318
P o st e It al ia ne s p a – S p ed .in A .P . – D .L . 3 53 /2 0 0 3 (c o nv . i n L . 2 7. 0 2. 20 0 4 n °4 6 ) ar t. 1 ,c o m m a 1, LO /M I – IS S N 1 8 28 -0 56 0 Anno / year 54 – n.318 2016 trimestrale / quarterly – € 14Le infinite stanze
di Ariosto
The infinite rooms
of Ariosto
L'alfabeto
di Ron Gilad
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LUCE 318
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SOMMARIO / HEADLINES
MOSTRE EXHIBITIONS INCONTRI MEETINGS SPECIALE SPECIAL LIGHTING DESIGNERS CORRISPONDENZA DA BERLINOCORRESPONDENCE FROM BERLIN
CORRISPONDENZA DA NEW YORK
CORRESPONDENCE FROM NEW YORK
CORRISPONDENZA DA PARIGI
CORRESPONDENCE FROM PARIS
PROGETTARE LA LUCE DESIGNING LIGHT INTERIOR DESIGN RETAIL LIGHT ART MUSEI MUSEUMS TEATRO URBANO URBAN THEATRE CONVEGNI CONFERENCES RICERCA E INNOVAZIONE
RESEARCH AND INNOVATION
INDEX 2016
Luce non luce. Intervista a Clino Trini Castelli Light non light. Interview with Clino Trini Castelli – Monica Moro
Le infinite stanze di Ariosto a Ferrara The infinite rooms of Ariosto in Ferrara – Silvano Oldani
Ron Gilad. I miei progetti sono lettere dell’alfabeto My projects are alphabet’s characters
– Andrea Calatroni
Ingo Maurer. Il seduttore della luce / The lighting seducer
– Margherita Pincioni
Reporting from the front. 15° Biennale di Architettura di Venezia Reporting from the front. XV Venice Biennale of Architecture – Alberto Pasetti
Sjoerd van Beers e Juliette Nielsen. Vedere per credere Sjoerd van Beers e Juliette Nielsen. Seeing is believing – Andrew Peterson
Giordana Arcesilai e / and Simona Ventura.
Quando il giardino incontra la luce, la natura diventa poesia When the garden meets the light, nature becomes poetry – Stephanie Carminati
John Jaspers: Questa è arte o kitsch? / Is this art or kitsch?
– Silvia Eleonora Longo, Marica Rizzato Naressi
Pipilotti Rist al New Museum / at the New Museum
– Matilde Alessandra
Yann Kersalè. La sua luce è qualcosa di straordinario His light is something extraordinary
– Amaranta Pedrani
Piazza San Pietro. M’illumino d’immenso San Pietro square. M'illumino d'immenso – Silvano Oldani
Torna a splendere la Fontana di Trevi The Trevi Fountain comes back to light – Rino Malgrande
Nuova luce nel Duomo di Gemona del Friuli A new light for the Duomo of Gemona del Friuli – Giorgio Della Longa
Il cuore “sacro” degli Antinori tra natura e artificio
The “sacred” heart of the Antinoris, between nature and artifice – Francesca Tagliabue
Matteo Zorzenoni. La mia idea di design? Di qualità e durevole Matteo Zorzenoni. My idea of design? High-quality and long-lasting – Margherita Pincioni
Black and Gold. Dolce&Gabbana a Tokyo
Black and Gold. Dolce&Gabbana showroom in Tokyo – Francesca Tagliabue
Dan Flavin e la Chiesa Rossa di Milano. Correva l’anno 1996 Dan Flavin and Milan’s Chiesa Rossa. The year was 1996 – Jacqueline Ceresoli
Il Museo contenitore d’Archeologia The Museum as container for Archaeology – Francesca Cremasco
“Luci in Riviera”. Un lighting design workshop italiano “Luci in Riviera”. An Italian lighting design workshop – Roberto Corradini
La XII Conferenza del Colore di Torino / The XII Color Conference in Turin
– Laura Bellia
LPS 2016: tutti intorno alla luce / everyone around the light
– Alan Corti
La valutazione del flicker nei sistemi di illuminazione a LED: una rassegna The evaluation of flicker in LED lighting systems: a review
– Fulvio Musante, Maurizio Rossi
Lo Smart Lighting in Italia / Smart lighting in Italy
– Pietro Mezzi Numeri / Issues 315, 316, 317, 318 Anno / Year 54 Dicembre / December 2016 CREDITS CONTRIBUTI / CONTRIBUTORS
Matilde Alessandra, Laura Bellia, Alan Corti, Andrea Calatroni, Stephanie Carminati, Roberto Corradini, Francesca Cremasco, Giorgio Della Longa, Silvia Longo, Rino Malgrande, Pietro Mezzi, Monika Moro, Fulvio Musante, Amaranta Pedrani, Alberto Pasetti, Andrew Peterson, Margherita Pincioni, Marica Rizzato Naressi, Maurizio Rossi, Francesca Tagliabue
FOTOGRAFI / PHOTOGRAPHERS
Roos Aldershoff, Albrecht Bangert, Paolo Bobba, Santi Caleca, Mathieu Colin, Federico Covre, Daniele Della Lucia, Maris Hutchinson, Rubén Dario Kleimeer, Giuliano Koren, Leopoldo Noventa, Matteo Piazza, Elena Preti,
Matthias Rhomberg, Gloria Robokowska, Pierpaolo Sala, Pietro Savorelli, Valentina Sommariva, Gino Spera, Tom Vack, Anne de Vandière, Frank Vinken, Francesca Zanardi
TRADUTTORI / TRANSLATORS
