直流無(wú)頻閃熒光燈的研究（復(fù)旦大學(xué)電子工程系）

1、直流無(wú)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(wú)頻閃熒光燈的研究成果。通過(guò)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(duì)于普通的交流熒光燈，直流熒光燈具有無(wú)頻閃，無(wú)電磁輻射，壽命長(zhǎng)，發(fā)光效率高的特點(diǎn)，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1.1熒光燈現(xiàn)狀 電感鎮(zhèn)流器熒光燈是交流電通過(guò)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(duì)視力影響很大，會(huì)使高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體誤看成慢轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，球場(chǎng)上飛行的

2、球誤看成是斷續(xù)的等。特別是對(duì)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(guò)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(méi)有消除頻閃，由于它的高頻振蕩，會(huì)產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾。1.2燈光頻閃對(duì)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(jué)系統(tǒng)需要不斷地調(diào)節(jié)眼球瞳孔的大小來(lái)保證視網(wǎng)膜光照度的穩(wěn)定性和

3、成像的清晰度，這樣，長(zhǎng)時(shí)間在這 種環(huán)境下工作，必將使瞳孔括約肌因過(guò)度使用而疲勞，從而對(duì)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(dòng)。在這種視覺(jué)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(dòng)在空間和時(shí)間上的動(dòng)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(dòng)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(duì)視網(wǎng)膜造成損傷。另外，光強(qiáng)閃爍還干擾視覺(jué)中樞對(duì)圖象的處理和綜合分析，從而形成眩目和視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)等現(xiàn)象?？傊谟蓄l閃光源下

4、工作，輕者產(chǎn)生眼疲勞，酸痛，重則造成視覺(jué)系統(tǒng)的損傷。1.3無(wú)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(wèn)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(wèn)題，提出了無(wú)頻閃節(jié)能熒光燈的研究問(wèn)題。 要使熒光燈無(wú)頻閃，通過(guò)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(guò)燈管的電流越大，燈管的電阻就會(huì)變得越小，要使熒光燈管的電流穩(wěn)定并不容易，要做到無(wú)頻閃就更難。 半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)專家和技術(shù)人員始終無(wú)法解決直流熒光燈的兩個(gè)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(wèn)題和是否做到無(wú)頻閃；2、

5、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(lái)穩(wěn)定燈管電流，但電阻熱量太大，散熱成問(wèn)題，浪費(fèi)電能太多。為了解決大功率電阻的散熱問(wèn)題，有人用2米長(zhǎng)的電阻絲，外面套上塑料管，代替大功率電阻解決散熱問(wèn)題；也有人用白熾燈泡來(lái)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(wèn)題和做到無(wú)頻閃，原因是無(wú)論用大功率電阻、電阻絲或白熾燈泡來(lái)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(shí)后會(huì)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”（device for periodically alternating

6、 bulb polarities of a dc fluorescent lighting system）1。這樣成本高，改變燈管極性時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍，周期性改變燈管極性就會(huì)產(chǎn)生頻閃，對(duì)人的視力是不利的，雖在美國(guó)申請(qǐng)專利，但未見有產(chǎn)品在市場(chǎng)銷售。什么叫無(wú)頻閃？原來(lái)在世界上是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的，我們首先提出了無(wú)頻閃的標(biāo)準(zhǔn)：光源閃爍的波動(dòng)深度5% 2 mn計(jì)算公式： h = *100% （1） mh為波動(dòng)深度，m為閃爍波峰值，n為閃爍波谷值。有些測(cè)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(dòng)深度0.2%的要求，我們正在努力研究。2、研究?jī)?nèi)容無(wú)頻閃直流熒光燈通過(guò)燈管的電流由原來(lái)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?/p>

