1、光源光輸出波動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)量及其影響因素中國(guó)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(dòng)的三個(gè)參數(shù)：波動(dòng)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(jì)探頭和光電倍增管四種探測(cè)器用于測(cè)量光波動(dòng)的優(yōu)缺，發(fā)現(xiàn)照度傳感器能滿足測(cè)量要求，而在簡(jiǎn)單測(cè)量時(shí)可以采用光敏二極管。用照度傳感器對(duì)各種常用光源的波動(dòng)深度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鎢絲燈的波動(dòng)深度為6%31%，隨功率的增大而下降。對(duì)熒光燈，電感鎮(zhèn)流時(shí)波動(dòng)深度高達(dá)42%48%；使用高質(zhì)量的電子鎮(zhèn)流器時(shí)波動(dòng)深度可以10%。方波電子鎮(zhèn)流的金屬鹵化物燈光波動(dòng)3% ，小于電感鎮(zhèn)流的1/20。分析了光源瞬時(shí)功率波形與光波動(dòng)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)要使光波

2、動(dòng)深度小，要求熒光燈電子鎮(zhèn)流器的直流母線要平滑，高強(qiáng)度氣體放電燈瞬時(shí)功率的過(guò)零時(shí)間越短越好。關(guān)鍵詞：光波動(dòng)；波動(dòng)深度；閃爍指數(shù)；調(diào)制深度；過(guò)零時(shí)間Measurement Methods and Impact Factors for Light OutputFluctuation of Light Sources中國(guó)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(dòng)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(jiàn)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(shí)間最快，但由于它需要高壓電源供電，且強(qiáng)光下容易疲勞，不便于用來(lái)測(cè)光源光波動(dòng)。從原理上來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確測(cè)量光波動(dòng)需要用線性照度傳感器。光敏二極管價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單,可在一般測(cè)量時(shí)選用。因此，第4節(jié)的實(shí)驗(yàn)中均采用照度傳感器和光敏二極管來(lái)測(cè)量。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4 各種光源的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)中國(guó)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(cè)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(tái)燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)每種燈取 5個(gè)樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.1 白熾燈中國(guó)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(dòng)深度和閃爍指數(shù)如圖4、圖5所示。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 由圖4，5 可見(jiàn)，白熾燈的光波動(dòng)有幾個(gè)特點(diǎn)。(1) 隨著功率的增加，白熾燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)均下降，這與文獻(xiàn) 8 的結(jié)論一致。這是因?yàn)榇蠊β拾谉霟舻臒艚z直徑增大、長(zhǎng)度縮短 單位長(zhǎng)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(dòng)減

7、小。,磨砂燈泡的功率從 25W增加到 60 W, 照度傳感器測(cè)得的波動(dòng)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(cè)得的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)比照度傳感器測(cè)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(dòng)要略小于透明燈泡。以40W為例，照度傳感器測(cè)得的磨砂燈泡的波動(dòng)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(dòng)減小的趨勢(shì)變緩。4.2 鹵鎢燈中國(guó)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(dòng)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(dòng)深度和閃爍指數(shù)都下降。其原因與白熾燈類(lèi)似，即功率增大后，單位長(zhǎng)度功率密度增加使燈絲溫度隨電流的波動(dòng)減小。同樣功率下，雙插腳鹵鎢燈 (G9燈頭) 的光波動(dòng)要略小于反射型鹵鎢燈 (GU10燈頭)，鹵鎢燈的光波動(dòng)又略小于白熾燈，這可能是因?yàn)辂u鎢燈的燈絲比白熾燈更緊湊。還是以40W為例，照度傳感器測(cè)得的G9鹵鎢燈的波動(dòng)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(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.3 直管熒光燈中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 測(cè)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(dòng)要遠(yuǎn)小于電感鎮(zhèn)流。以36W的T8熒光燈為例，采用電子鎮(zhèn)流時(shí)照度傳感器的波動(dòng)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(guò)7倍。對(duì)比圖4和表2，我們發(fā)現(xiàn)與白熾燈相反，通過(guò)照度傳感器測(cè)得的熒光燈的光波動(dòng)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(jì)探頭在綠光部分有較好的響應(yīng)。在T8和T10使用同一個(gè)電感或電子鎮(zhèn)流器時(shí)，粗管徑的T10燈的光波動(dòng)要略大于細(xì)管徑的T8燈，這與

