Flicker vid användning LED-moduler för 230VAC

Flicker vid användning LED-moduler för 230VAC

Teknikförflyttningen till AC (Teknik)

Det har skett en stor förflyttning just på AC LED tekniken under de senaste åren pga enkelheten med 230VAC då detta finns överallt. Därför sker en stor del av utvecklingen av nästa generations LED lösningar för 230VAC. Det som händer är att alla försöker miniatyrisera AC lösningarna där drivstegen och likriktningen och surge skydden är otroligt viktiga. Det finns teknik för att bygga AC lysdioder i sig själv men det leder in på problematiken med att flicker blir för synligt för användaren. Dessa lysdioder består av speciella etsningar i chippet för att nå upp till 230V i bägge riktningarna vilket gör att när hälften av de utetsade lysdioderna är tända är resten släckta. Problematiken är att det finns en ganska lång tid när alla etsningarna i är utan energi när volttalet på sinuskurvan passarar 0V vid 0 respektive 180°. Där finns det ny teknik att tillgå som är bättre.

Den nya tekniken är egentligen mer intressant när vi fokuserar på miniatyrisering i förhållande till ny lagstiftning som förväntas komma. Den lagstiftningen är i många delar troligen baserad på IEEE1789:2015 och som i mycket så har USA tagit på sig en ledartröja inom detta område. Just i detta fall förväntas IEEE1789:2015 påverka EU om nya direktiv där Lighting Europe är kommitteen.

Samtidigt med detta kommer det ny teknik för att hantera AC detta beskrivs mer under Flicker.

Vad är Flicker eller Flimmer

I princip alla ljuskällor som har 230VAC som spänningskälla har någon form av flicker (intensitetsvariationer i det emitterade ljuset) och återfinns i allt från lysrör, lågenergilampor och LED. Detta har blivit ett större problem i samband med övergången till lysdiodstekniken då den inte har någon efterglödning som i princip alla andra ljuskällor. Problemet uppkommer ofta i större grad när en ljuskälla dimmas ned. Det är också ett problem som bör undvikas och det kan alltid undvikas men pga kostnad och storlek budgeteras detta dock oftast bort i konstruktionsstadiet då slutkonsumenten ofta har en ovilja att betala för detta.

Flicker mäts på det emitterade ljuset från en ljuskälla.

Flicker är synbart om intensitetsvariationernas frekvens understiger 75-80Hz och är för ögat osynligt om man går över ca 100Hz men hjärnan registrerar det fortfarande upp till ca 500Hz. Det påverkar oss negativt i allra högsta grad både det synligt och det osynliga vilket är väldokumenterat inom forskningen. Det kan förorsaka huvudvärk, migrän, distraktion ända till epilepsier samtidigt som det kan förorsaka problematik med rörliga delar inom industrin.

Flicker - 1

Amerikansk standard inkluderar flicker

En nyare standard, 1789-2015 “Rekommenderade praxis för modulerande spänning i högintensitetslysdioder för minskade hälsorisker för användarna”, släppt av IEEE juni 2015, definierar acceptabla gränser av flicker med följande formel: Max. Procent flicker = ljus källans frekvens x 0.08%/Hz, den högsta flickerprocent på 100Hz (50Hz nätet) och 120Hz (60Hz nätet) beräknas till 8% respektive 10%.

Det innebär 8% flicker i Europa och 10% flicker i USA.

US Departement of Energy

Efter detta kom US Department of Energy med rekommendationer omkring just flicker med värden som var ytterligare långt utanför vad tillverkarna hade kunnat förvänta sig. Får se hur detta kommer att tas in i Europa.

LAPLACE undersökningen

Vidare har forskning i Frankrike visat att 20% flickerprocent är acceptabelt då CFL har just denna flickerprocent och en glödlampa har 10%. Generellt så har de gjort en hel del ytterligare undersökningar. Dom påpekar också att IEEE1789  är en rekommendation och på inget sätt kan ses som en standard.

En 100W glödlampa har en flickerprocent på 10%

En CFL har en maximal flickerprocent på 20%

Europeisk Standard

I Europa väntar vi på hur och vad en standard ska säga och CIE väntar med detta ett tag men innan detta kommer dock den tyska belysningsintresseorganisationen sätta sina direktiv. Dom kommer nog att vara vägledande för övriga Europa.

Flickerjämförelser

Vi presenterar 3 olika typer av konstruktioner som finns idag.

