直流無頻閃熒光燈的研究（復(fù)旦大學(xué)電子工程系）摘要本文比較全面的闡述了有關(guān)直流無頻閃熒光燈的研究成果。通過使用直流熒光燈管和直流電子鎮(zhèn)流器，徹底消除了困繞直流熒光燈研究多年的難題。相對于普通的交流熒光燈，直流熒光燈具有無頻閃，無電磁輻射，壽命長，發(fā)光效率高的特點，是二十一世紀(jì)的綠色光源。關(guān)鍵詞直流熒光燈，頻閃效應(yīng)，電磁輻射，正極暗區(qū)，直流熒光燈管，直流電子鎮(zhèn)流器。1、前言11熒光燈現(xiàn)狀電感鎮(zhèn)流器熒光燈是交流電通過燈管，電壓和電流都有周期性的變化，所以，發(fā)光亮度不斷地變化，使用50赫交流電其光強(qiáng)在1秒內(nèi)變化100次。這對視力影響很大，會使高速轉(zhuǎn)動的物體誤看成慢轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，球場上飛行的球誤看成是斷續(xù)的等。特別是對眼睛容易造成疲勞，在這種燈光下看書，是青少年近視率直線上升的重要因素之一。白熾燈也有頻閃，因它靠電流通過鎢絲發(fā)熱而發(fā)光的，在百分之一秒內(nèi)，鎢絲熱量改變不是很大，所以它的頻閃程度輕一些。荷蘭飛利浦公司于八十年代初，首先研制了一種能在高頻狀態(tài)（3060千赫）下工作的電子鎮(zhèn)流器，由于它發(fā)光效率高，能在低電壓下啟輝，因此它一出現(xiàn)便立即受到人們的重視，希望用它代替原有的電感鎮(zhèn)流器。但它并沒有消除頻閃，由于它的高頻振蕩，會產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾。12燈光頻閃對人眼的影響首先，在光強(qiáng)不斷變化的有頻閃的光源下工作，視覺系統(tǒng)需要不斷地調(diào)節(jié)眼球瞳孔的大小來保證視網(wǎng)膜光照度的穩(wěn)定性和成像的清晰度，這樣，長時間在這種環(huán)境下工作，必將使瞳孔括約肌因過度使用而疲勞，從而對眼球的光學(xué)系統(tǒng)部分造成損傷。其次，因瞳孔括約肌的調(diào)節(jié)頻率跟不上光強(qiáng)閃爍的速度，因而到達(dá)視網(wǎng)膜的光強(qiáng)必然有一定的波動。在這種視覺環(huán)境下，視網(wǎng)膜為了適應(yīng)這種變化的光強(qiáng)，需要不斷地調(diào)節(jié)其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動在空間和時間上的動態(tài)分布，使得視網(wǎng)膜保持在不同的適應(yīng)狀態(tài)下以適應(yīng)不同的光強(qiáng)。因而在光強(qiáng)閃爍的光源下工作，必然使得視網(wǎng)膜神經(jīng)元因活動頻繁而產(chǎn)生不良后果，如視網(wǎng)膜酸堿度變化，神經(jīng)元代謝物有害物質(zhì)的積累等，從而對視網(wǎng)膜造成損傷。另外，光強(qiáng)閃爍還干擾視覺中樞對圖象的處理和綜合分析，從而形成眩目和視覺錯覺等現(xiàn)象。總之在有頻閃光源下工作，輕者產(chǎn)生眼疲勞，酸痛，重則造成視覺系統(tǒng)的損傷。13無頻閃概念要保護(hù)視力，預(yù)防近視，提高工作效率，必須解決電光源的頻閃問題，熒光燈是應(yīng)用非常廣泛的電光源，比白熾燈省電，所以必須先解決熒光燈的頻閃問題，提出了無頻閃節(jié)能熒光燈的研究問題。要使熒光燈無頻閃，通過燈管的電流必須是平穩(wěn)的直流電，得到直流電是很容易的，把交流電整流濾波就能得到。但熒光燈管是負(fù)阻性的，流過燈管的電流越大，燈管的電阻就會變得越小，要使熒光燈管的電流穩(wěn)定并不容易，要做到無頻閃就更難。半個世紀(jì)以來，各國專家和技術(shù)人員始終無法解決直流熒光燈的兩個難題1、燈管的負(fù)阻性引起直流電子鎮(zhèn)流器功耗太大的問題和是否做到無頻閃；2、熒光燈管正極暗區(qū)和正極早期發(fā)黑。