有问有答:家里的灯为什么会闪烁?

2019-4-10 14:25  |  作者:陈铭统   |  关键字:有问有答,交流电,频闪,PWM,照明,LED

家庭照明光源往往伴随着闪烁,而造成闪烁的原因各有不同。白炽灯的闪烁单纯因为交流电的交变特性,荧光灯的闪烁有交流电本身和电子镇流器两种原因,而LED的闪烁跟使用了PWM调光电路有关。

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相信很多人曾经做过这样的事,在灯下挥动一根手指,有时候会看到好多个手指的影像,这说明灯在闪烁。很多人可能觉得这跟家庭照明电路使用交流电有关,不过事情并没有这么简单。闪烁的原因是多方面的,而交流电只是其中一个因素。

首先还是来说说交流电是怎么一回事,简便起见我们忽略发电站到家庭之间的变电设备。接入家庭的交流电网通常有一根零线和一根火线,零线与大地相接,电势为0,火线与发电站的发电机输出端相接。大多数发电机的发电原理都可以简化为线圈切割磁感应线产生动生电动势,因为切割的方向有来有回,所以产生的电动势也是来回震荡的,通常可以表示为一个余弦函数,这样零线与火线之间的电压也是呈余弦周期变化。以上知识相信大家还没还给中学老师。

输电电路示意图

不过就算使用了交流电,灯也不一定会闪烁,这跟灯的种类有关。现在家庭里常见的灯源有LED灯、荧光灯,和基本淘汰完的白炽灯。先说说原理最简单的白炽灯,它依靠电流通过灯丝发热产生高温后发出黑体辐射谱,其中可见光部分即被人眼所见。很多人印象中白炽灯不会闪烁,实际上仔细想想就能从原理上证明白炽灯必然是会闪烁的。因为通过灯丝的电流大小是时刻变化的,所以灯丝的温度也是时刻变化,从而发光强度也如此。

慢镜头下的白炽灯

中国所用的市电为50Hz,电流震荡的频率也是50Hz,而电流来回的方向对于白炽灯来说没有区别,因此很容易得出白炽灯的闪烁频率即电流大小的变化频率:100Hz。之所以白炽灯的闪烁很难察觉,有两方面原因,一是灯丝本身有热容,在电流较小时温度不会迅速下降,发光强度也不会降低太多,即灯泡的闪烁波动深度较小。二是人眼有视觉暂留现象,对光刺激有一定的后续拖尾效应,因此很难察觉到高频的闪烁。

荧光灯相对来说复杂一些,它依靠灯管内填充的水银蒸气在高压下击穿后发出紫外线,轰击灯管内壁的荧光粉产生可见光。具体工作原理这里不赘述,大家需要知道的是荧光灯里需要加装启辉器和镇流器,来提供击穿所需要的超高电压,以及稳定正常工作时的电流。

荧光灯的电路示意图

较老的电感式镇流器依赖于交流电本身的交变性质,每一个周期有两个电压峰值,因此闪烁的频率是交流电的两倍,即100Hz,闪烁比较明显。而现在大多数的荧光灯都用上了电子镇流器,它将交流电转化直流后,能按需输出任意的波形,因此能提高启动的成功率和速度,还能实现超高频的调制,减少闪烁感。由于荧光粉发光有余辉效应,高频调制下荧光灯的闪烁波动深度也非常小。

LED全称是发光二极管,一般需要接入直流电使用,只能单向导通。如果强行反向接入电源,如一般的二极管一样,低电压下不会导通,而电压太高会反向击穿。在接入交流转直流电源后,LED通常是完全无频闪的,不过实际应用中经常使用PWM来实现亮度控制。PWM简单来说就是快速开关电路,改变开关的时间间隔之比即可改变LED的视在亮度。不过由于LED基本没有余辉效应,波动深度几乎为100%,频率要非常高才能消除闪烁感。

PWM原理示意图

另一种对眼睛更加友好的调光方式就是所谓的DC调光,或恒流调光,它直接调整通过LED的电流大小来改变LED的发光强度,这样就避免了闪烁。相比PWM,这种调光方式电路会更加复杂,而且LED的发色特性跟亮度有关,不同亮度下色温会发生变化。

一个简单的判断灯源是否频闪的办法就是用手机摄像头对着灯光,如果取景框内看到条纹,说明灯源是频闪的,而且条纹越密,频闪频率越高。



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