LED電視普通照明燈具的電磁干擾問題研究

柳得安

（上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

LED電視普通照明燈具的電磁干擾問題研究

柳得安

（上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

LED電視普通照明燈具通常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)實現(xiàn)LED的恒流供電和調(diào)光功能，因此會產(chǎn)生一定程度的無線電騷擾和諧波。本文通過對部分LED燈具的測試和研究，掌握LED燈具在使用中可能產(chǎn)生電磁干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提出相應(yīng)的解決措施。

LED；電視普通照明燈具；電磁干擾；無線電騷擾；諧波

近年來，大功率LED照明技術(shù)快速發(fā)展，由于LED光源具有節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，符合“節(jié)能減排”、“低碳經(jīng)濟”的理念和世界發(fā)展的大趨勢，因此，在各個照明領(lǐng)域都得到廣泛的重視和應(yīng)用。在舞臺和影視照明方面，更由于LED燈具能應(yīng)用色彩加法原理無光損地獲得各種色彩、調(diào)光性能好、能瞬間啟動等優(yōu)點倍受青睞。

中央電視臺在新臺址的建設(shè)中希望其演播室能推廣應(yīng)用LED照明，特組織了各方面的專家，于2009年12月成立了《LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究》課題組，對LED燈具在演播室應(yīng)用進行全方位的研究，為LED燈具在電視臺演播室全面推廣提供科學(xué)依據(jù)。筆者有幸參加了課題組，并承擔(dān)了LED燈具對演播室電磁干擾方面的研究工作，本文是在該課題研究的基礎(chǔ)上寫成的。

1 原理和目的

LED光源是一種低壓直流器件，因此，LED燈具需要有一個能將220 V交流電轉(zhuǎn)換成符合LED工作要求低壓直流的電源，但是舞臺和影視用的燈具又需要具有調(diào)光功能，因此，其電源更為復(fù)雜。目前演播室用LED燈具配置的電源裝置其主流模式是：

（1）前級采用普通脈沖寬度調(diào)制（PWM）的開關(guān)電源，作為低壓直流電源，開關(guān)頻率通常為幾十千赫茲。

（2）后級再以斬波方式，進行低頻脈沖寬度調(diào)制，用調(diào)節(jié)占空比的方式來調(diào)節(jié)燈具的亮度。這一部分電路通常為燈具廠自行開發(fā)，開關(guān)頻率各廠差異較大。通常為數(shù)百赫茲到幾十千赫茲不等。

在脈沖寬度調(diào)制的工作方式中，電源裝置對電流的斬波會產(chǎn)生高次諧波，其對劇場和演播室中的音、視頻系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)產(chǎn)生無線電騷擾，可能影響其他設(shè)備的正常工作。此外，由于電源裝置中的整流電路和電容濾波電路會使工頻電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生的低次諧波會對電網(wǎng)造成污染，影響其他電氣設(shè)備運行。

因此，需要對LED燈具進行一系列的測試：按國標(biāo)GB 17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》進行測試，測量其無線電騷擾特性是否滿足該標(biāo)準的要求；按國標(biāo)GB 17625.1-2003 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》進行測試，測試其諧波電流是否滿足該標(biāo)準的要求。

通過本課題的實驗和研究，了解LED燈具在演播室使用中可能產(chǎn)生電磁干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提出相應(yīng)的解決措施。

2 實驗內(nèi)容和方法

2.1 實驗條件

本研究需要專業(yè)的各種電磁兼容測試設(shè)備，如電源分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò)、傳導(dǎo)測試接收機、輻射干擾接收機和三環(huán)天線等，有的測試還需要在電波暗室中進行，因此，必須委托經(jīng)國家相關(guān)部門批準的專業(yè)檢測機構(gòu)進行檢測。

2.2 試驗用燈具

試驗用燈具共有2類5個型號。每個型號1個燈具，共5個燈具。詳見表1。

2.3 實驗內(nèi)容

（1）按國標(biāo)GB 17743-2007要求，找出調(diào)光過程中產(chǎn)生的最大騷擾點，測量該點的無線電騷擾值。

（2）按國標(biāo)GB 17625.1-2003要求，將燈具在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，測試各級段的諧波分量。