  • Resistorlösning
  • Sinuskurvsstyrning av LED strängar
  • Sinuskurvsstyrning med Glättning

Flickertest AC (resistorlösning)

Låt oss börja se över detta med att seriekoppla ett antal lysdioder. I den inledande konstruktionen har vi satt in lysdioder för att nå upp till 230V som vi likriktar och effektreglerar med resistorer. Det vi då snabbt kan detektera är att dessa enkla konstruktioner ger väldigt dåliga flickervärden. Det har att göra med att lysdioderna kräver ett ganska högt framspänningsfall för att tända.

Ritning-1

  • En ganska enkel konstruktion med lusdioder efter en likriktarbrygga som har ett totalt Vf på ca 230V.
  • Bild-Kurva-1När vi mäter upp ljusflödet vid 100Hz så ser vi att det har ganska lång släcktider mellan att det lyser.

Summeringsvis, vi kan se på det uppmätta ljuset att vi har en flickerprocent på 100%, ett flickerindex som är väldigt dåligt och en flickermodulation som också är extremt dåligt. Från detta ljus kan vi i vissa fall detektera flicker med ögat. Vi ser också att lysdioden har ganska långa tidsintervaller som den inte lyser (off tid).

Max = 2.03V
Min = 0
Medel = 0.863V
Frekvens = 99.89Hz

F% = 100%*(2.03-0)/(2.03+0) = 100%
FI = 0.311
FM = (2.03-0)/0.863 = 2.34

Flickertest AC med IC

När vi går ett steg längre har vi uppdaterat konstruktionen. Vi har uppdaterat konstruktionen med en IC styrd lösning där vi tänder lysdiodssektioner i 4 stegsintervaller.  Det innebär att vi utnyttjar lysdiodenas lägre Vf som inte behöver nå upp till 230V (max peak 335V) utan endast en fjärdedel av 230V till ca 60-62V.

IC stages

  • Ovan ser vi hur processorn jobbar med att tända upp lysdiodssträngarna i steg.

 Ritning-2

  • Ovan ser vi de 4 LED strängarna som tänds och släcks med sinuskurvan.

Bild-Kurva-2

  • Ovan ser vi hur ljusbilden ser ut i 100Hz frekvens och vi ser de olika stegen vid tändning och släckning.

Vi får med detta en helt ny typ av ljusutbyte. I detta fall har vi lika lågt Flickerprocent (100%) men vi har en mycket förbättrad Modulationsindex och ett förbättrat Flickerindex. Vi kan också se på trappstegen när respektive LED grupp tänds respektive släcks. På detta sätt får vi också en Pfc på 0.97 istället för på 0.60.

Max = 2.03V
Min = 0
Medel = 1.175V
Frekvens = 100.17Hz

F% = 100%*(2.03-0)/(2.03+0) = 100%
FI = 0.2196
FM = (2.03-0)/1.175=1.73

Flickertest AC med IC och E-Cap

Går vi vidare och tittar på nästa konstruktionsnivå ser vi att vi har ”glättat upp” LED strängen med en kondensator samtidigt som vi behåller IC kretsen. Fördelen med detta är att med ganska enkla medel når fram till en acceptabel nivå och en bibehållen nivå på Pfc 0,97. Krävs det under 8% flicker blir det dock en hel del kondensatorer för att nå fram och då kommer en switchad lösning vara ett alternativ. Fortfarande kommer vi troligen behöva ha lösningar med extra kondensator bankar beroende på effekt och Pfc reglering.

Svea Flickerfree Ritning

  • Ovan finns en standardiserad lösning med 4st E-Caps som ska jämna ut flickerprocenten. Dessa är kopplad efter likriktaren och tillsammans med lysdioderna för att bibehålla Pfc.

 Svea Flickerfree

Bild-Kurva-3  

  • Ovan ser vi hur ljusbilden ser ut i 100Hz frekvens och vi ser de olika stegen vid tändning och släckning inte syns utan de har jämnats ut..

Vi ser att med denna konstruktion har vi fått en jämnare fördelning med en flickerprocent på 36.3% och en mycket förbättrad modulationsindex samt ett väldigt bra flickerindex. I detta fall utan någon som helst försöka att sänka under en fastställd nivå. I senare tester med förändrade kondensatorvärden har vi nått ner till en flickerprocent om 7%.

Max = 2.08V
Min = 0.972V
Medel = 1.535V
Frekvens = 100.21Hz

F% = 100%*(2.08-0.972)/(2.08+0.972) = 36.3%
FI = 0.0787
FM = (2.08-0.972)/1.535=0.72

Som man kan konstatera så finns det mycket energi som måste lagras mellan kurvornas toppar vilket kräver stora kondensatorbankar.