有人用大功率電阻與熒光燈管串聯(lián)來穩(wěn)定燈管電流，但電阻熱量太大，散熱成問題，浪費電能太多。為了解決大功率電阻的散熱問題，有人用2米長的電阻絲，外面套上塑料管，代替大功率電阻解決散熱問題；也有人用白熾燈泡來代替大功率電阻，可以把大功率電阻消耗的電能用白熾燈泡發(fā)光。但都不能解決節(jié)能問題和做到無頻閃，原因是無論用大功率電阻、電阻絲或白熾燈泡來穩(wěn)定燈管電流，其系統(tǒng)光效低，而且穩(wěn)定電流的效果差。交流熒光燈管通直流電幾十分鐘到十幾小時后會出現(xiàn)正極暗區(qū)，需采用“使直流熒光照明系統(tǒng)燈管的極性周期改變的裝置”（DEVICEFORPERIODICALLYALTERNATINGBULBPOLARITIESOFADCFLUORESCENTLIGHTINGSYSTEM）1。這樣成本高，改變燈管極性時會產(chǎn)生閃爍，周期性改變燈管極性就會產(chǎn)生頻閃，對人的視力是不利的，雖在美國申請專利，但未見有產(chǎn)品在市場銷售。什么叫無頻閃原來在世界上是沒有標(biāo)準(zhǔn)的，我們首先提出了無頻閃的標(biāo)準(zhǔn)光源閃爍的波動深度52MN計算公式H100（1）MH為波動深度，M為閃爍波峰值，N為閃爍波谷值。有些測試儀器生產(chǎn)廠家所用的電光源要求很高，向我們提出了光源閃爍波動深度02的要求，我們正在努力研究。2、研究內(nèi)容無頻閃直流熒光燈通過燈管的電流由原來的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髌椒€(wěn)的直流電，從而提供一種既能降低鎮(zhèn)流器功耗，提高熒光燈管發(fā)光效率，又能保持無頻閃和低電壓啟輝的無頻閃直流熒光燈。這種熒光燈由直流熒光燈管、直流電子鎮(zhèn)流器和燈具三個部分組成。直流電子鎮(zhèn)流器包括降壓電路、橋式整流濾波電路、晶體管穩(wěn)流電路和燈絲預(yù)熱高壓啟輝電路（見圖1），實現(xiàn)對燈管電極的高壓啟輝和將交流電向平穩(wěn)的直流電的轉(zhuǎn)換，使加到燈管的工作電流是平穩(wěn)的直流電流。采用晶體管穩(wěn)流比用電阻穩(wěn)流效率高，而且做到無頻閃。研制了直流熒光燈管，通過直流電子鎮(zhèn)流器與直流熒光燈管、燈具的匹配，解決了直流熒光燈管通直流電后出現(xiàn)的正極暗區(qū)和正極端發(fā)黑的問題。220V交流電圖1直流熒光燈工作原理圖降壓電路橋式整流濾波電路晶體管穩(wěn)流電路燈絲預(yù)熱高壓啟輝電路直流熒光燈管我們設(shè)計了一端是正極，另一端是負(fù)極的直流燈管，正極用性能極其穩(wěn)定的材料，所以正極端不會發(fā)黑。同時燈管內(nèi)的氣體成分和配比合理設(shè)定，使得汞蒸汽擴(kuò)散和電泳達(dá)到動態(tài)平衡而不出現(xiàn)正極暗區(qū)，因而無需極性開關(guān)改變燈管的極性，是名符其實的直流燈管。直流無頻閃熒光燈于1988年申請實用新型專利，1989年授予專利權(quán)，專利號882175335；經(jīng)改進(jìn)后，于1993年申請發(fā)明專利，1996年被授予專利權(quán)，專利號ZL9311247863。進(jìn)一步改進(jìn)后，向世界知識產(chǎn)權(quán)組織國際局提出了“無頻閃直流熒光燈”的國際申請，國際公布號WO01/27522A1，2001年4月，通過PCT審查后，又通過國家知識產(chǎn)權(quán)局的審查4，2003年2月12日被授予發(fā)明專利權(quán)，專利號ZL99808297X。