2.4 實驗方法和步驟

先將待測的燈具老化100小時，待燈具的參數(shù)穩(wěn)定之后，再送檢。

2.4.1 無線電騷擾測試

2.4.1.1 傳導(dǎo)騷擾電壓測試

按國標(biāo)GB 17743-2007的要求在燈具電源端和控制端進行測試。

（1）燈具電源端測試按以下5個頻段進行：9 kHz ～50 kHz；50 kHz ～ 150 kHz；150 kHz ～ 0.5 MHz；0.5 MHz～ 5.0 MHz；5.0 MHz ～ 30 MHz。

（2） 燈具控制端測試按以下2個頻段進行：150 kHz ～0.5 MHz；0.5 MHz ～ 30 MHz。

2.4.1.2 輻射電磁騷擾測試。

按國標(biāo)GB 17743-2007的要求進行測試。

（1）9 kHz ～ 30 MHz頻率范圍測試按以下4個頻段進行：9 kHz ～ 70 kHz；70 kHz ～ 150 kHz；150 kHz ～3.0 MHz；3.0 MHz ～ 30 MHz。圖1為其測試裝置示意圖。

（2） 在電波暗室中，對30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍測試按以下2個頻段進行：30 MHz ～ 230 MHz；230 MHz～ 300 MHz。圖2為30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測試裝置示意圖。

以上測試的無線電騷擾特性限值見GB 17743-2007。

2.4.2 諧波測試

按國標(biāo)GB 17625.1-2003中對C類設(shè)備以及內(nèi)置調(diào)光器燈具的要求測試燈具的諧波分量，在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，測試諧波次數(shù)n的范圍為：

表1 試驗用燈具類型和編號

n = 2、3、5、7、9以及11 ≤ n ≤ 39（僅有奇次諧波）

圖3為諧波電流測試裝置示意圖。

以上測試的諧波電流發(fā)射限值見GB 17625.1-2003。

3 實驗結(jié)果和分析

從本次研究的燈具樣本1# ～ 5#中挑選了1#、3#和4#燈具送北京市家用電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測，但各個燈具的測試結(jié)果不同程度地超過了標(biāo)準規(guī)定的限值，為此，燈具廠對燈具進行了技術(shù)改進，改進后的1#燈具重新送檢，并通過了兩項標(biāo)準的測試。

5#和2#燈具分別送廣州相關(guān)測試機構(gòu)檢測，均已通過兩項標(biāo)準的測試。

以下是對其中3個燈具的主要測試參數(shù)進行分析。

3.1 1#燈具測試結(jié)果

3.1.1 無線電騷擾特性測量

（1）傳導(dǎo)騷擾電壓測試

A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓（準峰值）。參見圖4。

B. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓（平均值）。參見圖5。

（2）輻射電磁騷擾測試

A. 頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾

根據(jù)GB 17743-2007，燈具應(yīng)在三個互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測試，每一環(huán)形天線分別測試輻射電磁騷擾，圖6是其中水平環(huán)形天線測試的輻射電磁騷擾值。

B. 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾

本次測試是采用CDN法測試，限值應(yīng)符合GB 17743-2007的相應(yīng)要求，測試結(jié)果見圖7。

以上測試根據(jù)測試單位告知是在全功率的42%左右（控制數(shù)據(jù)為十六進制6C，最大值為FF）、無線電騷擾最大時的測試數(shù)據(jù)。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，1#燈具的電源端的傳導(dǎo)騷擾電壓和輻射電磁騷擾，達到GB 17743-2007的要求。

注：本次測試未對控制端的傳導(dǎo)騷擾電壓進行測試。

3.1.2 諧波電流測量

根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應(yīng)在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，測試單位僅提供20%和其他情況下干擾最大時的測試數(shù)據(jù)。

（1）在全功率的20%，即24 W左右時，測試數(shù)據(jù)見圖8。

（2）除全功率的20%外，其他功率下諧波最大時的測試數(shù)據(jù)見圖9。

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，1#燈具的諧波電流達到GB 17625.1-2003的要求，在低功率（20%）時，雖有較大的偶次諧波，但GB 17625.1-2003對2次以外的偶次諧波無限定。這也是造成電流波形畸變較大（見圖10）的原因，應(yīng)引起重視。

3.2 5#燈具測試結(jié)果

3.2.1 無線電騷擾特性測量

（1）傳導(dǎo)騷擾電壓測試

A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓（準峰值），參見圖11。

B. 燈具的控制端頻率為150 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓（準峰值）。參見圖12。

（2） 輻射電磁騷擾測試

A. 燈具在頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。

根據(jù)GB 17743-2007，燈具應(yīng)在三個互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測試，每一環(huán)形天線分別測試輻射電磁騷擾，圖13是其中一個環(huán)形天線測試的輻射電磁騷擾值。

