照明工程_光源光輸出波動的準(zhǔn)確測量及其影響因素

1、光源光輸出波動的準(zhǔn)確測量及其影響因素中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 摘要：本文定義了表征光源光輸出波動的三個參數(shù)：波動深度、閃爍指數(shù)和調(diào)制深度。比較了線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計探頭和光電倍增管四種探測器用于測量光波動的優(yōu)缺，發(fā)現(xiàn)照度傳感器能滿足測量要求，而在簡單測量時可以采用光敏二極管。用照度傳感器對各種常用光源的波動深度進行測量，發(fā)現(xiàn)鎢絲燈的波動深度為6%31%，隨功率的增大而下降。對熒光燈，電感鎮(zhèn)流時波動深度高達42%48%；使用高質(zhì)量的電子鎮(zhèn)流器時波動深度可以10%。方波電子鎮(zhèn)流的金屬鹵化物燈光波動3% ，小于電感鎮(zhèn)流的1/20。分析了光源瞬時功率波形與光波動的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)要使光波

2、動深度小，要求熒光燈電子鎮(zhèn)流器的直流母線要平滑，高強度氣體放電燈瞬時功率的過零時間越短越好。關(guān)鍵詞：光波動；波動深度；閃爍指數(shù)；調(diào)制深度；過零時間Measurement Methods and Impact Factors for Light OutputFluctuation of Light Sources中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 AbstractFluctuation depth (FD) , flicker index and modulation depth were defined to characterize the light variationsof light s our

3、ces. F our detectors were compared , including linear illuminance sens or (LIS) , photodiode ,conventional illuminance detector and photomultiplier. The results show LIS is the best detector for flickermeasurement and photodiode may als o be used in simple measurement . The FD and flicker index of g

4、enerally 2used light s ources were measured with LIS. The FD of tungsten filament lamps is 6 %31 % and decreases withincreasing power. F or fluorescent lamps driven by magnetic ballast , the FD is 42 %48 %; and 10 % by highquality electronic ballast . The FD of metal halide lamps driven by electroni

5、c ballast with rectangular waveform is 20s) 。倍增管的波動深度仍然比光敏二極管大6%，原因是兩者的光譜響應(yīng)曲線不同，倍增管的響應(yīng)峰值在可見區(qū)，而光敏二極管的響應(yīng)峰值在近紅外區(qū)。倍增管雖然響應(yīng)時間最快，但由于它需要高壓電源供電，且強光下容易疲勞，不便于用來測光源光波動。從原理上來說，準(zhǔn)確測量光波動需要用線性照度傳感器。光敏二極管價格低廉、操作簡單,可在一般測量時選用。因此，第4節(jié)的實驗中均采用照度傳感器和光敏二極管來測量。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4 各種光源的波動深度和閃爍指數(shù)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 用照度傳感器和光敏二極

6、管測量了白熾燈、鹵鎢燈、直管熒光燈、緊湊型熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和LED臺燈的波動深度和閃爍指數(shù)，實驗時每種燈取 5個樣品進行統(tǒng)計平均。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.1 白熾燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 磨砂白熾燈和透明白熾燈的波動深度和閃爍指數(shù)如圖4、圖5所示。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 由圖4，5 可見，白熾燈的光波動有幾個特點。(1) 隨著功率的增加，白熾燈的波動深度和閃爍指數(shù)均下降，這與文獻 8 的結(jié)論一致。這是因為大功率白熾燈的燈絲直徑增大、長度縮短 單位長度,燈絲的功率密度增加，也即熱慣性 (熱容量) 增加 ,燈絲溫度隨電流變化的幅度減小 因此光波動減

7、小。,磨砂燈泡的功率從 25W增加到 60 W, 照度傳感器測得的波動深度從29.2%下降到11.7%，閃爍指數(shù)從9.3%下降到 3. 9%. (2) 圖4、圖5還表明，光敏二極1管測得的波動深度和閃爍指數(shù)比照度傳感器測得的約小30%，這可能與兩者不同的光譜響應(yīng)曲線有關(guān)。(3)在相同功率下，磨砂燈泡的光波動要略小于透明燈泡。以40W為例，照度傳感器測得的磨砂燈泡的波動深度和閃爍指數(shù)分別為16.9%和15.4%，而透明燈泡則為17.3%和5.6%. (4) 燈功率大于60W后，隨功率的增加光波動減小的趨勢變緩。4.2 鹵鎢燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 雙插腳和反射型鹵鎢燈的波動深度和閃爍指數(shù)如圖6

8、、圖7所示。圖6、圖7表明，隨著鹵鎢燈功率的增加，波動深度和閃爍指數(shù)都下降。其原因與白熾燈類似，即功率增大后，單位長度功率密度增加使燈絲溫度隨電流的波動減小。同樣功率下，雙插腳鹵鎢燈 (G9燈頭) 的光波動要略小于反射型鹵鎢燈 (GU10燈頭)，鹵鎢燈的光波動又略小于白熾燈，這可能是因為鹵鎢燈的燈絲比白熾燈更緊湊。還是以40W為例，照度傳感器測得的G9鹵鎢燈的波動深度和閃爍指數(shù)分別為 15.0 %和 4.8 %，小于40W透明白熾燈的17.3%和5.6%。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.3 直管熒光燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 測量了用電感或電子鎮(zhèn)流的白光(色溫6700K