圖2頻閃測試接線圖UBB9VRL1M光敏二極管型號2CU2A3、結(jié)果31頻閃用光敏二極管接示波器對4種燈頻閃的頻率和波動深度進(jìn)行測試，結(jié)果如表1、表1頻閃的頻率和波動深度序號名稱頻率（HZ）波動深度（）用光敏二極管接數(shù)字示波器對幾種燈頻閃的波動深度進(jìn)行測試，結(jié)果如表2表2幾種不同熒光燈頻閃波動深度比較表圖3幾種不同光源下光敏二極管接示波器波形對比圖（頻閃）ABCDEA自然光B電感鎮(zhèn)流器熒光燈C白熾燈D高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈E直流熒光燈1電感鎮(zhèn)流器熒光燈10085100602高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈（進(jìn)口）32K113白熾燈100254無頻閃直流熒光燈00序號名稱最大值（MV）最小值（MV）去除環(huán)境因素波動深度（）最大值（MV）最小值（MV）0環(huán)境（暗室）1518951084851電感鎮(zhèn)流器熒光燈787400972035772210510805286012白熾燈588544463054587025054641388520933高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈（進(jìn)口）23403474034123251505751189567694高頻電子鎮(zhèn)流器熒光臺燈（進(jìn)口）2515101686802363205179528524035高頻電子鎮(zhèn)流器熒光臺燈（進(jìn)口）16000014588215848105146966857276直流熒光臺燈34504730740032985753182485352圖3幾種不同光源下光敏二極管接示波器頻閃波形對比圖，該圖為計算機(jī)打印的數(shù)碼照片，從圖3中和表1、表2可以看出，不同的燈閃爍波動深度不同，電感鎮(zhèn)流器熒光燈頻閃波動深度最大，達(dá)858601，高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈其次，606769，通常人們認(rèn)為無頻閃的白熾燈波動深度較小，但同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無頻閃指標(biāo)5，達(dá)209325，高頻電子鎮(zhèn)流器臺燈較好，在7272403之間也未達(dá)到無頻閃的指標(biāo)。所測試的幾種熒光燈，唯有直流熒光臺燈達(dá)到無頻閃的標(biāo)準(zhǔn)，波動深度僅0352。32能耗幾種不同功率的直流熒光燈與電感鎮(zhèn)流器熒光燈能耗測試如表3表3直流熒光燈與電感鎮(zhèn)流器熒光燈、白熾燈性能比較測試結(jié)果名稱系統(tǒng)功率（W）總光通量LM系統(tǒng)光效LM/W節(jié)電基準(zhǔn)36W4360240855230直流36W426025706033845基準(zhǔn)13W184487947670直流13W139677755661436基準(zhǔn)11W148076151420直流11W136079058091148電感8W114033129040直流8W92035038042366白熾燈60062710450直流11W136079058098201附注1、交流供電控制電壓為220V。2、基準(zhǔn)為電感基準(zhǔn)鎮(zhèn)流器，直流為無頻閃直流電子鎮(zhèn)流器從表3中可以看出，直流熒光燈和電感鎮(zhèn)流器熒光燈（節(jié)能燈）相比節(jié)電8452366，和白熾燈相比節(jié)電8201。33電磁輻射直流熒光燈無高頻振蕩，因而無電磁輻射。34、燈管壽命40W直流熒光燈與40W普通熒光燈光衰的比較分析，用6支40W燈管，序號1、3、5配直流電子鎮(zhèn)流器，序號2、4、6配普通鎮(zhèn)流器，燈具相同，燃點100小時作為0小時，然后用時間斷路器開2小時45分鐘后關(guān)15分鐘，再開2小時45分鐘，如此反復(fù)開關(guān)，再把各個2小時45分鐘加起來，滿200小時測一次，到1000小時為止。