前情提要:改善環形 LED 燈管頻閃問題

上週提到 LED 燈管近距離打光時手機照相或錄影出現的水平黑條是所謂的「頻閃」現象,原因出在便宜 LED 燈直流電源以 PWM 方式產生,電壓非固定值而是以眼睛無法察覺的頻率(>100Hz)上下振盪,遇到手機的滾動式快門,當快門較快,電壓下降變暗期間的影像便會在畫面穿插成黑條紋。透過加掛電容實測可改善頻閃,但我仍有心願未了:

  1. 想親眼看看 LED 燈管 PWM 供電的波形長什麼樣子
  2. 想知道不同容量電容的效果如何,多大容量的投資報酬率最佳
  3. 如果電容容量夠大,是否能讓電壓固定,完全消除頻閃?

跑了趟光華商場,買了 100V 10μF、22μF、100μF、330μF 四種規格的電容,價格分別是 5 + 10 + 15 + 30,共 60 元,100V 被歸類為高電壓電容,更大容量價格不斐,動轍破百,等確定需要更大容量再入手。

先把上次裝的電容拆掉,將輸出電壓接到麵包板,擔心 66V 電壓把玩具示波器燒壞(查資料好像 20V 是上限),我還用 100K + 10K 電阻分壓降成 6V 再接示波器,薑薑薑薑~~~,我成功看到 PWM 的輸出波形:
註:昨天在專頁貼文,Josh 大大分享超實用示波器探針技巧一則:探針上如有 X1、X10 開關,切到 x10 就等於降壓 1/10,有前輩指點的感覺真好!

實測頻率 120 Hz、振幅 1.2V,振盪比例約 20%。

接著,我依序加裝 10μF、22μF、100μF、330μF 電容,觀察振幅比例,如預期容量愈大振幅愈小,一路由 16%、14%、7% 縮小到 3% (330μF):

接 330μF 時,振幅縮小到 3%,照相已完全無感,即使攝影頻閃黑條也不明顯,成效很不錯,但副作用是通電後要等 10 秒左右(電容充飽電)才會亮。而由容量對映的比例,但下降邊際效應會遞減,22 加大到 100,由 14% 降到 7%,但 100 加到 330 只由 7% 降到 3%,追求更大容量的效益有限,且亮燈的延遲恐長到讓人無法忍受,30 元一顆 330μF 是不錯的選擇。(如果只是照相,100μF 可能就夠了)

最後來個大亂鬥,一次並聯 100μF + 100μF + 330μF 並好並滿,一如預期,得到最好的改善效果,錄影直接拍燈管也幾乎看不出有黑條,但亮燈得足足等上 17 秒。

實驗影片

做完實驗,我心滿意足,計劃把手上另一支燈管也改造加上電容,這樣子未來照相用土砲環型燈補光再也不擔心出現黑條囉~

後記:找到一篇工研院綠能所發表在工業材料雜誌的頻閃研究論文 - 照明之閃爍現象與對策 PDF 下載
總結一些理論,120Hz 源於市電交流電頻率 60Hz (橋式整流 x2),閃爍有專業指標 Percent Flicker、Flicker Index,而它在水銀燈、白熾燈泡、日光燈也會發生,會隨電壓高低產生明暗變化,但 LED 因其特性,電壓低於某個值時不是變暗而是全黑,故頻閃效應特別明顯。要解決頻閃問題有幾個手段:

  1. 使用 AM 調光取代 PWM 調光
  2. 在直流端使用較大的電容(就是我在嘗試的做法)
  3. AC-DC 後再加一級 DC-DC
  4. 加入一輔助電路修正


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