光源的光通量變化隨電壓波動(dòng)的測(cè)試分析

陳小龍

(佛山市華材職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東佛山 528000)

引言

生活中，在夜間常會(huì)看到日光燈下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉轉(zhuǎn)得很慢、甚至像停止一樣的現(xiàn)象；還會(huì)遇到因供電電源電壓幅值瞬時(shí)變化導(dǎo)致一般照明燈具閃爍的現(xiàn)象[1]；前一種現(xiàn)象叫頻閃，是因?yàn)殡姽庠吹陌l(fā)光體作快速周期性變化引起的[2]，后一種現(xiàn)象叫閃爍(閃變)、是因?yàn)殡姽庠丛谳^低頻率下的發(fā)光不穩(wěn)定而引起的。本文將討論電壓波動(dòng)造成照明燈具光通量變化的問(wèn)題。由于照度傳感器ON9658的光譜曲線與人眼函數(shù)光譜曲線十分相近，對(duì)光的響應(yīng)時(shí)間為2μs，適合本次研究的要求；在此采用照度傳感器ON9658來(lái)組成測(cè)試電路，研究電源電壓波動(dòng)對(duì)照明燈具光通量的影響。

1 測(cè)試原理

2 測(cè)試電路

利用可見(jiàn)光照度傳感器ON9658組成圖1的測(cè)試電路，用四通道示波器對(duì)各種電光源進(jìn)行測(cè)試：

圖1 測(cè)試電路原理圖Fig.1 Test circuit diagram

1)調(diào)整光源與傳感器之間的距離，使當(dāng)輸入電壓在額定值(220V)時(shí)，電光源激發(fā)的可見(jiàn)光使照度傳感器輸出照度峰值讀數(shù)約800mV(對(duì)應(yīng)照度約300lx)；并在同樣的條件下測(cè)量當(dāng)輸入電壓為242V、198V時(shí)同種電光源的照度，發(fā)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(shí)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(duì)應(yīng)波形；橫坐標(biāo)為時(shí)間。

3)重復(fù)1)和2)記錄不同電光源的波形及數(shù)據(jù)。

4)圖2至圖4是用照度傳感器ON9658組成測(cè)試電路對(duì)光源進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。

由圖2-圖4的波形反映出：測(cè)試電路工作正常，能完成后續(xù)的測(cè)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(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試

3.1 靜態(tài)測(cè)試

對(duì)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(jìn)行測(cè)試，波形見(jiàn)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(dòng)態(tài)測(cè)試

某威化餅生產(chǎn)廠有兩條180kW生產(chǎn)線，采用調(diào)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(yuǎn)，照明供電和動(dòng)力供電未分開(kāi)，當(dāng)兩條生產(chǎn)線共同用電時(shí)瞬間單相電壓約為200V，一條生產(chǎn)線用電時(shí)約為222V，兩條生產(chǎn)線都不用電時(shí)約為244V；由于威化餅生產(chǎn)線工作在調(diào)功狀態(tài)，線路壓降較大，造成日光燈頻繁地閃爍，工人意見(jiàn)很大，工廠打算更換設(shè)備和擴(kuò)大供電變壓器容量解決；波形見(jiàn)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(qū)動(dòng)器后動(dòng)態(tài)測(cè)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(jù)圖11—圖13、圖17—圖18結(jié)果，工廠將大部分日光燈更換成LED燈，照度波形見(jiàn)圖19，照度波形穩(wěn)定、平整，與自然光照明無(wú)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(shí)工廠節(jié)省了更換控制電柜等設(shè)備的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了正常照明。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)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(duì)應(yīng)的光通量不同、波動(dòng)深度不同，相應(yīng)的發(fā)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(duì)應(yīng)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(dòng)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(qū)動(dòng)的[4]，在不同輸入電壓下的照度相同，對(duì)應(yīng)的光通量相同、光通量波動(dòng)深度極小。由此認(rèn)為：光源的光通量變化是由于加在發(fā)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(dòng)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(qū)動(dòng)器將不同輸入電壓變換成恒定的電壓、電流輸出到LED發(fā)光體，所以LED燈的照度不隨輸入電壓變化而發(fā)生波動(dòng)，沒(méi)有頻閃的現(xiàn)象。