Stephanie Carminati, Alessia Pedace, Lucrezia Pollice, Barbara Rossi
GRAZIE A / THANKS TO
Archivio ACEA spa,
Associazione Italiana Colore – Gruppo del Colore, Biennale Architettura Venezia,
Dolce&Gabbana, Fondazione Prada, Museo UNNA – Germany, New Museum – New York, Politecnico di Milano
COVER PHOTO
“Orlando furioso 500 anni”, Palazzo dei Diamanti, Ferrara Armatura da giostra e da battaglia, grafica sugli intrecci epici ariosteschi foto di / photo by Studio Ravalli
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La valutazione
del
flicker
nei sistemi
di illuminazione a LED
¶ RICERCA E INNOVAZIONE
di Fulvio Musante, Maurizio Rossi*
L
a modulazione della luce nel tempo viene definita attraverso molti termini, come flicker, flutter, shimmer (tremore). Secondo la definizione maggiormente utilizzata 1, ilflicker viene definito come la rapida variazione dell’emissione luminosa di una sorgente. Il flicker ottico (fotometrico) è differente dal flicker di natura elettrica che dipende dai segnali di disturbo presenti sulla linea di alimentazione elettrica e che creano una modulazione addizionale del flusso luminoso emesso sui carichi di tipo resistivo (le lampade a incandescenza che fino a non molto tempo fa venivano utilizzate nelle nostre abitazioni). In quest’ultimo fenomeno, il principale responsabile della modulazione del flusso luminoso, sono le caratteristiche della linea di alimentazione in AC, piuttosto che le
caratteristiche della sorgente e del suo sistema di alimentazione.
Il problema del flicker per le sorgenti tradizionali (fluorescenza e scarica) è stato a lungo studiato e dibattuto nel passato, quando la diffusione della lampade fluorescenti e delle lampade a scarica, con alimentatori ferromagnetici, era molto elevata: questo fenomeno è stato correlato con emicrania, cefalea, riduzione delle performance vive e del comfort, e altri problemi di salute o stati di malessere di tipo neurologico. La successiva introduzione di sistemi di
alimentazione ad alta frequenza (con lo scopo di migliorare l’efficienza energetica degli impianti), ha comportato la scomparsa di questo tema tra le critiche mosse degli utenti al confort e benessere garantito dai sistemi di illuminazione e anche le pubblicazioni e le ricerche in ambito accademico si sono fatte più rare.
LED e Flicker: cause
Con la comparsa dell’illuminazione allo stato solido (LED), il principale responsabile del flickering è il sistema di alimentazione: in commercio ci sono apparecchi in cui i sistemi di alimentazione non producono alcun flickering quando l’intensità è regolata al massimo oppure al minimo; altri in cui il flicker è percepibile da alcuni soggetti sia in condizioni di piena luce o massima dimmerazione, altri ancora in cui lo spiacevole fenomeno è presente solo quando l’emissione luminosa è regolata al valore minimo. Infine ci sono sistemi di regolazione che manifestano il fenomeno durante la fase di regolazione, ma ne sono privi durante la fase di funzionamento stabile ad un livello prefissato 2.
La pulse with modulation (PWM) è una tecnica di
*Dip. Design, Lab. Luce, Politecnico di Milano alimentazione ampiamente utilizzata per la
regolazione del flusso emesso dagli apparecchi di illuminazione a LED e per definizione tali dispositivi introducono flicker la cui percezione è ridotta per alte frequenze del segnale PWM (ad esempio potremmo immaginare che il flicker sia meno percepibile per PWM a 1000 Hz piuttosto che a 300 Hz).
Osservazione del Flicker
Per gli osservatori, il fenomeno del flicker può essere distinto in tre differenti categorie: t4FOTB[JPOFEJGMJDLFSJMTJTUFNBWJTJWPDFSWFMMP
sistema nervoso rilevano la modulazione della luce emessa dalla sorgente nel tempo ed è possibile misurare la risposta dei neuroni alla stimolazione esterna.
t'MJDLFSWJTJCJMFMBNPEVMB[JPOF²SJMFWBUBF consciamente percepita dagli utenti.
t'MJDLFSJOWJTJCJMFMBNPEVMB[JPOFEFMMBMVDFOFM tempo è rilevata, ma non percepita (a meno che non sia apprezzato in termini di effetto sulla percezione spaziale come accade con l’effetto stroboscopico per oggetti in movimento).
t'MJDLFSTUSPCPTDPQJDPMBNPEVMB[JPOFQFSJPEJDB della luce dovuta alle caratteristiche intrinseche del dispositivo di alimentazione , che risulta percepibile solo se la sorgente di luce si muove rispetto all’osservatore o viceversa, quando ad esempio la testa dell’osservatore si muove rispetto alle sorgenti.
