光源的光通量变化随电压波动的测试分析

2014-04-09陈小龙

照明工程学报 2014年3期

陈小龙

(佛山市华材职业技术学校，广东佛山 528000)

引言

生活中，在夜间常会看到日光灯下旋转的风扇叶转得很慢、甚至像停止一样的现象；还会遇到因供电电源电压幅值瞬时变化导致一般照明灯具闪烁的现象[1]；前一种现象叫频闪，是因为电光源的发光体作快速周期性变化引起的[2]，后一种现象叫闪烁(闪变)、是因为电光源在较低频率下的发光不稳定而引起的。本文将讨论电压波动造成照明灯具光通量变化的问题。由于照度传感器ON9658的光谱曲线与人眼函数光谱曲线十分相近，对光的响应时间为2μs，适合本次研究的要求；在此采用照度传感器ON9658来组成测试电路，研究电源电压波动对照明灯具光通量的影响。

1 测试原理

2 测试电路

利用可见光照度传感器ON9658组成图1的测试电路，用四通道示波器对各种电光源进行测试：

图1 测试电路原理图Fig.1 Test circuit diagram

1)调整光源与传感器之间的距离，使当输入电压在额定值(220V)时，电光源激发的可见光使照度传感器输出照度峰值读数约800mV(对应照度约300lx)；并在同样的条件下测量当输入电压为242V、198V时同种电光源的照度，发光体上的电压、电流波形。

2)在暗室中(背景照度低于5lx)用四通道示波器同时记录：照度传感器输出照度值E(通道1，波形图中由上往下第1条线，)、电光源端电压Vo(通道2，波形图中由上往下第2条线)、电光源电流Io(通道3，波形图中由上往下第3条线)、输入电压Vi(通道4，波形图中由上往下第4条线)的对应波形；横坐标为时间。

3)重复1)和2)记录不同电光源的波形及数据。

4)图2至图4是用照度传感器ON9658组成测试电路对光源进行测试的结果。

由图2-图4的波形反映出：测试电路工作正常，能完成后续的测试工作。

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)

3 静态测试与动态测试

3.1 静态测试

对四种常用电光源在交流电压220V、242V、198V三种不同电压下的照度进行测试，波形见图5至图16。

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)

图11 220 V LED灯的波形

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)

3.2 动态测试

某威化饼生产厂有两条180kW生产线，采用调功方式。供电变压器为S9系列、400kVA，额定电流约577A，由于变压器离厂房远，照明供电和动力供电未分开，当两条生产线共同用电时瞬间单相电压约为200V，一条生产线用电时约为222V，两条生产线都不用电时约为244V；由于威化饼生产线工作在调功状态，线路压降较大，造成日光灯频繁地闪烁，工人意见很大，工厂打算更换设备和扩大供电变压器容量解决；波形见图17至图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 配置新驱动器后动态测试

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)

根据图11—图13、图17—图18结果，工厂将大部分日光灯更换成LED灯，照度波形见图19，照度波形稳定、平整，与自然光照明无明显差异；工人不再投诉，工作效率得到提高并消除了安全隐患；同时工厂节省了更换控制电柜等设备的费用，实现了正常照明。

4 测试结果分析

4.1 静态测试结果分析

由表1及波形图5—图7、图8—图10、图14—图16知道：同种电光源在不同输入电压下的照度不同，对应的光通量不同、波动深度不同，相应的发光体上的电压、电流大小也不同；一般情况下：若输入电压高，则照度值也大，对应的光通量增大。不同的电光源在相同的输入电压下的光通量波动深度不同，但光通量变化的频率相同、与电源同步。由图11至图13知道：由于LED照明是采用恒电流驱动的[4]，在不同输入电压下的照度相同，对应的光通量相同、光通量波动深度极小。由此认为：光源的光通量变化是由于加在发光体上的电压、电流变化引起的；不同的电光源因其特性不同，其光通量波动深度不一样，但光通量变化的频率相同、与电源同步，这是频闪的根源；LED灯自带的驱动器将不同输入电压变换成恒定的电压、电流输出到LED发光体，所以LED灯的照度不随输入电压变化而发生波动，没有频闪的现象。

