学习照明的频闪及其影响因素探讨

学习照明的频闪及其影响因素探讨

杨

光

230029）

（中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽合肥

摘要

由于电光源的固有特性，其光输出存在着一定的频闪。通过对常用电光源频闪情况的分析以及引起频闪的外界条件的研究，指出了造成电光源频闪的原因及其危害，提出了改进照明稳定性、降低频闪及提高照明效果的技术措施。

关键词

电光源

学习照明

光源频闪

原因

危害

改进措施

TheResearchonLearningLightingStrobeandItsInfluenceFactor

YangGuang

（TheNationalSynchrotronRadiationLaboratory，UniversityofScience

andTechnologyofChina，AnhuiHefei

230029）

Abstract：Duetotheintrinsiccharacteristicsofelectriclightsources，theirlightoutputarewithcertainstrobo.Aimingattheanalysisofcommonelectriclightsourcestroboscopicandcauseofstrobeexternalconditions，thepaperpointsoutthecausesofelectriclightsourcestrobeandthedamage，putsforwardthetechnicalmeasurestoimprovelightingstability，lowerstrobeandraiselightingeffect.

Keywords：electriclightsource；learninglighting；strobelightsource；cause；harm；improvingmeasures

起眼部光学系统损伤和视觉疲劳；对于不稳定的光线，学习时眼睛的瞳孔需要频繁调节，调节量大，容易

现代社会的快速发展，使得人的一生都需要不断学习。特别是广大的莘莘学子，几乎每天有近十个小时甚至十几个小时都处于繁重的学习之中。据报道，电光源的频闪是造成青少年眼部光学系统损伤、视力疲劳、近视加剧等诸多问题的主要原因之一讨和研究。1

学习对照明的要求研究

［5］

［1－4］

前言

引起眼部光学系统损伤和视觉疲劳。对于电光源来说，目前频闪深度小于5%的被认为是理想的照明光源。在稳定的光线下学习，能够保护视力并提高学习效率。2

学习照明常用电光源的频闪特性及其影响因素相关分析研究指出，学习时照明光线的稳定程度直接影响阅读的效能，并决定对眼睛的危害程度。目前，大部分电光源的工作频率为50Hz，还有相当一部分电光源的工作频率是几十千赫，但都存在着不同程度的光频闪问题。2.1

学习照明常用电光源的频闪特性

学习照明常用的电光源有白炽灯和荧光灯，本文

，为

此需要对照明光源的频闪及其所带来的危害进行探

指出，在学习的过程中，眼睛对照明光线

的要求是较为严格的，理想的光线是频闪度为0%、变化极其缓慢的自然光。对于稳定的照明光线，学习时眼睛的瞳孔调节相对固定，调节量很小，不容易引

主要分析这两类光源的频闪特性。为了能够较为准确地说明问题，下面给出的测试结果是在暗室中模拟学习照明的情况，即垂直于灯的水平桌面处的照度为300lx的条件下得出的。为此搭建了如图1的测试电路。该电路有同时进行平均光照度显示和波动曲线检测的功能。

图1光照及波动曲线测试原理

2.1.1白炽灯的频闪特性

白炽灯由于光效很低，正在被逐步淘汰，但是在某些特定场合还有它的用武之地。其应用的方式有两种：常规照明和采用相控晶闸管的调光照明，如：调光台灯、舞台演出灯。

（1）非调光白炽灯的频闪特性

白炽灯是采用电流的热效应来发光的，虽然发热的灯丝具有一定的热储存效应，但是由于其热容量很小，相对于交流50Hz市电的供电电压波动，其灯丝的温度波动仍较大，不足以补偿其所发光的波动。

图2给出了某国际著名品牌的25W白炽灯的光输出波动测试情况。从图中可以看到，白炽灯工作时光的波动是较大的。由于白炽灯为阻性负载，因此光输出也近似以交流正弦波的规律波动。经计算，其中心值光波动深度为42.1%，远远高于公认的低频闪