Fig. 1 Esempio di modulazione del flusso emesso da un apparecchio a LED dotato di dimmer PWM (frequenza di flicker stimata nell’intorno di 250 Hz ).3 / Example of the modulation of the luminous
flux emitted by a LED luminaire with a PWM dimmer (estimated flicker frequency about 250 Hz). 3
Per molte persone, il flicker si percepisce quando la luce modula il flusso luminoso con una frequenza minore di 60 Hz. La frequenza alla quale l’immagine di una sorgente pulsante si fonde in una apparentemente costante varia da individuo a individuo e dipende da numerosi fattori, quali ad esempio la modulazione di ampiezza, l’adattamento di luminanza e l’ampiezza del campo visivo sotteso alla sorgente. Tuttavia questa frequenza di fusione (CFF) si manifesta per valori generalmente compresi tra 60 Hz e 100 Hz 4.
Il fenomeno del flicker invisibile si verifica a una frequenza superiore al valore di CCF e ciò non di meno può avere effetti fisiologici su soggetti che non rilevano percezione cosciente di flicker. Molti soggetti non sono in grado di percepire il flicker per frequenze superiori a 60-90 Hz, ma rimangono misurabili effetti fisiologici anche al di sopra della frequenza di fusione. Per esempio il segnale ERG, elettroretinogramma, mostra come un flicker invisibile a 200 Hz venga trasmesso attraverso la retina 5. Alcune ricerche
hanno dimostrato come l’esposizione a tipo questo flicker, in soggetti predisposti, possa portare a mal di testa e affaticamento della vista 6.
Metriche tradizionali per la valutazione del Flicker
Tradizionalmente, in letteratura sono state definite due differenti metriche per la
0 0 1 0,8 Mean = 1.00 Min = 0.99 Max = 1.00 Percent Flicker = 0,3% Flicker Index = 0,00 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) SWITCH 60 80 Normaliz ed Light Output 0 0 1 0,8 Mean = 0.11 Min = 0.00 Max = 0.54 Percent Flicker = 100% Flicker Index = 0,70 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) ˜50% DIMMER 60 80 Normaliz ed Light Output 0 0 1 0,8 Mean = 1.00 Min = 0.99 Max = 1.00 Percent Flicker = 0,4% Flicker Index = 0,00 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) 100% DIMMER 60 80 Normaliz ed Light Output 0 0 1 0,8 Mean = 0.01 Min = 0.00 Max = 0.04 Percent Flicker = 100% Flicker Index = 0,77 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) ˜25% DIMMER 60 80 Normaliz ed Light Output 0 0 1 0,8 Mean = 0.26 Min = 0.00 Max = 0.71 Percent Flicker = 100% Flicker Index = 0,55 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) ˜75% DIMMER 60 80 Normaliz ed Light Output 0 0 1 0,8 Mean = 0.00 Min = 0.00 Max = 0.00 Percent Flicker = 100% Flicker Index = 0,42 0,6 0,4 0,2 20 40 Time (mS) ˜0% DIMMER 60 80 Normaliz ed Light Output
LUCE 318 / RICERCA E INNOVAZIONE
102
comportamento complessivo del sistema è quello di un filtro passa basso che attenua le frequenze più elevate: le frequenze attorno a 20 Hz sono poco attenuate, mentre si ha l’effetto maggiore nell’intorno di 90-100 Hz dove il flicker visibile non è più percepito dalla stragrande
maggioranza dei soggetti 14. La frequenza alla
quale la percezione del flicker diventa nulla è spesso definita come CCF (critical fusion
frequency). L’attenuazione nella banda tra 20 Hz e 100 Hz dipende da numerosi fattori come la dimensione angolare della sorgente di flickering, l’età dell’osservatore e l’intensità dello stimolo, come mostrato alla Figura 5.
Per tenere in considerazione la variazione della sensibilità al flicker con la frequenza, la modulazione “fisica” Mk per ciascuna
componente in frequenza, calcolata a partire dal segnale di andamento nel tempo del flusso luminoso della sorgente, deve essere divisa per il valore che rappresenta la soglia di percezione del flicker per quella componente di frequenza 15.
L’operazione, dal punto di vista concettuale, equivale a convertire il valore della modulazione per ogni frequenza in un valore di modulazione percepita. I valori di modulazione percepita alle diverse frequenze sono di norma considerati percettivamente indipendenti l’uno dall’altro e di conseguenza la percezione complessiva della modulazione del flusso Mp è data dalla radice quadrata della somma di ciascuna componente
Mpk al quadrato.
La principale differenza tra le varie metriche proposte, in cui la frequenza influisce sulla valutazione del flickering, riguarda la curva di sensibilità di soglia considerata, come mostrato alla Figura 6.
Un contributo recente alla valutazione del flicker per le sorgenti LED è stato la pubblicazione dello standard IEEE 1789-2015 (“IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers”) raccoglie e compone i risultati di diversi studi precedenti e propone una guida e dei limiti, dipendenti dalla frequenza, per la classificazione dei prodotti a LED in due categorie: a “basso rischio” ed “esente da rischio”. Il documento ha come scopo quello di valutare i potenziali rischi per la salute dovuti al flicker, descritti nel dettaglio nel paragrafo 6 e successivi dello standard.
