【導讀】前兩天,看到頭條上有一個有趣的帖子,討論為什么普通燈泡里通有交流電,電流的大小方向時時刻刻都在改變,而我們看不到燈泡在閃爍?
這個問題如果我再向自己已經(jīng)上大學的兒子提出,他會嘲笑這問題太簡單了。帖子的作者也大體羅列了兩個原因,使得人感覺不到燈泡在閃爍:
原因1::燈泡的亮度變化(閃爍)的頻率應該和普通家用交流電的頻率(50Hz)相同,由于 人的視覺暫留 效應也不會覺察到燈泡的閃爍。
原因2: 燈泡(白熾燈)的燈絲具有熱慣性,雖然交流電的幅值變化所引起的電功率的波動,但反映到燈絲溫度上就比較平滑,所以實際上波動較小,人眼不易覺察。
視覺暫留效果
人類感知燈光閃爍的能力與視覺暫留現(xiàn)象還不完全一致,人們對于燈光閃爍感知的頻率遠遠高于視覺暫留(大約1/15秒鐘左右)對應的頻率。為了消除閃爍影響,普通膠片電影播放機對每一幀圖片要閃爍兩次。
人眼不同部位對于閃爍感知能力也不同。視覺邊緣(人眼余光)部分能夠感知閃爍的頻率比人眼中心位置更高,因此由此側(cè)目能夠看到某些閃爍,當正眼看的時候就覺察不出來了。
由于視覺暫留涉及到人的感知能力,不太容易測量。但是對于普通的燈具發(fā)出的光強到底變化大多,變化的頻率有多少是可以通過光電傳感器測量的。
在 SP-45ML光電二極管放大電路及其動態(tài)特性 中介紹了一個基于SP-45ML光電管的光強測量電路及其動態(tài)特性,它的輸出電壓與輸入光強(光的能量)成線性關系。相應頻率大于25kHz,可以用來對于常見到的燈光的光強變化進行的測量。
SP-45ML光電二極管放大模塊及其光導纖維
根據(jù)測量結果可以確定常見到的燈具:
● 光強變化大小到底是多少?
● 光強變化的頻率是到底多少?
01幾種電燈泡亮度測試
下面選擇辦公室里有的幾種燈泡,點亮后使用 光導纖維 將燈光引入 SP-45ML光電二極管放大模塊 。使用示波器觀察測量模塊輸出電壓波形,反映燈光強度的變化。
1.小型白熾燈
白熾燈是由電功率所產(chǎn)生的熱能使得燈泡內(nèi)鎢絲達到高溫后發(fā)射出熱輻射。熱輻射的大小和頻譜與燈絲溫度有關系。在平穩(wěn)狀態(tài)下,輸入電功率與輻射能力(保安熱傳導耗散能量)保持平衡。燈泡消耗的熱能量與輸入電壓幅值,燈絲(熱)電阻都有關系。
小型白熾燈的亮度測試
下圖顯示了燈泡的光強信號(藍色)和施加電壓信號(橙色,經(jīng)過變壓器降壓耦合后的波形)。 可以看到白熾燈的光強變化的頻率是輸入交流電壓頻率的兩倍(100Hz)。
交流電與光強波形
由于燈絲的熱慣性,所以發(fā)射的光強是在一定范圍內(nèi)波動,波形呈現(xiàn)為正弦波。波動的范圍是光強平均值的50%左右。下面是具體的測量數(shù)據(jù)。
■ 亮度參數(shù)
● 頻率: 100Hz
● 均值:Mean:2.801,MIN=2.133, MAX=3.508, Max-Min=1.375
● 亮度變化率:
2.LED燈
下面是另外一個白色LED燈。外觀與一只白熾燈泡相類似,內(nèi)部包括有交流轉(zhuǎn)直流和LED驅(qū)動電路、LED燈盤封裝在一起。
LED燈
測量到的光強(藍色)信號基本上是恒定。不隨著交流電壓的變化而改變。我們知道 LED光強與流過的電流成正比 ,這類燈泡內(nèi)驅(qū)動 LED電路往往具有恒流功能 ,所以整體光強較為恒定。
交流電與光強曲線
為了提高效率,LED驅(qū)動電路采用PWM驅(qū)動。所以如果放大光強信號,可以看到LED燈光強呈現(xiàn)高頻波動的情況,頻率大約為10kHz。光強的變化頻率很高。遠遠超過人類能夠感知的頻域范圍。
LED燈亮度高頻波動
具體測量光強波動的范圍,大約是36%左右。
■ 亮度波動參數(shù)
● 平均值: mean=0.5648
● MIN=0.46575, MAX=0.672, MAX-MIN=0.20625
● 亮度波動:
3.小型日光燈
這是辦公室中另外一個小型日光燈。它的內(nèi)部安裝有電子鎮(zhèn)流器,所產(chǎn)生的高壓脈沖能夠激發(fā)日光燈管點亮。
小型日光燈的光強變化