9、)T5，T8，T10和 T12，以及單色T5直管熒光燈，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，電子鎮(zhèn)流直管熒光燈的光波動要遠小于電感鎮(zhèn)流。以36W的T8熒光燈為例，采用電子鎮(zhèn)流時照度傳感器的波動深度和閃爍指數(shù)分別為 5.7 %和 1.6 %，而電感鎮(zhèn)流則為42.3 %和 11.7 %，二者相差超過7倍。對比圖4和表2，我們發(fā)現(xiàn)與白熾燈相反，通過照度傳感器測得的熒光燈的光波動參數(shù)要小于光敏二極管，這與熒光燈的光譜和兩種探頭的響應(yīng)曲線有關(guān)，光敏二極管在紅光部分有較高的響應(yīng)，而照度計探頭在綠光部分有較好的響應(yīng)。在T8和T10使用同一個電感或電子鎮(zhèn)流器時，粗管徑的T10燈的光波動要略大于細管徑的T8燈，這與

10、文獻7的結(jié)論一致。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 表2中，電子鎮(zhèn)流器的參數(shù)不同，所以光波動也不同。采用無源濾波電路時，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率和濾波電容的容量對光波動影響很大12 。單色T5 14W燈用同一個電子鎮(zhèn)流器燃點，波動深度不同是由熒光粉的余輝時間決定，綠粉的余輝時間最長，光波動最小; 藍粉的余輝時間最短，光波動最大。T5 32W燈的光波動只有單色 T5 14W的1/21/3，這因三基色粉對光波動有三重平滑作用。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.4 緊湊型熒光燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 緊湊型熒光燈的光波動如表3所示, 均10% ,這是由于緊湊型熒光燈是高頻驅(qū)動的緣故。相對

11、于白熾燈和電感鎮(zhèn)流的直管熒光燈，緊湊型熒光燈使用的是電子鎮(zhèn)流器, 對電網(wǎng)電壓波動不敏感，適用于電壓不穩(wěn)的地區(qū)15 。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.5 高壓鈉燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 電感鎮(zhèn)流的高壓鈉燈的光波動如表4所示。由于高壓鈉燈的光譜集中在黃光區(qū)域，為鈉原子直接發(fā)光，所以光波動很大，基本和輸入功率的波動一致。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.6 金屬鹵化物燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 電感和電子鎮(zhèn)流的金屬鹵化物燈的光波動如表5所示。從表5同樣可以看出，電子鎮(zhèn)流的金鹵燈的光波動遠小于電感鎮(zhèn)流。以150 W為例，采用電子鎮(zhèn)流時照度傳感器的波動深度和閃爍指數(shù)分別為2.3%和

12、0.4%，而電感鎮(zhèn)流則為54.8 %和16.6% ,二者相差20倍以上。金鹵燈的電子鎮(zhèn)流器由于采用了140Hz低頻方波恒功率輸出線路，所以其光波動很小。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.7LED臺燈中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 LED臺燈的光波動如表6所示。由于LED采用直流恒流驅(qū)動，直流紋波可以做得很小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)光波動1%，可以認為此時消除了光波動。白光LED內(nèi)涂有熒光粉把部分藍光轉(zhuǎn)換為黃光，熒光粉的余輝效應(yīng)對降低光波動也有一定的作用。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 5 影響光源光波動的因素中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 有很多因素會影響光源的光波動，如電網(wǎng)電壓的波動、鎮(zhèn)流器的種類

13、 (工作頻率、輸出的電壓電流波形)、燈絲的形狀、氣體的成分、熒光粉的組分等。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 對于白熾燈，除去電壓的波動，燈絲的形狀、單位長度的功率密度、燈的發(fā)射光譜、泡殼的材質(zhì)(磨砂/透明) 都對光波動有影響。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 對于同樣色溫的熒光燈，充氣種類 (如氬或氪)對光波動幾乎沒有影響7。熒光燈的瞬時電壓、電流和功率如圖8、圖9所示。由于燈電壓接近方波，因此燈的功率波形基本由電流波形決定。電感鎮(zhèn)流器頻率為50Hz，電子鎮(zhèn)流器的頻率為48kHz。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 鎮(zhèn)流器的輸出功率波形 (近似為電流波形) 對光波動影響很大。定義功率下降到1/e的時刻和上升到1/e的

14、時刻之間的間隔為過零時間。50Hz工作時的過零時間為1.72 ms，相對熒光粉的余輝時間(1ms)不可忽略，所以光波動大。48 kHz工作時過零時間為1.72s，遠小于熒光粉的余輝時間，所以對光波動沒有影響，這就是熒光燈高頻工作時光波動小的原因。不過電子鎮(zhèn)流器的直流波形不是平的，也即直流母線仍然有100 Hz的紋波，如圖9所示，導(dǎo)致高頻振蕩帶有100Hz的包絡(luò)，因此直流母線的波形影響熒光燈的光波動。同時，熒光粉的種類對光波動也有影響，余輝時間長的熒光粉光波動小。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 金鹵燈的瞬時電壓、電流和功率如圖10、圖11所示。由于金鹵燈是氣體原子(或分子)直接發(fā)光，光子弛豫時間只有1

15、s，遠小于50Hz下功率的過零時間 (2 ms)，所以電感鎮(zhèn)流時光波動深度高達50%。金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的頻率為140Hz，輸出電壓為方波，所以燈電壓也接近方波，功率過零時間10s，這樣電子鎮(zhèn)流時金鹵燈的光波動就很小對HID燈，只要帶電粒子濃度的過零時間比燈功率過零時間長，光波動就會較小。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 6 結(jié)論中國照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 波動深度和閃爍指數(shù)這兩個量能夠明顯地表征光源的光輸出波動。線性照度傳感器帶有 V ()修正且響應(yīng)夠快，是最合適的測量光波動的探測器。光敏二極管由于簡便易用，可用在一般測量場合。電感鎮(zhèn)流時，由于功率的過零時間較長，光波動大。高頻下光波動小，主要與電子鎮(zhèn)流器的直流母線的紋波