Nel grafico della figura 7, si distinguono due zone:
t-B[POBWFSEFTJHOJGJDBOFTTVOFGGFUUPEFMGMJDLFS t-B[POBHJBMMBTJHOJGJDBSJTDIJPNPEFSBUPEPWVUP
a flicker
Per bassi valori di frequenza (inferiori a 100 Hz), il livello di modulazione consentita è molto bassa, minore dell’ 1% per la zona verde e del 2% per la zona gialla, mentre per frequenze superiori a 100 Hz (ad esempio una comune lampada a
incandescenza alimentata in AC a 50 Hz pulsa con una frequenza di 100 Hz) i valori di modulazione ammessi per entrambe le zone sono superiori 16. I
simboli in grigio rappresentati nella Figura 7, rappresentano i dati sperimentali di diversi autori considerati nella definizione delle due regioni limite al variare della frequenza.
Se la frequenza è maggiore di 100 Hz, lo standard prevede di moltiplicare tale numero per il valore valutazione del flicker delle sorgenti:
t1FSDFOUGMJDLFS EFUUPBODIFQFBLUPQFBL contrast, Michelson contrast o semplicemente modulazione: si tratta del rapporto percentuale tra la differenza tra valore massimo e minimo del segnale che rappresenta l’andamento del flusso luminoso nel tempo diviso per la somma delle due ampiezze 7.
t'MJDLFS*OEFYWJFOFJOWFDFEFGJOJUPDPNFJM rapporto tra l’area 1 (area sottesa tra il massimo del segnale e il suo livello medio) e la somma dell’area 1 e dell’area 2, che risulta sottesa tra lo zero e il valore medio del segnale 8.
Esistono delle differenze tra le due principali metriche per la valutazione del flicker che possono essere spiegate considerando tre differenti forme d’onda (triangolare, sinusoidale, quadra) 9, che rappresentano l’andamento nel
tempo del flusso luminoso: gli andamenti sono espressi in unità arbitrarie e hanno lo stesso valore medio pari a 50: questo significa che il valore del flusso luminoso emesso dalle tre sorgenti è lo stesso. I tre segnali hanno un valore massimo pari a 100 e un valore minimo pari a 0. Se consideriamo l’indice Percent of flicker i 3 segnali producono lo stesso valore (anche se le forme d’onda sono profondamente differenti), NFOUSFJM'MJDLFSJOEFYQSPEVDFSJTVMUBUJEJGGFSFOUJ (pari a 0.25 per onda triangolare, 0.318 per onda sinusoidale e 0.50 per ona quadra) dimostrando una prima differenza tra le due metriche: la seconda riesce a distinguere modulazioni del flusso luminoso con diverse forme d’onda. Il GMJDLFSJOEFYBVNFOUBBMDSFTDFSFEFMMBSBQJEJU¹ con la quale la forma d’onda passa dal suo valore minimo al massimo (passaggio da onda triangolare a onda quadra). La percentuale di flicker risulta molto semplice da calcolare (non necessita della conoscenza dell’andamento nel tempo del segnale, ma solo il valore massimo e minimo).
La principale limitazione per le metriche attuali nella valutazione del flicker, risiede nel fatto che non discriminano tra basse e alte frequenze (se la frequenza è sufficientemente alta, non ci sono effetti biologici significativi dovuti al flicker). Per questo motivo è necessario cambiare le modalità tradizionali con le quali viene valutando il flicker introducendo la dipendenza dalla frequenza. Infatti, se al di sopra di una certa frequenza la modulazione del flusso luminoso non introduce alcun effetto biologico significativo, questo comporta che non è necessario limitare il flicker per tutte le frequenze di modulazione del flusso luminoso.
Nuovi metodi per la valutazione del Flicker Le principali metriche alternative descritte in letteratura e nelle raccomandazioni
internazionali sono le seguenti:
t.FUSJDBQSPQPTUBEB31* 3FOTTFMBFS1PMZUFDIOJD Institute), LRC (Lighting Research Center) ASSIST (The Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) per la valutazione del flicker visibile e degli effetti stroboscopici. t.FUSJDBEFTDSJUUBEB*&$ PSJHJOBSJBNFOUF
sviluppata per “valutare” la qualità dei sistemi di alimentazione, fa riferimento a una serie di standard internazionali (IEC 61000-4-15, IEC 61000-3-3, IEC TR 61547-1).
t.FUSJDBQSPQPTUBEB*OTUJUVUFPG&MFDUSJDBMBOE Electronics Engineers descritta nello standard IEEE 1789-2015.
Un segnale periodico nel dominio del tempo può essere decomposto in una serie di Fourier (sinusoidi a diversa frequenza) in modo da rendere possibile analizzare il contributo di ciascuna componente al flickering.
Alcune ricerche precedenti sullo stress visivo 10 11 12 13, suggeriscono che devono essere
prese in esame l’ampiezza delle frequenze più basse e il loro legame con il valore medio dell’illuminamento (componente continua della scomposizione di Fourier del segnale complesso che è la modulazione nel tempo del flusso luminoso).
La capacità di discriminare tra differenti stimoli luminosi, sia spaziali e sia temporali, dipende dal rapporto tra l’intensità dello stimolo I rispetto al valore di background Ib, espressa dalla legge di Weber, ove C è definito come contrasto.