下圖顯示了小型日光燈的亮度變化??梢钥吹剿牧炼茸兓群苄。l率是100Hz。從亮度曲線上來看基板上是全波整流,電容濾波之后帶動負載的電壓波形。
這說明在小型日光燈內(nèi)的電子鎮(zhèn)流器沒有對全波整流之后的直流電壓進行穩(wěn)壓,而且濾波電容的容值相對較小。
日光燈光強
下面是具體亮度變化數(shù)值。亮度變化幅值大約為21%左右。
● 平均值: mean=2.043
● MIN=1.805, MAX=2.242, MAX-MIN=0.4375
● 亮度波動:
4.普通日光燈
現(xiàn)在辦公室中還是用著普通的日光燈。這種光源在1934年被發(fā)明以來仍然被廣泛使用。
雖然燈管在屋頂,借助于長長的光導纖維很容易將燈光引入光強測量模塊。
普通的日光燈管
下圖顯示了普通的日光燈的光強隨著輸入電壓的變化的情況。和前面白熾燈相比,日光燈光強波動也是100Hz,但波動的波形不一樣。白熾燈由于是燈絲的熱慣性,所以光強波動呈現(xiàn)出正弦波動曲線。日光燈的光強實際上利用了熒光粉的余輝現(xiàn)象,光強并沒有隨著電壓降低下降到0。當電壓重新升高,所激發(fā)出的紫外線超過余輝強度后,光強立即上升,此時并沒有熱慣性,所以光強由弱變強非???。
普通日光燈光強變化
通過對光強數(shù)值分析,可以看到日光燈的光強變化范圍很大。光強變化與平均值相比接近90%!
日光燈光強變化這么大,為什么平時覺察不到呢?主要原因還是因為變化頻率(100Hz)超出了人眼感知的范圍)。不過據(jù)說某些人可以利用眼的余光能夠還是能夠感知到這100Hz的閃爍。
● 平均值: mean=0.4426
● MIN=0.2112, MAX=0.6019, MAX-MIN=0.3906
● 亮度波動:
5.小型鹵素燈泡
下面是在實驗臺上對于樣品拍照時補光用的小型鹵素燈泡,本質(zhì)上也是白熾燈,只是內(nèi)部增加了鹵素氣體來延長燈泡的使用壽命。
小型鹵素燈泡
下面是該燈泡強度變化(藍色),相比于前面白熾燈,它的光強變化更小。大約只有20%左右。
小型鹵素燈的亮度變化
● 平均值: mean=3.899
● MIN=3.485, MAX=4.329, MAX-MIN=0.844
● 亮度波動:
6.半波整流后的白熾燈
由于白熾燈消耗的電能與輸入電壓的平方成正比,所以它的亮度變化是輸入交流電頻率的兩倍。如果使用二極管將輸入交流電進行半波整流,那么燈泡的亮度變化就應該與輸入交流電的頻率一致了。
半波整流對白熾燈供電
下圖顯示了交流電經(jīng)過一支二極管之后施加在白熾燈上,燈泡亮度的變化。 亮度變化與輸入電壓的頻率一致,都是50Hz。同時亮度變化幅值也大大增加了,亮度變化之與平均值的比值達到了150%左右。
半波整流后的白熾燈亮度
● 平均值: mean=2.241
● MIN=1.0162, MAX=3.4912, MAX-MIN=3.375
● 亮度波動:
如果現(xiàn)場觀察經(jīng)過經(jīng)過半波整流后驅(qū)動的白熾燈,實際上是可以感知到它在閃爍的。
結論
通過簡單的SP-45ML光電二極管測量普通的燈具光強的亮度變化,可以看到有幾種不同的情況:
● 普通的白熾燈亮度會發(fā)生20% ~ 50% 的變化,變化曲線呈現(xiàn)正弦波動,頻率是100Hz。
● 普通的日光燈亮度變化有90%左右,呈現(xiàn)全波整流波形,頻率是100Hz.
● 帶有電子整流器的日光燈,亮度變化較小,大約20%,變化曲線呈現(xiàn)全波整流,電容濾波的波形。頻率是100Hz。
● 白色LED等,強度變化頻率大約是10kHz,亮度波動范圍35%。
在國內(nèi),交流電頻率為50Hz,普通燈具的光強頻率都會超過100Hz,人眼不會感知到燈光閃爍。
在有的時候,普通的日光燈如果一端的燈絲損耗較大,使得發(fā)射電子的能力遠遠低于另外一端,此時日光燈的就具有類似二極管整流的特性。此時燈光閃爍頻率就是50Hz。很多人就會感覺到燈光在閃爍。
如果你感覺到頭上的日光燈閃爍了,是時候該更換一只新的燈管了。
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