光源的光通量變化隨電壓波動的測試分析

陳小龍

(佛山市華材職業技術學校，廣東佛山 528000)

引言

生活中，在夜間常會看到日光燈下旋轉的風扇葉轉得很慢、甚至像停止一樣的現象；還會遇到因供電電源電壓幅值瞬時變化導致一般照明燈具閃爍的現象[1]；前一種現象叫頻閃，是因為電光源的發光體作快速周期性變化引起的[2]，后一種現象叫閃爍(閃變)、是因為電光源在較低頻率下的發光不穩定而引起的。本文將討論電壓波動造成照明燈具光通量變化的問題。由于照度傳感器ON9658的光譜曲線與人眼函數光譜曲線十分相近，對光的響應時間為2μs，適合本次研究的要求；在此采用照度傳感器ON9658來組成測試電路，研究電源電壓波動對照明燈具光通量的影響。

1 測試原理

2 測試電路

利用可見光照度傳感器ON9658組成圖1的測試電路，用四通道示波器對各種電光源進行測試：

圖1 測試電路原理圖Fig.1 Test circuit diagram

1)調整光源與傳感器之間的距離，使當輸入電壓在額定值(220V)時，電光源激發的可見光使照度傳感器輸出照度峰值讀數約800mV(對應照度約300lx)；并在同樣的條件下測量當輸入電壓為242V、198V時同種電光源的照度，發光體上的電壓、電流波形。

2)在暗室中(背景照度低于5lx)用四通道示波器同時記錄：照度傳感器輸出照度值E(通道1，波形圖中由上往下第1條線，)、電光源端電壓Vo(通道2，波形圖中由上往下第2條線)、電光源電流Io(通道3，波形圖中由上往下第3條線)、輸入電壓Vi(通道4，波形圖中由上往下第4條線)的對應波形；橫坐標為時間。

3)重復1)和2)記錄不同電光源的波形及數據。

4)圖2至圖4是用照度傳感器ON9658組成測試電路對光源進行測試的結果。

由圖2-圖4的波形反映出：測試電路工作正常，能完成后續的測試工作。

注：E(75lx/格)Vo(2V/格)Io(200mA/格)Vi(5V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(2V/格)Io(200mA/格)Vi(5V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(2V/格)Io(200mA/格)Vi(5V/格)

3 靜態測試與動態測試

3.1 靜態測試

對四種常用電光源在交流電壓220V、242V、198V三種不同電壓下的照度進行測試，波形見圖5至圖16。

注：E(187.5lx/格)Vo(100V/格)Io(200mA/格)Vi(240V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(100V/格)Io(200mA/格)Vi(240V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(100V/格)Io(200mA/格)Vi(240V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(400V/格)Io(250mA/格)Vi(500V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(400V/格)Io(250mA/格)Vi(500V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(400V/格)Io(250mA/格)Vi(500V/格)

圖11 220 V LED燈的波形

注：E(187.5lx/格)Vo(40V/格)Io(250mA/格)Vi(300V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(40V/格)Io(250mA/格)Vi(300V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(250V/格)Io(1000mA/格)Vi(300V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(250V/格)Io(1000mA/格)Vi(300V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(250V/格)Io(1000mA/格)Vi(300V/格)

3.2 動態測試

某威化餅生產廠有兩條180kW生產線，采用調功方式。供電變壓器為S9系列、400kVA，額定電流約577A，由于變壓器離廠房遠，照明供電和動力供電未分開，當兩條生產線共同用電時瞬間單相電壓約為200V，一條生產線用電時約為222V，兩條生產線都不用電時約為244V；由于威化餅生產線工作在調功狀態，線路壓降較大，造成日光燈頻繁地閃爍，工人意見很大，工廠打算更換設備和擴大供電變壓器容量解決；波形見圖17至圖20。

注：E(187.5lx/格)Vo(100V/格)Io(200mA/格)Vi(240V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(200V/格)Io(250mA/格)Vi(350V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(400V/格)Io(250mA/格)Vi(500V/格)

3.3 配置新驅動器后動態測試

注：E(187.5lx/格)Vo(25V/格)Io(250mA/格)Vi(350V/格)

注：E(187.5lx/格)Vo(200V/格)Io(1600mA/格)Vi(250V/格)

根據圖11—圖13、圖17—圖18結果，工廠將大部分日光燈更換成LED燈，照度波形見圖19，照度波形穩定、平整，與自然光照明無明顯差異；工人不再投訴，工作效率得到提高并消除了安全隱患；同時工廠節省了更換控制電柜等設備的費用，實現了正常照明。