7、平穩(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(wú)頻閃和低電壓?jiǎn)⑤x的無(wú)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(gè)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?jiǎn)⑤x電路（見圖1），實(shí)現(xiàn)對(duì)燈管電極的高壓?jiǎn)⑤x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(wú)頻閃。研制了直流熒光燈管，通過(guò)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(wèn)題。燈絲預(yù)熱高壓?jiǎn)⑤x電路降壓電路直流熒光燈管晶體管穩(wěn)流電路橋式整

8、流濾波電路220v交流電圖1.直流熒光燈工作原理圖我們?cè)O(shè)計(jì)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(huì)發(fā)黑。同時(shí)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(dòng)態(tài)平衡而不出現(xiàn)正極暗區(qū)，因而無(wú)需極性開關(guān)改變燈管的極性，是名符其實(shí)的直流燈管。直流無(wú)頻閃熒光燈于1988年申請(qǐng)實(shí)用新型專利，1989年授予專利權(quán)，專利號(hào)：88217533.5；經(jīng)改進(jìn)后，于1993年申請(qǐng)發(fā)明專利，1996年被授予專利權(quán)，專利號(hào)：zl 93112478.63。進(jìn)一步改進(jìn)后，向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織國(guó)際局提出了“無(wú)頻閃直流熒光燈”的國(guó)際申請(qǐng)，國(guó)際公布號(hào)：wo 01/27522 a1，20

9、01年4月，通過(guò)pct審查后，又通過(guò)國(guó)家知識(shí)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(hào)：zl99808297.x。圖2.頻閃測(cè)試接線圖ubb=9v rl=1m 光敏二極管型號(hào)：2cu2a3、結(jié)果3.1頻閃用光敏二極管接示波器對(duì)4種燈頻閃的頻率和波動(dòng)深度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1、表1. 頻閃的頻率和波動(dòng)深度序號(hào)名稱頻率（hz）波動(dòng)深度（%）1電感鎮(zhèn)流器熒光燈100852高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈（進(jìn)口）1006032k113白熾燈100254無(wú)頻閃直流熒光燈00用光敏二極管接數(shù)字示波器對(duì)幾種燈頻閃的波動(dòng)深度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2：表2. 幾種不同熒光燈頻閃波動(dòng)深度比較表圖3.幾種不同光源下

10、光敏二極管接示波器波形對(duì)比圖（頻閃）：序號(hào)名稱最大值（mv）最小值（mv）去除環(huán)境因素波動(dòng)深度（%）最大值（mv）最小值（mv）0環(huán)境（暗室）15.1895-10.84851電感鎮(zhèn)流器熒光燈787.40097.2035772.2105108.05286.012白熾燈5885.444630.545870.25054641.388520.933高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈（進(jìn)口）2340.34740.3412325.1505751.189567.694高頻電子鎮(zhèn)流器熒光臺(tái)燈（進(jìn)口）251.510168.680236.3205179.528524.035高頻電子鎮(zhèn)流器熒光臺(tái)燈（進(jìn)口）1600.001458.

11、821584.81051469.66857.276直流熒光臺(tái)燈345.047307.400329.8575318.24853.52a b c d ea: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:直流熒光燈圖3幾種不同光源下光敏二極管接示波器頻閃波形對(duì)比圖，該圖為計(jì)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(dòng)深度不同，電感鎮(zhèn)流器熒光燈頻閃波動(dòng)深度最大，達(dá)85%86.01%，高頻電子鎮(zhèn)流器熒光燈其次，60%67.69%，通常人們認(rèn)為無(wú)頻閃的白熾燈波動(dòng)深度較小，但同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)頻閃指標(biāo)5%，達(dá)20.93%25%，高頻電子鎮(zhèn)流器臺(tái)燈較好，在7.27%

12、24.03%之間也未達(dá)到無(wú)頻閃的指標(biāo)。所測(cè)試的幾種熒光燈，唯有直流熒光臺(tái)燈達(dá)到無(wú)頻閃的標(biāo)準(zhǔn)，波動(dòng)深度僅0%3.52%。3.2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(cè)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(cè) 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)36w43.60240855.230直流36w42.60257060.338.45基準(zhǔn)13w18.4487947.670直流13w13.9677755.6614.36基準(zhǔn)11w14.8076151.420直流11w13.6079058.0911.48電感8w11.4033129.