Per uno stimolo temporale, il background è rappresentato dalla componente continua, equivalente al valore medio nel tempo del segnale stesso. Quando si trattano segnali variabili nel tempo si parla di “modulazione” Mk
piuttosto che di contrasto e l’applicazione della formula precedente a un segnale che rappresenta l’andamento nel tempo in modo sinusoidale del flusso luminoso, equivale a considerare il rapporto tra l’ampiezza della sinusoide (AK) e il valore della componente continua A0 (o suo valore medio).
La sensibilità degli individui alla luce modulata varia grandemente con la frequenza e il
Campionamento Filtro Passa Basso (anti-aliasing) Convertitore Corrente-Tensione Fotodiodo Correzione fotopica Sorgente Trasformata discreta di Fourier Ampiezza delle diverse componenti in frequenza Contrasto temporale (Weber) Sensibilità al flicker in funzione della frequenza Modulazione totale percepita Valore Metrica
Fig. 2 Schema a blocchi dello strumento per la valutazione del flicker ottico attraverso cui è possibile valutare tutti gli indici e le metriche descritte nell’articolo. /
Block diagram of the instrument for the evaluation of optical flicker through which it is possible to determine all the indices and metrics described in the paper.
INNOVATION AND RESEARCH / LUCE 318 103 0.08 e di prendere l’intero più vicino: se la
modulazione del segnale, definita come la differenza tra il massimo e il minimo del segnale, divisa per la loro somma risulta inferiore al limite precedentemente individuato, allora il
dispositivo può essere classificato come esente da rischio.
Dove LNBY e Lmin corrispondono alla luminanza massima e minima rispettivamente
Se la frequenza del segnale è difficile da individuare, allora la percentuale di flicker, calcolata secondo la formula illustrata in precedenza, dovrà essere minore del 10%. Occorre comunque precisare che utilizzare sistemi che operano al di fuori dell’area definita a basso rischio non significa necessariamente andare incontro ad elevati rischi per la salute. Infatti i requisiti previsti dallo standard sono stati valutati come troppo severi dall’associazione dei
costruttori di materiale Elettrico degli Stati Uniti (NEMA), rispetto ad alcune particolari
applicazioni: questo comporterebbe a loro giudizio un aumento non necessario dei costi di acquisto dei sistemi di alimentazione per apparecchi LED e tradizionali. Gli esempi forniti a sostegno della loro posizione riguardano, ad esempio, il caso delle sorgenti a scarica impiegate per molti anni nell’illuminazione urbana, che presentano una frequenza di modulazione del flusso luminoso di 100 Hz o 120 Hz (a seconda che l’impianto sia in Europa o USA), con una
modulazione che arriva fino 84%. Il loro impiego per decenni nella realizzazione di molti impianti di illuminazione per esterni non ha evidenziato rischi elevati per la salute, di cui la
considerazione che la semplice applicazione dei requisiti posti dallo standard indipendentemente dalle condizioni di installazione potrebbe non essere la soluzione migliore al fine di evitare sprechi e spese superflue.
Il problema della corretta valutazione del flickering delle sorgenti rimane dunque aperto e nei prossimi anni altri studi e più dettagliate linee guida verranno certamente alla luce per coniugare confort e sicurezza con risparmio ed economicità dei sistemi di illuminazione.
Fig. 4 Esempio di applicazione delle metriche tradizionali alla valutazione del flicker su tre forme d’onda. / Example of traditional metrics’ application for flicker evaluation on three wave forms.
The evaluation of
flicker
in LED lighting systems
A (Maximum Value) Amplitude variation Average Light Output B (Minimum Value) Area 2 Area 1 One Cycle
Flicker Index = Area 1 Area 1 + Area 2
Percent flicker = 100 * A – B A + B
Fig. 3 Metriche tradizionali per la valutazione del flicker. / Traditional metrics for flicker evaluation.
Reference Level Peak-Peak Amplitude Shape Duty Cycle Frequency Average Level Percent Flicker Flicker Index Reference Level Peak-Peak Amplitude Shape Duty Cycle Frequency Average Level Percent Flicker Flicker Index 100 80 60 40 20 10 20 0 100 80 60 40 20 10 20 0 100 80 60 40 20 10 20 0 Reference Level Peak-Peak Amplitude Shape Duty Cycle Frequency Average Level Percent Flicker Flicker Index 50 100 Triangle N/A 120 Hz 50 100% 0.250 50 100 Sine N/A 120 Hz 50 100% 0.318 50 100 Square N/A 120 Hz 50 100% 0.500
T
he modulation of light during time is defined through many words, such as flicker, flutter, shimmer. According to the most used definition 1, flicker is the fast variation ofBMJHIUTPVSDFTMVNJOPVTGMVYFNJTTJPO The optical flicker (photometric) is different from the electrical one which depends on noise signals on the electricity supply line that determine an additional modulation of the FNJUUFEMVNJOPVTGMVYPOSFTJTUJWFMPBET TVDI as incandescent light sources that not long ago were used in our homes). As regards the last phenomenon, the main causes of the luminous GMVYTNPEVMBUJPOMJFJOUIFDIBSBDUFSJTUJDTPGUIF AC power supply line, more than in those of the light source and its supply system.