4.2 动态测试结果分析

由表2及图17、图18知道：同种电光源在变化的输入电压下，相应的发光体上的电压、电流大小也跟随着变化，其照度、光通量也跟随着变化、光通量波动深度加剧；因为输入电压波动的周期较长且不稳定，人在现场明显感受到灯光的闪烁。另外，由于日光灯的驱动器带有电容、起储能作用，而白炽灯储有热量，所以在波形图上看到了明显的过度阶段。不同的电光源在相同的输入电压波动条件下的光通量波动深度不同，但光通量变化的频率相同、而且与电源波动同步。由波形图19知道：LED灯在在变化的输入电压下的照度相同，对应的光通量相同、光通量波动深度极小。由此再次确认：光源的光通量变化是由于加在发光体上的电压、电流变化引起的；不同的电光源因其特性不同，其光通量波动深度不一样，但光通量变化的频率相同、与电源同步，这是频闪和闪烁的根源。LED灯自带的驱动器将变化着的输入电压变换成恒定的电压、电流输出到LED发光体，所以LED灯的照度不随输入电压变化而发生波动，没有频闪和闪烁的现象。

在通过给白炽灯添加自动稳压驱动装置，使输入灯丝的电压、电流为恒很定直流电后，测得动态波形图20；另采购高压钠电子镇流器，测得高压钠灯的动态波形图21。对比图18与图20、图14与图21得：在电光源正常工作条件下，光通量变化是由加在发光体上的电压、电流决定的，从而间接受灯具的驱动器决定。

对比图2与图4、图11、图12、图13、图19、图20得：电光源发出的光的品质主要取决于激发发光体的电压和电流，恒定的电压和电流是发光体稳定发光的前提条件，实现电光源发出象自然光一样的光线是可以做到的：如LED灯电子驱动器已实现。只要在灯具的驱动电路中充分地应用电力电子技术，把外电源的电能经过电子线路(灯具驱动器)变换成响应迅速，幅值稳定的电压、电流给发光体供电，即可发出象自然光一样的光线。

对比图5与图21得：灯具发光体的光通量(照度)的瞬时变化值与对应的通电电压电流波形有密切关系，也与发光体特性相关，受发光体的材料、工艺因素影响[5]。把外电源的电能经过电子线路(灯具驱动器)变换成响应迅速，幅值稳定的高频(周期远小于发光体的材料的余辉)电压、电流给发光体供电，也可发出象自然光一样的光线。

5 结束语

照明灯具的光通量是否稳定除了受发光体特性、材料、工艺因素影响之外，主要取决于驱动发光体的电源，即电光源的驱动电路。由上面测试分析得：当灯具配有自动稳压、稳流的高频电子电路驱动器时，其光源的光通量不受外电源电压波动的影响并能有效地克服频闪和闪烁，能发出象自然光一样的光线，对提高人们的工作效率和生活质量有积极的意义。

选择设计合理、技术标准高、发光稳定的照明灯具作为光源有助于解决目前一些场所由于各种原因出现的照明频闪和闪烁的问题。

随着电力电子技术在照明领域应用的不断成熟，制修订新的适合我国国情的高效节能、先进环保的照明产品标准[6]，实现真正的绿色照明是今后的努力方向。

[1] 唐宇，于希娟，丁屹峰，等．灯具抗电压跌落特性研究及其补偿[J]．照明工程学报，2013，24(2)：87-91.

[2] 庄晓波，朱绍龙，张善端．光源光输出波动的准确测量及其影响因素[J] ．照明工程学报，2009，20(1)：12-19.

[3] 俞丽华．电气照明[M] ．上海：同济大学出版社，2011.

[4] 孟繁春．解决LED路灯驱动电源的探讨[J] ．照明工程学报，2012，23(4)：90-92.

[5] 陈传虞．电子节能灯与电子镇流器设计与制造[M]．北京：人民邮电出版社，2009.

[6] 杨小平．中国照明电器标准化[J]．照明工程学报，2012，23(6)：16-19.