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)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(yīng)的發(fā)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(dòng)深度加?。灰?yàn)檩斎腚妷翰▌?dòng)的周期較長(zhǎng)且不穩(wěn)定，人在現(xiàn)場(chǎng)明顯感受到燈光的閃爍。另外，由于日光燈的驅(qū)動(dòng)器帶有電容、起儲(chǔ)能作用，而白熾燈儲(chǔ)有熱量，所以在波形圖上看到了明顯的過(guò)度階段。不同的電光源在相同的輸入電壓波動(dòng)條件下的光通量波動(dòng)深度不同，但光通量變化的頻率相同、而且與電源波動(dòng)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(duì)應(yīng)的光通量相同、光通量波動(dòng)深度極小。由此再次確認(rèn)：光源的光通量變化是由于加在發(fā)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(dòng)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(qū)動(dòng)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(fā)光體，所以LED燈的照度不隨輸入電壓變化而發(fā)生波動(dòng)，沒(méi)有頻閃和閃爍的現(xiàn)象。

在通過(guò)給白熾燈添加自動(dòng)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)裝置，使輸入燈絲的電壓、電流為恒很定直流電后，測(cè)得動(dòng)態(tài)波形圖20；另采購(gòu)高壓鈉電子鎮(zhèn)流器，測(cè)得高壓鈉燈的動(dòng)態(tài)波形圖21。對(duì)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(fā)光體上的電壓、電流決定的，從而間接受燈具的驅(qū)動(dòng)器決定。

對(duì)比圖2與圖4、圖11、圖12、圖13、圖19、圖20得：電光源發(fā)出的光的品質(zhì)主要取決于激發(fā)發(fā)光體的電壓和電流，恒定的電壓和電流是發(fā)光體穩(wěn)定發(fā)光的前提條件，實(shí)現(xiàn)電光源發(fā)出象自然光一樣的光線是可以做到的：如LED燈電子驅(qū)動(dòng)器已實(shí)現(xiàn)。只要在燈具的驅(qū)動(dòng)電路中充分地應(yīng)用電力電子技術(shù)，把外電源的電能經(jīng)過(guò)電子線路(燈具驅(qū)動(dòng)器)變換成響應(yīng)迅速，幅值穩(wěn)定的電壓、電流給發(fā)光體供電，即可發(fā)出象自然光一樣的光線。

對(duì)比圖5與圖21得：燈具發(fā)光體的光通量(照度)的瞬時(shí)變化值與對(duì)應(yīng)的通電電壓電流波形有密切關(guān)系，也與發(fā)光體特性相關(guān)，受發(fā)光體的材料、工藝因素影響[5]。把外電源的電能經(jīng)過(guò)電子線路(燈具驅(qū)動(dòng)器)變換成響應(yīng)迅速，幅值穩(wěn)定的高頻(周期遠(yuǎn)小于發(fā)光體的材料的余輝)電壓、電流給發(fā)光體供電，也可發(fā)出象自然光一樣的光線。

5 結(jié)束語(yǔ)

照明燈具的光通量是否穩(wěn)定除了受發(fā)光體特性、材料、工藝因素影響之外，主要取決于驅(qū)動(dòng)發(fā)光體的電源，即電光源的驅(qū)動(dòng)電路。由上面測(cè)試分析得：當(dāng)燈具配有自動(dòng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流的高頻電子電路驅(qū)動(dòng)器時(shí)，其光源的光通量不受外電源電壓波動(dòng)的影響并能有效地克服頻閃和閃爍，能發(fā)出象自然光一樣的光線，對(duì)提高人們的工作效率和生活質(zhì)量有積極的意義。

選擇設(shè)計(jì)合理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、發(fā)光穩(wěn)定的照明燈具作為光源有助于解決目前一些場(chǎng)所由于各種原因出現(xiàn)的照明頻閃和閃爍的問(wèn)題。

隨著電力電子技術(shù)在照明領(lǐng)域應(yīng)用的不斷成熟，制修訂新的適合我國(guó)國(guó)情的高效節(jié)能、先進(jìn)環(huán)保的照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[6]，實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償[J]．照明工程學(xué)報(bào)，2013，24(2)：87-91.

[2] 莊曉波，朱紹龍，張善端．光源光輸出波動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)量及其影響因素[J] ．照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(1)：12-19.

[3] 俞麗華．電氣照明[M] ．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

[4] 孟繁春．解決LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的探討[J] ．照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(4)：90-92.

[5] 陳傳虞．電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)與制造[M]．北京：人民郵電出版社，2009.

[6] 楊小平．中國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化[J]．照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(6)：16-19.