4 測試結果分析

4.1 靜態測試結果分析

由表1及波形圖5—圖7、圖8—圖10、圖14—圖16知道：同種電光源在不同輸入電壓下的照度不同，對應的光通量不同、波動深度不同，相應的發光體上的電壓、電流大小也不同；一般情況下：若輸入電壓高，則照度值也大，對應的光通量增大。不同的電光源在相同的輸入電壓下的光通量波動深度不同，但光通量變化的頻率相同、與電源同步。由圖11至圖13知道：由于LED照明是采用恒電流驅動的[4]，在不同輸入電壓下的照度相同，對應的光通量相同、光通量波動深度極小。由此認為：光源的光通量變化是由于加在發光體上的電壓、電流變化引起的；不同的電光源因其特性不同，其光通量波動深度不一樣，但光通量變化的頻率相同、與電源同步，這是頻閃的根源；LED燈自帶的驅動器將不同輸入電壓變換成恒定的電壓、電流輸出到LED發光體，所以LED燈的照度不隨輸入電壓變化而發生波動，沒有頻閃的現象。

4.2 動態測試結果分析

由表2及圖17、圖18知道：同種電光源在變化的輸入電壓下，相應的發光體上的電壓、電流大小也跟隨著變化，其照度、光通量也跟隨著變化、光通量波動深度加劇；因為輸入電壓波動的周期較長且不穩定，人在現場明顯感受到燈光的閃爍。另外，由于日光燈的驅動器帶有電容、起儲能作用，而白熾燈儲有熱量，所以在波形圖上看到了明顯的過度階段。不同的電光源在相同的輸入電壓波動條件下的光通量波動深度不同，但光通量變化的頻率相同、而且與電源波動同步。由波形圖19知道：LED燈在在變化的輸入電壓下的照度相同，對應的光通量相同、光通量波動深度極小。由此再次確認：光源的光通量變化是由于加在發光體上的電壓、電流變化引起的；不同的電光源因其特性不同，其光通量波動深度不一樣，但光通量變化的頻率相同、與電源同步，這是頻閃和閃爍的根源。LED燈自帶的驅動器將變化著的輸入電壓變換成恒定的電壓、電流輸出到LED發光體，所以LED燈的照度不隨輸入電壓變化而發生波動，沒有頻閃和閃爍的現象。

在通過給白熾燈添加自動穩壓驅動裝置，使輸入燈絲的電壓、電流為恒很定直流電后，測得動態波形圖20；另采購高壓鈉電子鎮流器，測得高壓鈉燈的動態波形圖21。對比圖18與圖20、圖14與圖21得：在電光源正常工作條件下，光通量變化是由加在發光體上的電壓、電流決定的，從而間接受燈具的驅動器決定。

對比圖2與圖4、圖11、圖12、圖13、圖19、圖20得：電光源發出的光的品質主要取決于激發發光體的電壓和電流，恒定的電壓和電流是發光體穩定發光的前提條件，實現電光源發出象自然光一樣的光線是可以做到的：如LED燈電子驅動器已實現。只要在燈具的驅動電路中充分地應用電力電子技術，把外電源的電能經過電子線路(燈具驅動器)變換成響應迅速，幅值穩定的電壓、電流給發光體供電，即可發出象自然光一樣的光線。

對比圖5與圖21得：燈具發光體的光通量(照度)的瞬時變化值與對應的通電電壓電流波形有密切關系，也與發光體特性相關，受發光體的材料、工藝因素影響[5]。把外電源的電能經過電子線路(燈具驅動器)變換成響應迅速，幅值穩定的高頻(周期遠小于發光體的材料的余輝)電壓、電流給發光體供電，也可發出象自然光一樣的光線。

5 結束語

照明燈具的光通量是否穩定除了受發光體特性、材料、工藝因素影響之外，主要取決于驅動發光體的電源，即電光源的驅動電路。由上面測試分析得：當燈具配有自動穩壓、穩流的高頻電子電路驅動器時，其光源的光通量不受外電源電壓波動的影響并能有效地克服頻閃和閃爍，能發出象自然光一樣的光線，對提高人們的工作效率和生活質量有積極的意義。

選擇設計合理、技術標準高、發光穩定的照明燈具作為光源有助于解決目前一些場所由于各種原因出現的照明頻閃和閃爍的問題。

隨著電力電子技術在照明領域應用的不斷成熟，制修訂新的適合我國國情的高效節能、先進環保的照明產品標準[6]，實現真正的綠色照明是今后的努力方向。

[1] 唐宇，于希娟，丁屹峰，等．燈具抗電壓跌落特性研究及其補償[J]．照明工程學報，2013，24(2)：87-91.

[2] 莊曉波，朱紹龍，張善端．光源光輸出波動的準確測量及其影響因素[J] ．照明工程學報，2009，20(1)：12-19.

[3] 俞麗華．電氣照明[M] ．上海：同濟大學出版社，2011.

[4] 孟繁春．解決LED路燈驅動電源的探討[J] ．照明工程學報，2012，23(4)：90-92.

[5] 陳傳虞．電子節能燈與電子鎮流器設計與制造[M]．北京：人民郵電出版社，2009.

[6] 楊小平．中國照明電器標準化[J]．照明工程學報，2012，23(6)：16-19.