图225W非调光白炽灯的光波动曲线

期

光源的要求，长期连续使用将对视力有一定的伤害。

（2）可调光白炽灯的频闪特性

可调光白炽灯的应用较为广泛，大到影视舞台照明，小到家用台灯都有应用，而采用相控调光（晶闸管）是最常用的调光技术手段。采用相控调光后，灯的电压输入波形畸变严重，高次谐波成分大大增加，结果造成灯输出光的波动量加大，并且随着调光深度的不同而改变。图3～8分别给出了在同一坐标单位下、某国际著名品牌的25W白炽灯在照度为100～600lx时的光波动情况。由图8可见，当灯处于100%光输出时，光照度为600lx，光的波动深度为42.1%（最小值）；随着调光深度的增加，光的波动深度也在变大，但不是单一的增加，其中有反复，在200

lx（图4）附近，光的波动深度高达55.0%（最大值），到了100lx时反而变小。由此可见，白炽灯在调光状态下，其波动的深度很高，远远高于在非调光状态下的波动深度，对视力的伤害也更为严重。

图3调光白炽灯100lx照度时光波动曲线

图4调光白炽灯200lx照度时光波动曲线

杨光：学习照明的频闪及其影响因素探讨19

图5

调光白炽灯300lx照度时光波动曲线

图6调光白炽灯400lx照度时光波动曲线

图7

调光白炽灯500lx照度时光波动曲线

图8调光白炽灯600lx照度时光波动曲线

2.1.2电感型荧光灯的频闪特性

电感型荧光灯由于具有诸多突出的优点，因此应用极为广泛。从办公室、机关、学校、家庭，到商场、超市、公共建筑，无所不在。目前应用的主要产品有普通卤粉灯管和三基色灯管两大类。

（1）普通卤粉荧光灯

采用电感镇流器的普通卤粉荧光灯由于直接使用工频50Hz电源供电，灯在工作过程中每秒有100次的熄灭和重新点燃，因此交流供电的周期性变化导致灯的输出光呈现出同步的周期性变化，而荧光粉的

余辉效应较弱，对灯光输出的波动补偿效应较弱

［6，7］

。图9给出了某国际著名品牌18WT8电感荧

光灯在照度为300lx时的光波动情况。由于荧光灯的非线性特性，光输出近似于三角波，波动深度很大。经归纳计算，其中心值光波动深度为77.1%，远远高于公认的低频闪光源的要求，对视力具有较严重的伤害。

图9电感卤粉荧光灯光波动曲线

（2）三基色荧光灯

采用电感镇流器的三基色荧光灯虽然也直接使

用工频50Hz电源供电，且灯在工作过程中也有每秒100次的熄灭和重新点燃，但是由于三基色荧光粉的余辉效应较强，光输出的波长特性好，因此对灯光输出的波动补偿效应较强，相对来说具有较明显的改善。图10给出了某国际著名品牌18WT8三基色电感荧光灯在照度为300lx时的光波动情况。经归纳计算，其中心值光波动深度为67.2%。相对于图9的情况，三基色电感荧光灯虽然具有发光效率高、显色性好等优点，且光输出的波动深度有改善，但仍然很大，远远高于公认的低频闪光源的要求，对视力仍然具有较严重的伤害。2.1.3

电子型荧光灯的频闪特性

图10

电感三基色荧光灯光照波动曲线

电子型荧光灯相对于电感型荧光灯具有更多的突出优点，应用范围不断扩大。除了驱动原理与电感型不同外，目前主要是采用三基色灯管。

（1）普通型荧光灯的频闪特性

由于低压荧光灯的工作特性使然，将灯管的工作频率由几十赫兹的低频提高到几十千赫的高频，能够极大的改变灯的光输出特性

［8］

。在几十千赫高频交

流的驱动下，灯管光输出的闪动周期极大地缩短，荧光粉的余晖周期约在几毫秒，与灯的工作周期相适应，能够极大地补偿灯光输出的频闪效应。图11给出了上海某著名品牌的普通型荧光灯（26W紧凑型）在照度为300lx时的光波动情况。经过归纳计算，其中心值光照波动深度为14.8%，可以看到其光输出的波动远远小于白炽灯和电感型荧光灯，可以作为效果较好的学习照明光源。