10、文獻(xiàn)7的結(jié)論一致。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)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(dòng)也不同。采用無(wú)源濾波電路時(shí)，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率和濾波電容的容量對(duì)光波動(dòng)影響很大12 。單色T5 14W燈用同一個(gè)電子鎮(zhèn)流器燃點(diǎn)，波動(dòng)深度不同是由熒光粉的余輝時(shí)間決定，綠粉的余輝時(shí)間最長(zhǎng)，光波動(dòng)最小; 藍(lán)粉的余輝時(shí)間最短，光波動(dòng)最大。T5 32W燈的光波動(dòng)只有單色 T5 14W的1/21/3，這因三基色粉對(duì)光波動(dòng)有三重平滑作用。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.4 緊湊型熒光燈中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 緊湊型熒光燈的光波動(dòng)如表3所示, 均10% ,這是由于緊湊型熒光燈是高頻驅(qū)動(dòng)的緣故。相對(duì)

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(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)不敏感，適用于電壓不穩(wěn)的地區(qū)15 。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.5 高壓鈉燈中國(guó)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(dòng)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(dòng)很大，基本和輸入功率的波動(dòng)一致。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.6 金屬鹵化物燈中國(guó)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(dòng)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(dòng)遠(yuǎn)小于電感鎮(zhèn)流。以150 W為例，采用電子鎮(zhèn)流時(shí)照度傳感器的波動(dòng)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(dòng)很小。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 4.7LED臺(tái)燈中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 LED臺(tái)燈的光波動(dòng)如表6所示。由于LED采用直流恒流驅(qū)動(dòng)，直流紋波可以做得很小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)光波動(dòng)1%，可以認(rèn)為此時(shí)消除了光波動(dòng)。白光LED內(nèi)涂有熒光粉把部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光，熒光粉的余輝效應(yīng)對(duì)降低光波動(dòng)也有一定的作用。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 5 影響光源光波動(dòng)的因素中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 有很多因素會(huì)影響光源的光波動(dòng)，如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、鎮(zhèn)流器的種類(lèi)

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(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 對(duì)于白熾燈，除去電壓的波動(dòng)，燈絲的形狀、單位長(zhǎng)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(duì)光波動(dòng)有影響。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 對(duì)于同樣色溫的熒光燈，充氣種類(lèi) (如氬或氪)對(duì)光波動(dòng)幾乎沒(méi)有影響7。熒光燈的瞬時(shí)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(guó)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(duì)光波動(dòng)影響很大。定義功率下降到1/e的時(shí)刻和上升到1/e的

14、時(shí)刻之間的間隔為過(guò)零時(shí)間。50Hz工作時(shí)的過(guò)零時(shí)間為1.72 ms，相對(duì)熒光粉的余輝時(shí)間(1ms)不可忽略，所以光波動(dòng)大。48 kHz工作時(shí)過(guò)零時(shí)間為1.72s，遠(yuǎn)小于熒光粉的余輝時(shí)間，所以對(duì)光波動(dòng)沒(méi)有影響，這就是熒光燈高頻工作時(shí)光波動(dòng)小的原因。不過(guò)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(dòng)。同時(shí)，熒光粉的種類(lèi)對(duì)光波動(dòng)也有影響，余輝時(shí)間長(zhǎng)的熒光粉光波動(dòng)小。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 金鹵燈的瞬時(shí)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(shí)間只有1

15、s，遠(yuǎn)小于50Hz下功率的過(guò)零時(shí)間 (2 ms)，所以電感鎮(zhèn)流時(shí)光波動(dòng)深度高達(dá)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(guò)零時(shí)間10s，這樣電子鎮(zhèn)流時(shí)金鹵燈的光波動(dòng)就很小對(duì)HID燈，只要帶電粒子濃度的過(guò)零時(shí)間比燈功率過(guò)零時(shí)間長(zhǎng)，光波動(dòng)就會(huì)較小。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 6 結(jié)論中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文電光源 波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)這兩個(gè)量能夠明顯地表征光源的光輸出波動(dòng)。線性照度傳感器帶有 V ()修正且響應(yīng)夠快，是最合適的測(cè)量光波動(dòng)的探測(cè)器。光敏二極管由于簡(jiǎn)便易用，可用在一般測(cè)量場(chǎng)合。電感鎮(zhèn)流時(shí)，由于功率的過(guò)零時(shí)間較長(zhǎng)，光波動(dòng)大。高頻下光波動(dòng)小，主要與電子鎮(zhèn)流器的直流母線的紋波