改善環形 LED 燈管頻閃問題

去年用便宜環形 LED 燈管做了土砲攝影環形燈，使用上有個不小的困擾 - 近距離打光用手機拍照時會出現如下黑色條紋：

這個現象的術語叫頻閃，背後的原理是手機感光元件採用 Rolling Shutter 滾動式快門，而 LED 燈管的電子驅動器輸出的直流電源為 PWM 脈衝寬度形式，電壓會以固定頻率振盪再控制高電位與低電位持續比例調整輸出功率。用白話來說，LED 其一直用高於眼睛可察覺頻率閃爍(例如：100Hz)，只是眼睛看不出，而近距離打光時，亮度較高，手機快門會快於 1/100 秒，此時閃爍的過程將被捕捉下來。若對這些原理有興趣的話，以下是一些參考文章：

• 手機上的黑條紋 by 跟著鄭大師玩科學
• 全域快門 / 滾動式快門 解說 by VIGOR的部落格
• LED燈條調光應用下的LED 驅動電源選擇 by LEDinside
• 自己眼睛自己救──PWM頻率自己量 by Mobile01

結論是 - LED 燈管的電源供應有零組件成本、燈管空間限制等考量，加上是用於日常照明，只要 PWM 造成的閃爍頻率肉眼無法察覺，就已符合品質要求，但此一特性遇到滾動式快門便會產生頻閃。至於攝影專用燈具，會用更高頻率 PWM 或是改採其他原理供電以避免頻閃問題，但成本價格肯定是在另一檔次。

土砲就是要追求用低成本發揮最大價值，心血來潮想做個實驗，看看能不能透過簡單改迼讓便宜環形 LED 燈管也不頻閃。

依據玩 Arduino 學到的淺薄電子知識，並聯電容是消除電壓振盪雜訊最簡單最有效的方法。挑選電容的重點在電壓跟電容量，耐壓通常要抓工作電壓的 1.5 到 2 倍，所以第一步得先知道 LED 供電電壓是多少。觀察我用的這支 LED 燈管線路挺簡單，電源由兩條供電線焊在環形燈珠板上，焊點可見不難施工：

鋸開燈罩，我測得內部供電電壓約 66V，推測是 20 顆 LED 燈珠一組 3.3V * 20 = 66V。這電壓比我想像來得高(我原本很天真，想改用電源供應器送 12V 解決問題咧)，翻了廢棄零件箱，一般電子電路很少用到耐壓 100V 以上的電容，手上的廢零件電容耐壓大多只到 16V、25V，唯一例外是不死螢幕汰換電源模組上，有顆大傢伙 450V 100μF：

理論上 66V 找耐壓 100V 電容就夠了，用它有點大砲打小鳥，但還在做實驗階段，有現成的先拆來試試，確定有效再買適合零件。

經過一番惡搞，LED 燈管成功外掛電容：(提醒：66V 沒 5V、12V 那麼友善，操作過程開關沒開手摸到也會麻，加上短路風險高，我用高規格伺侯，把電容金屬接腳整支用熱縮套包起來)

迫不及待測試效果，還真的有效!

以下為改裝前後對照，照片上方為原廠版本拍照效果，在上下方出現明顯黑條；下方為加掛 100uF 電容後，黑條紋完全消失。

另外我也測了錄影，黑條紋雖然有明顯淡化，但並沒有完全消失。(上方為原廠版本、下方是外掛電容的版本)

依據濾波原理，頻率愈高所需電容量愈小，低頻需要的電容量反而較大。我查到一組參考數字：50MHz 0.01μF、16MHz 0.1μF、1.0μF 5MHz，按此比例，100μF 要扛 100Hz 不太夠。但目前的改良版拍照已無黑條，夠用了，未來有機會找更大電容再來測試。