图11

普通型电子荧光灯光照波动曲线

（2）护眼型荧光灯的频闪特性

上述的普通型荧光灯的工作频率约为20～30kHz，其输出的光波动仍然较大。护眼型荧光灯主要分为高频交流荧光灯和直流荧光灯两种，特别适合于学习任务繁重的青少年，除了具有高效、高显色性

外，其灯管的工作方式有较大的改变。高频交流荧光灯的工作频率至少在40kHz以上，灯管光输出波动的周期更短，三基色荧光粉的余辉效应大大增强，使光输出的波动有了极大的改善，波动深度接近3%～5%［9］；直流荧光灯由于流过灯管的电流为稳定的直流电，因此灯的发光就更为稳定，光输出的波动深度接近于0%，可以达到与自然光媲美的稳定照明效果

［10］

。

图12给出了深圳某著名品牌的护眼荧光灯（功

率18W，工作频率约为50kHz）在照度为300lx时的光波动情况。经过归纳计算，其中心值光照波动深度为8.5%，输出光的波动指标优于紧凑型节能荧光灯，可以作为使用效果良好的学习照明光源，对保护视力有益。

图12

电子护眼荧光灯光照波动曲线

2.2电光源频闪的影响因素2.2.1

灯管的供电方式

由上述分析可知，电光源的供电方式对其频闪有

着直接的影响。

（1）直流电源供电

采用稳定的直流电源、并配合特别设计的光源照明方案就可以获得极为稳定的光输出。这在许多对光输出要求高的场合都有应用，如：某些光学仪器的照明就是采用高精度稳压直流电源驱动特殊的白炽灯来获得高稳定度光输出。但是这种应用方式的成

本较高、效率较低，应用的范围也非常有限，因此不能作为常规的照明方式。直流荧光灯（如：护眼灯）由于流过灯管的电流为稳定的直流电，光输出的波动深度接近于0%，可以达到自然光的照明稳定性。

（2）交流电源供电

大范围常规应用的照明光源应该是采用市电供

杨光：学习照明的频闪及其影响因素探讨21

电。为了改善照明光源的频闪效应，可以采用对电源电压变化比较“迟钝”的光源，或者通过频率转换使灯工作在高频状态，从而获得稳定的光输出，使用的效果也较为理想，如：高频荧光灯、高频交流护眼灯等。2.2.2

电网的供电质量

市电交流电网的容量巨大、范围广泛，其中用户众多、用电设备特性多样以及用电情况复杂，往往使得供电质量不佳。交流电源供电的不稳定性将直接影响到灯光输出的稳定性。

（1）电压的稳定度［11］

电压的不稳定，诸如：电压瞬变、切痕、浪涌、雷击等将直接造成灯光输出的瞬变闪动，叠加在原有的光输出上，加剧了灯光输出的不稳定性。为此需要采取相应的措施来应对。

（2）电压谐波干扰

电网中用电设备的特性以及外界的干扰都会造成供电电压的高次谐波（含间谐波）含量增加。电网中谐波的干扰一方面会造成光源配件自身电损耗加剧、温升增高和电子元件提前老化失效；另一方面，也是最大的问题，谐波产生的附加光输出使得灯的光输出含有光跳变闪动，严重影响到灯的正常使用，应该引起足够的重视，积极加以有效地治理。

文献［12］中给出了对间谐波影响的荧光灯光输出的闪变研究。提出光通量的波动深度及频率和输入功率有线性相关性，间谐波的主要效应就是电压的闪变，进而引起荧光灯的光闪变。2.2.3