The problem of flicker for traditional light sources (fluorescent and discharge ones) was FYUFOTJWFMZTUVEJFEBOEEJTDVTTFEJOUIFQBTU when the spread of fluorescent and discharge lamps, with ferromagnetic ballasts, was very high: this phenomenon was linked to migraine, headaches, reduction of visual performances and of comfort, and other health problems or neurological illness. The following introduction of high frequency supply system (with the goal of improving systems’ energy efficiency), determined the disappearance of this topic among the critiques made by users and related to the comfort and wellbeing guaranteed by lighting systems and also the academic publications and researches on this issue became sporadic.
LED and Flicker: causes
With the spread of solid-state lighting (LED), the main cause of flicker is the power supply system: there are luminaires available on the market in which supply systems do not determine any flicker when the intensity is set BUJUTNBYJNVNPSNJOJNVN PUIFSTJOXIJDI flicker can be perceived by some subjects both JODPOEJUJPOTPGGVMMMJHIUPSNBYJNVN
dimmering, some others cause flicker only when the luminous emission is set at its minimum. In
the end, there are control systems that show this phenomenon during the setting phase whereas it is not present when they work at a QSFGJYFEMFWFM 2.
The pulse with modulation (PWM) is a supply technique widely used for the control of the MVNJOPVTGMVYFNJUUFECZ-&%MVNJOBJSFTBOECZ definition these devices introduce flicker, the perception of which is reduced for high GSFRVFODJFTPGUIF18.TJHOBMT GPSFYBNQMFXF could imagine that flicker is less perceivable for PWM at 1000 Hz rather than at 300 Hz). Flicker observation
As regards observers, the flicker phenomenon can be differentiated into three categories: t'MJDLFSTFOTBUJPOUIFWJTVBMTZTUFNCSBJO
nervous system detects the modulation of the light emitted by a light source during time and it is possible to measure the neurons’ response UPUIFFYUFSOBMTUJNVMBUJPO
t7JTJCMFGMJDLFSUIFNPEVMBUJPOJTEFUFDUFEBOE consciously perceived by users.
t*OWJTJCMFGMJDLFSUIFNPEVMBUJPOPGMJHIUEVSJOH time is detected, but not perceived (unless it is not noticed in terms of effects on the spatial perception as it happens with the stroboscopic effect for moving).
t4USPCPTDPQJDGMJDLFSUIFMJHIUTQFSJPEJD modulation caused by the intrinsic characteristics of the supply device, it is perceivable only when the light source is moving compared to the observer or viceversa, XIFOGPSFYBNQMFUIFPCTFSWFSTIFBEJT moving.
For many people, flicker is perceived when light NPEVMBUFTUIFMVNJOPVTGMVYXJUIBGSFRVFODZ below 60 Hz. The frequency at which the image of a pulsing light source merges in one that appears constant changes for each subject and it EFQFOETPOTFWFSBMGBDUPST TVDIBTGPSFYBNQMF amplitude modulation, luminance adaptation and the width of the visual field subtended by the light. However, this critical fusion frequency (CFF) usually manifest itself for values comprised
LUCE 318 / RICERCA E INNOVAZIONE
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frequencies should be analyzed as well as their link with the average illuminance value (continuous component of Fourier’s breakdown PGUIFDPNQMFYTJHOBMXIJDIJTUIFMVNJOPVT GMVYTNPEVMBUJPOEVSJOHUJNF
The ability to differentiate between different luminous stimuli, both spatial and temporal, depends on the ratio of the stimulus’ intensity I to the background value Ib FYQSFTTFECZ Weber’s law, where C is defined as contrast.
For a temporal stimulus, the background is represented by the continuous component, equal to the average value during time of the signal itself. When we are dealing with signals that vary during time, we talk about
“modulation” Mk rather than contrast and the application of the previous equation to a signal UIBUSFQSFTFOUTUIFMVNJOPVTGMVYTUSFOEEVSJOH time in a sinusoidal way, is the same as considering the ratio of the sinusoid’s amplitude (AK) to the continuous component’s value A0 (or its average value).
People’s sensitivity to modulated light strongly varies with frequency and the overall behavior of the system is to act like a low passing filter that reduces the highest frequencies: indeed those around 20 Hz are a bit reduced, whereas the greatest effect happens in the 90-100 Hz neighborhood, where the visible flicker is not perceived anymore in the majority of subjects 14.
The frequency at which the perception of flicker is null is frequently defined as CCF (critical fusion frequency). The reduction in the band between 20 Hz and 100 Hz depends on several factors such as angular size of the flicker source, observer’s age and stimulus’ intensity, as reported in Figure 5.
To take into account the variation of flicker sensitivity according to frequency, the “physical” modulation Mk for each component in frequency, calculated from the trend during UJNFPGUIFMJHIUTPVSDFTMVNJOPVTGMVY IBTUP be divided for the value that represents the wave); thus showing the first difference
between the two metrics: the second one can EJTUJOHVJTIMVNJOPVTGMVYNPEVMBUJPOTXJUI EJGGFSFOUXBWFGPSNT5IFGMJDLFSJOEFYJODSFBTFT as the speed with which the wave form goes GSPNJUTNJOJNVNUPJUTNBYJNVNWBMVFHSPXT (passage from triangular to square wave). The percentage of flicker can be easily calculated (it does not require the knowledge of the signal’s USFOEEVSJOHUJNF CVUPOMZUIFNBYJNVNBOE minimum values).
