的。

除了频率,频闪的深度(最暗和最亮照度的比例关系),也对人有一定影响。根据(Bullough-2013):

  • 1000Hz 100%频闪,要优于100Hz 25%频闪,这说明远超过人体感觉能力的频率,哪怕频闪强烈,也比低频率的微弱频闪要好;

  • 100Hz 25%频闪,要优于100Hz 100%频闪,这说明相同的低频率下,更浅的频闪更好。

回忆一下,自己的童年貌似是在学校的老式日光灯管下度过的,怪不得眼睛疲劳学习效率低下呢。。




03



用手机摄像头测频闪,靠谱吗?

手机目前多采用的是CMOS摄像头,其显著的特点就是“滚动快门(Rolling Shutter)”,相信爱好者对这个现象都非常熟悉。正是利用这个原理,CMOS摄像头可以用来探测人眼看不到的闪烁。


(螺旋桨的Rolling Shutter效果,摘自(Cole))

CMOS摄像头每一行的采样速度通常在5-10微秒量级,因此可以捕捉到高达20-50kHz的闪烁。如果要在拍出的照片中表现出来,那么需要经过一系列软件对图像的滤波和处理。保守估计,这样最高仍然可以拍到5000Hz的闪烁。

因此,CMOS摄像头可以让你看到50-5000Hz的频闪,然而记住,只有160Hz以下的频闪才能真正影响人,而有证据的影响人健康的频闪,是更低的频率。




04



智能家居厂商的躺枪

这是我手头的测试设备:除了自家的幻腾Nova,还有飞利浦Hue(不小心摔碎了外壳),飞利浦LivingColor,飞利浦灯带,小米YeeLight灯泡,小米网关小夜灯。

(全家福,上排左起:飞利浦LivingColor,小米YeeLight,幻腾Nova,飞利浦Hue(破损版),小米网关夜灯;下排:飞利浦灯带)

如果把亮度开到100%,用手机摄像头查看,所有产品都“一片祥和”。


(从左到右:Nova,YeeLight,亮度100%,一片祥和。至于Hue,因为我把飞利浦网关搞丢了,所以没法演示100%亮度时候的祥和了。。。)


(从左到右:Nova,YeeLight,Hue,小米网关夜灯,亮度低于100%时,均由于PWM产生无害的高频频闪)


(从左到右:Nova,YeeLight,Hue,小米网关夜灯,亮度和上一张图相同,远看一片祥和)


但如果亮度不是100%,所有产品都会出现明显的频闪条纹!难道智能灯们都会影响健康吗?其实不然。


产生频闪条纹是因为,目前LED的数字调光方案,几乎全部是使用“脉宽调制(Pulse-width Modulation, PWM)”来实现的。通俗来讲,就是通过高频率地开关发光器件,实现对亮度地调节。再通俗来讲,就是通过频闪来实现调光。因此,其产生频闪本身是设计所致。

注意到,飞利浦Hue的调光频率是500Hz,YeeLight和幻腾Nova的调光频率都是1000Hz,远高于上面所说的可以对ERG产生影响的160Hz,完全不会对人产生任何影响。也正因此,业界一直采用高频率的PWM进行调光,这已经是LED数字调光的规范。

如果把智能灯调到100%亮度,则不再需要用PWM进行调光,则LED的驱动就是直流,完全没有频闪。

接着,我又试着把手头的一个Nova的PWM频率调到了10000Hz(10kHz),用手机摄像头就看不出任何频闪条纹了。当然,因为Nova的驱动性能非常好,在10kHz的调光频率下仍然可以工作自如,最低可调亮度仍然可以低至千分之4。

(幻腾Nova更新固件,把频率调至10kHz后,用手机无法看到频闪现象了。)


对于其它一些功率更大的驱动电源,如果调光频率过高,可能导致效率降低,或在低亮度情况下不稳定的情况。这就是为什么大部分厂商选择500-1000Hz的调光频率。




05



究竟怎么判断哪些频闪是有影响的?

还是手机。其实,咱们可以大致通过手机拍摄的条纹宽度,来估计频闪的频率。

(晚会展示的手机图像)


手机摄像头的帧率大约30帧/秒(随手机品牌不同可能不同),即整帧的刷新率是30Hz。因此,如果一幅照片中可以看到大约3个条纹,我们就可以估计,实际闪烁的频率大约是30Hz*3 约 100Hz。

从上面实验用的智能灯照片也可以看出,频率在500Hz-1000Hz的时候,条纹是非常密实的,并不像晚会中展示的那种,一副画面只有3个条纹。


总之,手机看到条纹很宽,闪烁很明显的,那就是工频(100Hz)左右的频闪,是不好的;手机看到条纹很窄很密的,那就是高频(500Hz以上)调光信号,对人没有任何影响。






参考文献

Arnold Wilkins, Jennifer Veitch, Brad Lehman, LED lighting flicker and potential health concerns: IEEE standard PAR1789 update, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE

IEEE Standard P1789, A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker, 2010 IEEE

Veitch, J.A., McColl, S.L., Modulation of fluorescent light: flicker rate and light source effects on visual performance and visual comfort, Lighting Research and Technology, Vol. 27 No. 4, 1995, pp243-256

John D. Bullough, Nicholas P. Skinner, Kathryn Sweater Hickcox, Visual Task Performance and Perceptions of Lighting Quality Under Flickering Illumination, Journal of Light & Visual Engironment, Vol. 37, No. 4, 2013, pp189-193

Jason Cole, The Math Behind the Rolling Shutter Phenomenon, https://petapixel.com/2014/10/13/math-behind-rolling-shutter-phenomenon/




作者简介:


吴天际
幻腾智能 CTO




80末,生于北京一个充满理科气息的家庭,自幼踏上了技术宅的不归之路。


6岁连了第一个串联电路
8岁写了第一行Basic代码
12岁写了一个游戏,卖给同学收入5元
13岁写了一个木马,专门在机房上课时整同学,还盗了别人邮箱密码
14岁第一次SQL注入,获得学校网站管理员
16岁用小刀刻了第一块电路板,做了个直流电源,用到大学毕业
17岁修改文曲星(电子词典)内核,破解白金英雄坛说万能密码yobdc和j.lee,编写白金英坛修改器
18岁做了第一块印刷电路板,第一次用单片机
18岁做了第一个AJAX网站前端和后端(当时还没有jQuery?)
19岁写了第一个Firefox浏览器插件(当时还没有Chrome?)
20岁和同学一起做了一个单发射乱序执行的CPU雏形(FPGA验证)
21岁写了第一段AMD GPU汇编(IL)代码(当时还没有OpenCL?)
22岁携独门“选课机”、“迟交作业机”离开清华,未传后人,只留下传说
23岁写了人人网NPC尹福,服务清华9000用户,改变一届清华人交流方式
24岁和伙伴一起完成了第一个产品的完整研发

25岁和伙伴一起完成了第一个自己的消费电子产品研发,并把它变成了商品

......








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