光源的工作频率

将电光源的工作频率由低频改为高频是提高照明效率、减小照明光源频闪的有效技术手段之一。通过上述相关章节的分析可知，当将光源常用的工作频率由50Hz工频改为几十千赫高频时，灯的各项指标都发生了明显的变化，特别是灯光输出的频闪问题得到了较为彻底的解决，可以获得良好的视觉感受和照明效果。3

降低频闪的技术方案

［13－15］

为了提供具有良好视觉感受的照明氛围，保护视力，提高学习效率，要求尽可能地减少照明光源的频闪，常用的技术方案如下：3.1

改进供电质量及供电方式

改进照明供电质量及供电方式是减少照明频闪的有效手段，特别是对于学校、办公室等需要长时间照明的场所。

在不改变已有光源配置的情况下，将大功率动力设备用电与照明用电分开，并通过采用照明专用变压器、配置照明稳压电源、对功率因数低的光源进行无功补偿、采取滤波器消除供电谐波、三相照明供电（同一房间内照明光源分相供电）等种种措施，能够有效地减少照明的频闪效应，提高照明效果。3.2

改进灯用材料及灯管结构

对低压荧光灯管的材料、结构等进行改进也可以有效地从源头上改善灯光的频闪效应。3.2.1

提高荧光粉的余辉时间

由实验可知，三基色稀土荧光粉的余辉时间和发光效率等明显高于卤粉，因此采用三基色稀土荧光粉可以大大降低灯的频闪效应。3.2.2

改进灯管结构

通过对比试验可以得出，在同样的工作频率下，细管径荧光灯的频闪度低于粗管径灯管；异形荧光灯（U型、H型等）的频闪度低于直管形。3.2.3

选用低频闪的填充气体

由于低原子量填充气体的频闪度低于高原子量的气体，因此可以选用如氦气、氖气等作为灯管的填充气体。3.3改进灯的工作状态

改进灯工作状况的途径主要有3种。

3.3.1

提高工作频率

将工作频率由低频50Hz（电感镇流器驱动）改为几十千赫的高频（电子镇流器驱动）。3.3.2

减小整流滤波直流输出的电压纹波

可通过加大电子镇流器电路中桥式整流滤波电容的容量来实现。提高整流后的直流电压稳定程度，减小灯电流的波峰比，或采用高性能的有源PFC电路等，都可以达到降低频闪的目的。图13、14所示为采用不同的滤波电容时，灯的光输出波动情况。对于采用电子镇流器的T8型36W荧光灯，当滤波电容由10μF/400V加大到20μF/400V时，灯的光输出波动深度由16.7%减小到14.0%。3.3.3

使用直流稳压电源供电

如上文所述，直流荧光灯（护眼灯）具有优良的照明效果。

期

参考文献

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图14使用20μF滤波电容的光波动曲线

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baidu.com/view/16563bb765ce05087632132a.

4结束语

电光源的频闪问题及其在学习照明中对视力的

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危害已是不争的事实，应当引起足够的重视，并加以有效改善。目前还有很多学校的教室采用电感镇流器T8型36W直管荧光灯，这种灯是常用照明光源中对学生的视力光波动最为强烈的灯（高达77.1%），

影响十分严重，为此迫切需要改用符合要求的低频闪甚至无频闪的照明光源。（上接第16页）

管脚温度同样升高2.0℃到52.0℃；在45.0℃环境温LED管脚温度将升高22.0℃，度时，达到72.0℃。

但是自然对流冷却的LED照明产品的热测试最2～5］好在无对流风的环境中进行，或者在文献［中描述的无对流风试验箱（自然对流试验箱、防风罩）内进行，以减小环境风速对其散热的影响。

由于任何结果都有产生的原因，所以分析原因是改善结果的根本途径。热量传递只有3种方式，理论上较为简单，但是3种传热方式交叉在一起，分析起来又有困难。借助热仿真软件，将以不同方式传递的热量分开来进行分析，是电子产品热分析的一个重要

方法，也是电子产品热仿真相对于热测试的一个很大优势。

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