The main limit of the current metrics in flicker evaluation lies in the lack of discrimination between high and low frequencies (if the frequency is sufficiently high, there are not relevant biological effects caused by flicker). For this reason it is necessary to change the traditional ways with which flicker is evaluated by introducing the dependence on frequency. Indeed, if above a given frequency the luminous GMVYTNPEVMBUJPOEPFTOPUEFUFSNJOFBOZ significant biological effect, this means that there is no reason to limit flicker for all the NPEVMBUJPOGSFRVFODJFTPGUIFMVNJOPVTGMVY New methods for the evaluation of Flicker The main alternative metrics described in the scientific literature and in international recommendation are the following: t"NFUSJDQSPQPTFECZUIF31* 3FOTTFMBFS
Polytechnic Institute), the LRC (Lighting Research Center) and ASSIST (The Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) for evaluation of visible flicker and of the stroboscopic effects.
t"NFUSJDEFTDSJCFECZUIF*&$ PSJHJOBMMZ developed to “evaluate” the quality of supply systems, refers to several international standards (IEC 61000-4-15, IEC 61000-3-3, IEC TR 61547-1).
t"NFUSJDQSPQPTFECZUIF*OTUJUVUFPG&MFDUSJDBM and Electronics Engineers described in the IEEE 1789-2015 standard.
A periodic signal in the time domain can be broke down into a Fourier series (sinusoids at different frequencies) in order to allow the analysis of the contribution of each component to flicker.
Some previous researches on visual stress 10 11 12 13,
suggest that the amplitude of the lower between 60 Hz and 100 Hz 4.
The invisible flicker phenomenon shows itself at a frequency greater than the CFF value and this nonetheless may have physiological effects on subjects that do not consciously detect flicker. Many subjects are not capable of perceiving flicker for frequencies above 60-90 Hz, but physiological effects remain detectable even BCPWFUIFDSJUJDBMGVTJPOGSFRVFODZ'PSFYBNQMF the ERG signal, electroretinogram, shows how an invisible flicker at 200 Hz is transmitted through the retina 5. Some researches
EFNPOTUSBUFEUIBUUIFFYQPTVSFUPUIJTUZQFPG flicker might cause headaches and visual fatigue in predisposed subjects 6.
Traditional metrics for flicker evaluation Traditionally, in literature two different metrics for the evaluation of light sources’ flicker can be found:
t1FSDFOUGMJDLFS BMTPEFGJOFEBTQFBLUPQFBL contrast, Michelson contrast or simple modulation: it is the percentage ratio between UIFEJGGFSFODFBNPOHUIFTJHOBMTNBYJNVN and minimum value that represents the QBUUFSOPGUIFMVNJOPVTGMVYEVSJOHUJNF divided by the sum of the two amplitudes 7.
t'MJDLFS*OEFYJTJOTUFBEJTEFGJOFEBTUIFSBUJP between the area 1 (area subtended between UIFTJHOBMTNBYJNVNBOEJUTNFBOMFWFMBOE the sum of the areas 1 and 2, which is subtended between zero and the signal’s mean value 8.
There are differences between the two main metrics for flicker evaluation that can be FYQMBJOFECZDPOTJEFSJOHUISFFEJGGFSFOUXBWF forms (triangular, sinusoidal, square) 9, which
SFQSFTFOUUIFMVNJOPVTGMVYTUSFOEEVSJOHUJNF UIFQBUUFSOTBSFFYQSFTTFEJOBSCJUSBSZVOJUTBOE they have the same average value equal to 50: UIJTNFBOTUIBUUIFWBMVFPGUIFMVNJOPVTGMVY emitted by the three sources is the same. The UISFFTJHOBMTIBWFBNBYJNVNWBMVFFRVBMUP 100 and a minimum one equal to 0. If we DPOTJEFSUIF1FSDFOUPGGMJDLFSJOEFY UIFUISFF signals produce the same value (even though the wave forms are strongly different), whereas UIF'MJDLFSJOEFYQSPWJEFTEJGGFSFOUSFTVMUT (equal to 0.25 for the triangular wave, 0.318 for the sinusoidal one and 0.50 for the square 1.0 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 0.05 Thr
eshold modulation amplitude
Frequency (Hz) 2 5 10 20 50 0.06 0.65 7.1 7.7 850 9300 Trolands
Fig. 5 Sensibilità relativa in funzione della frequenza per uno stimolo osservato sotto un angolo di 60°, per diversi valori della luminanza media / Relative sensitivity as a function of frequency for a stimulus observed under a 60° angle, for different values of average luminance.
Fig. 6 Confronto tra le diverse curve della sensibilità di soglia della modulazione in funzione della frequenza definite in letteratura (fino a 100 Hz) / Comparison between different modulation’s threshold sensitivity curves as a function of frequency that can be found in the scientific literature (up to 100 Hz)
1.00 10.00 100.00 1.00 10.00 100.00 Kelly (1961), 850 trolands IEC 61000 ASSIST
INNOVATION AND RESEARCH / LUCE 318 105 flicker’s threshold sensitivity for that frequency
component 15. The calculation, from a conceptual
point of view, equals to convert the modulation value for each frequency in a perceived modulation one. The values of perceived modulation at different frequencies are usually considered as independent one from the other in perceptive terms and consequently the PWFSBMMQFSDFQUJPOPGUIFGMVYTNPEVMBUJPOMp
results from the square root of the sum of each square component Mpk.