13、040直流8w9.2035038.0423.66白熾燈60.062710.450直流11w13.6079058.0982.01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(wú)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8.45%23.66%，和白熾燈相比節(jié)電82.01%。3.3電磁輻射直流熒光燈無(wú)高頻振蕩，因而無(wú)電磁輻射。3.4、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(hào)1、3、5配直流電子鎮(zhèn)流器，序號(hào)2、4、6配普通鎮(zhèn)流器，燈具相同，燃點(diǎn)100小時(shí)作為0小時(shí)，然后用時(shí)間斷路器開2小時(shí)45分

14、鐘后關(guān)15分鐘，再開2小時(shí)45分鐘，如此反復(fù)開關(guān)，再把各個(gè)2小時(shí)45分鐘加起來(lái)，滿200小時(shí)測(cè)一次，到1000小時(shí)為止。測(cè)試的交流供電控制電壓為220v，測(cè)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(diǎn)時(shí)間1000小時(shí)）序號(hào)系統(tǒng)功率（w）總光通量（lm）系統(tǒng)光效(lm/w)光效衰減（%）備 注142.40195146.0110.00直流鎮(zhèn)流器247.00206343.0114.16普通鎮(zhèn)流器343.40203843.8910.14直流鎮(zhèn)流器446.60.213745.8611.24普通鎮(zhèn)流器543.20209748.548.59直流鎮(zhèn)流器648.00209843.7113.99

15、普通鎮(zhèn)流器表5.兩種熒光燈系統(tǒng)光效平均值比較（%）系統(tǒng)光效的平均值（%）0小時(shí)200小時(shí)400小時(shí)600小時(shí)800小時(shí)1000小時(shí)直流鎮(zhèn)流器10097.7595.0293.2191.8290.42普通鎮(zhèn)流器10096.1392.0789.1488.4786.87取平均值經(jīng)計(jì)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(diǎn)1000小時(shí)的衰減量介于普通鎮(zhèn)流器400小時(shí)與600小時(shí)之間，與燃點(diǎn)500小時(shí)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(jì)算

16、機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)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(jì)算機(jī)控制。4、 討論4.1直流無(wú)頻閃熒光燈的兩個(gè)最顯著的優(yōu)點(diǎn)4.1.1具有明顯的減輕眼疲勞的功效經(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(jué)實(shí)驗(yàn)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(wú)頻閃熒光臺(tái)燈閱讀與使用市場(chǎng)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(jué)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(duì)比視力、空間頻率在高頻段的對(duì)比敏感度影響較??；明視持久度變化小，視覺(jué)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)時(shí)間短。表明直流無(wú)頻閃熒光臺(tái)燈對(duì)保護(hù)人

17、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(yàn)，中華醫(yī)學(xué)會(huì)眼科分會(huì)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(duì)比敏感度優(yōu)于普通交流燈，有助于減輕視疲勞。4.1.2無(wú)高頻振蕩無(wú)高頻振蕩，所以不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射和污染,避免了電磁輻射對(duì)人腦的影響。目前市場(chǎng)上的高頻熒光燈的頻率在3060khz之間，這種電磁輻射對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的影響雖無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)論證，但因臺(tái)燈功率大（超過(guò)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(shí)間常在數(shù)小時(shí)之上，如此大功率長(zhǎng)時(shí)間的輻射對(duì)人體的影響必須作深入的研究。4.2還需要深入研究的問(wèn)題是進(jìn)一步提高功率因素和減小三次諧波。 參考文獻(xiàn)1 united states paten. patent number: 5,072,160 date of patent dec.10, 19912 b3122(2000)2187上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)