測試的交流供電控制電壓為220V，測試結(jié)果見表4、5及圖4。表4直流和電感熒光燈性能比較（燃點時間1000小時）表5兩種熒光燈系統(tǒng)光效平均值比較（）序號系統(tǒng)功率（W）總光通量（LM）系統(tǒng)光效LM/W光效衰減（）備注14240195146011000直流鎮(zhèn)流器24700206343011416普通鎮(zhèn)流器34340203843891014直流鎮(zhèn)流器44660213745861124普通鎮(zhèn)流器5432020974854859直流鎮(zhèn)流器64800209843711399普通鎮(zhèn)流器取平均值經(jīng)計算可得表5，根據(jù)表5畫出系統(tǒng)光效衰減曲線。從表5和圖4系統(tǒng)光效衰減曲線可看出，用直流電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)光效平均值的衰減速度比用普通鎮(zhèn)流器慢，燃點1000小時的衰減量介于普通鎮(zhèn)流器400小時與600小時之間，與燃點500小時的衰減量相接近。圖4直流熒光燈與電感熒光燈系統(tǒng)光效衰減比較曲線直流熒光燈的線路、印刷線路板和燈具都應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至加工工廠，數(shù)控機(jī)床工作，燈管加工也由計算機(jī)控制。4、討論41直流無頻閃熒光燈的兩個最顯著的優(yōu)點411具有明顯的減輕眼疲勞的功效系統(tǒng)光效的平均值（）0小時200小時400小時600小時800小時1000小時直流鎮(zhèn)流器10097759502932191829042普通鎮(zhèn)流器10096139207891488478687經(jīng)南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院、上海醫(yī)科大學(xué)教育處、同濟(jì)大學(xué)建筑技術(shù)視覺實驗室5、海軍醫(yī)學(xué)研究所航空醫(yī)學(xué)研究室6、杭州市衛(wèi)生防疫站7等五家單位聯(lián)合進(jìn)行系統(tǒng)研究，用直流無頻閃熒光臺燈閱讀與使用市場常見的普通用交流熒光燈和交流白熾燈閱讀相比眼睛疲勞、疲倦感覺輕；腦力工作能力指數(shù)較大、精細(xì)作業(yè)的準(zhǔn)確率較高；常規(guī)視力、雙變量對比視力、空間頻率在高頻段的對比敏感度影響較小；明視持久度變化小，視覺運動反應(yīng)時延長時間短。表明直流無頻閃熒光臺燈對保護(hù)人眼視力明顯有效。北京協(xié)和醫(yī)院眼科采用雙盲法臨床試驗，中華醫(yī)學(xué)會眼科分會于2003年6月21日組織眼科專家進(jìn)行鑒定，一致認(rèn)為閱讀的舒適度較普通燈有明顯改善，受試者的對比敏感度優(yōu)于普通交流燈，有助于減輕視疲勞。412無高頻振蕩無高頻振蕩，所以不會產(chǎn)生電磁輻射和污染,避免了電磁輻射對人腦的影響。目前市場上的高頻熒光燈的頻率在3060KHZ之間，這種電磁輻射對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的影響雖無相關(guān)實驗論證，但因臺燈功率大（超過手機(jī)功率的數(shù)十倍至上百倍），在近距離（20厘米）燈光下工作學(xué)習(xí)時間常在數(shù)小時之上，如此大功率長時間的輻射對人體的影響必須作深入的研究。42還需要深入研究的問題是進(jìn)一步提高功率因素和減小三次諧波。參考文獻(xiàn)1UNITEDSTATESPATENPATENTNUMBER5,072,160DATEOFPATENTDEC10,1991