The main difference between the proposed metrics, in which frequency affects flicker’s evaluation, lies in the threshold sensitivity curve considered, as reported in Figure 6.
A recent contribution to the evaluation of flicker for LED light sources is the publication of the IEEE 1789-2015 Standard (“IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers”), which collects and puts together the results of several previous studies and proposes a guide and some limits, depending on frequency, for the classification of LED products in two categories: “low risk” and “risk free”. The document aims at evaluating potential health problems caused by flicker, described in a detailed way in the 6th paragraph and in the following ones.
In the graph reported in Figure 7, two areas can be distinguished:
t5IFHSFFOPOFNFBOTOPFGGFDUDBVTFECZ flicker
t5IFZFMMPXBSFBNFBOTNPEFSBUFGMJDLFSSJTL For low frequency values (lower than 100 Hz), the allowed modulation level is very small, less than 1% for the green area and less than 2% for the yellow one, whereas for frequency greater UIBO)[ GPSFYBNQMFBDPNNPO
incandescent lamp supplied in AC at 50 Hz pulses at a frequency of 100 Hz) the allowed values of modulation for both areas are greater 16. The grey symbols reported in Figure 7,
SFQSFTFOUFYQFSJNFOUBMEBUBQSPWJEFECZ different authors and taken into account in the definition of the two limit areas when varying frequency.
If frequency is greater than 100 Hz, the standard establishes that this number has to be
multiplied for 0.08 and the closer integer should be considered: if the modulation of signal, defined as the difference between the TJHOBMTNBYJNVNBOENJOJNVN EJWJEFEGPS their sum results lower than the previously identified threshold, then the device can be classified as risk free.
Where LNBY and Lmin respectively correspond to UIFNBYJNVNBOENJOJNVNMVNJOBODF If the signal’s frequency is difficult to identify, then the flicker percentage, calculated according to the previously illustrated equation, should be 10% lower.
However, it is important to observe that using systems that work outside the area defined as low risk do not necessarily means to face high health risks. Indeed, the requirements established by the standard were considered as too strict by the USA Association of Electrical
Equipment and Medical Imaging Manufacturers (NEMA), as regards some specific applications: this would determine, according to their opinion, an unnecessary increase of the costs for the purchase of supply systems for LED and USBEJUJPOBMMVNJOBJSFT5IFFYBNQMFTQSPWJEFE to support their opinion are related to, for FYBNQMF UIFDBTFPGEJTDIBSHFMBNQTVTFEGPS many years in urban lighting, which show a MVNJOPVTGMVYTNPEVMBUJPOGSFRVFODZFRVBMUP 100 Hz or 120 Hz (if the system is located in Europe or in USA), with a modulation that goes up to 84%. Their use for decades in outdoor lighting systems do not highlighted high risk for health, consequently the simple application of the requirements established by the standard independently from the installation conditions could not be the best solution to avoid waste BOEVOOFDFTTBSZFYQFOTFT
The problem of the proper evaluation of light sources’ flicker is therefore still open and, in the following years, other studies and more detailed guidelines will certainly be developed to combine comfort and safety with lighting systems’ economic and energy savings.
100 101 102 103 104 10-1 100 101 102 103 Frequency (Hz) Modulation (%)
1 IES Lighting Handbook (Rea2000) 2 Rand, D., B. Lehman, and A. Shteynberg, “Issues, Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps,” Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007, pp. 1398–1404.
3 Poplawski, ME , Miller, NM, Flicker in Solid-State
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4 Kelly, D. H., “Visual response to time-dependent
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5 Berman, S.M., Greenhouse, D.S., Bailey I.L., Clear,
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effects and health hazards from flicker,including flicker that is too rapid to see. Editors: Lehman B, Wilkins A. http://grouper.ieee.org/groups/1789/ public.html
7 Eastman, A.A., and J.H. Campbell. 1952 Stroboscopic and flicker effects from fluorescent lamps. Illuminating Engineering 47:27-35
8 Kaufman, J (1984) IES Lighting Handbook,
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9 Poplawsky, ME Miller NM. Flicker in Solid-State Lighting: Measurament Technique and Proposed Reporting and Application criteria
10 Wilkins AJ. 1995. Visual stress. New York:
Oxford University Press. www.essex.ac.uk/ psychology/overlays/book1.pdf
11 Campbell F, Robson J. 1968. Application of fourier analysis to the visibility of gratings. J. Physiol. 197:551–566.
12 de Lange Dzn H. 1961. Eye’s Response at flicker
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Narendran Effects of flicker characteristics from solid-state lighting on detection, acceptability and comfort Lighting Res. Technol. 2011; 43: 337–348
Fig. 7 Legame tra modulazione e frequenza nello standard IEEE 1789-2015 / Link between modulation and frequency in the IEEE 1789-2015 standard