B. 燈具在頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。

由于電波暗室較小，無法按GB 17743-2007的測試要求在10 m距離進行測試，本次頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾的實際測試距離為3 m，根據(jù)國標(biāo)GB 9254-2008 《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》的10.8，如在不同測試距離測試時，可根據(jù)下列公式換算：

L1——距離d1處規(guī)定的限值

L2——距離d2時的新限值

因此，將GB 17743-2007的限值換算成表2。天線垂直方向和水平方向的測試結(jié)果如圖14所示。

以上測試根據(jù)檢測單位告知是在全功率下進行的，全功率是該燈無線電騷擾最大狀態(tài)。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，5#燈具的電源端和控制端的傳導(dǎo)騷擾電壓及其輻射電磁騷擾，都達到國家標(biāo)準GB 17743-2007的要求。檢測單位提供了該燈測試合格的正式測試報告。

3.2.2 諧波電流測量

根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應(yīng)在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，以下是5種情況下的測試數(shù)據(jù)，參見圖15 ～圖19。

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，5#燈具的諧波電流全部達到GB 17625.1-2003的要求，在5種功率測試過程中11次諧波相對較大，但都在限值以下。且此燈電流波形畸變相對較小。參見圖20。

3.3 3#燈具測試結(jié)果

3.3.1 無線電騷擾特性測量

燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓（準峰值）。參了圖21。

從以上數(shù)據(jù)表明3＃燈具在631.5 kHz和771 kHz處的騷擾電壓超過了GB 17743-2007的限值。

3.3.2 諧波電流測量

該燈在滿功率（50 W）的條件下進行了諧波測試，測試結(jié)果如表3。

從表3中可知絕大多數(shù)的諧波電流都超過了G B 17625.1-2003的規(guī)定，表中的“Fail”即表示不合格。此外，該燈的功率因數(shù)特別低，只有0.455。

注：該燈僅在滿功率情況下測試，未按G B 17625.1-2003的要求在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即沒有在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

LED燈具工作時會產(chǎn)生一定程度的無線電騷擾和諧波，但只要在燈具中配置電磁兼容性能優(yōu)質(zhì)的電源裝置，電磁干擾可以控制在標(biāo)準許可的范圍內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準的燈具不會影響演播室和舞臺其他設(shè)備的正常工作。

4.2 建議

（1）電磁兼容的標(biāo)準均屬強制性標(biāo)準，采購LED燈具時，應(yīng)在電磁干擾方面嚴格把關(guān)，應(yīng)要求供貨方提供相關(guān)標(biāo)準的測試合格報告。

表3 3#燈具在滿功率（50 W）條件下諧波測試的結(jié)果

（2）即使是符合相關(guān)標(biāo)準的LED燈具工作時也會產(chǎn)生一定程度的3次諧波，絕對值雖不太大，但大量使用LED燈具時，應(yīng)予以重視。諧波測試資料顯示LED燈具的電流波形會有不同程度的畸變。在三相供電中，各相線中的3次諧波在電源的中性線中是不能互相抵消的，因此，演播室燈光供電線路的中性線的截面積不應(yīng)過小，宜與相線截面積等同。

（3）在本次研究中，由于燈具委托不同的測試單位進行檢測，導(dǎo)致測試的項目和方法不盡相同。如有的燈具未對控制端測試無線電騷擾值，在諧波測試中，有的燈具未按5個相等的級段測試。LED演藝燈具作為新型燈具，目前相關(guān)國家標(biāo)準中檢測規(guī)定尚不十分明確，建議盡快制定相關(guān)標(biāo)準，明確對電磁干擾方面的質(zhì)量指標(biāo)要求。

（編輯 張 淼）

Study of Electromagnetism Distraction of LED Lamps and Lanterns for Entertainment

LIU De-an
(Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China)

For the LED lamps in entertainment industry, the technology of PWM is usually for realization of the constant current of power supply and lighting dimmer, which often causes wireless electromagnetism distraction and harmonic wave. In this paper, relative data about electromagnetism distraction of LED lamps in use are obtained by means of testing some LED lamps, and corresponding solution are worked out as well.

LED entertainment lamps and lanterns; Electromagnetism distraction; Wireless disturbance： Harmonic wave

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.11.001