1 原理和目的
LED光源是一種低壓直流器件，因此，LED燈具需要有一個能將220 V交流電轉(zhuǎn)換成符合LED工作要求低壓直流的電源，但是舞臺和影視用的燈具又需要具有調(diào)光功能，因此，其電源更為復雜。目前演播室用LED燈具配置的電源裝置其主流模式是：
(1)前級采用普通脈沖寬度調(diào)制(PWM)的開關(guān)電源，作為低壓直流電源，開關(guān)頻率通常為幾十千赫茲。
(2)后級再以斬波方式，進行低頻脈沖寬度調(diào)制，用調(diào)節(jié)占空比的方式來調(diào)節(jié)燈具的亮度。這一部分電路通常為燈具廠自行開發(fā)，開關(guān)頻率各廠差異較大。通常為數(shù)百赫茲到幾十千赫茲不等。
在脈沖寬度調(diào)制的工作方式中，電源裝置對電流的斬波會產(chǎn)生高次諧波，其對劇場和演播室中的音、視頻系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)產(chǎn)生無線電騷擾，可能影響其他設備的正常工作。此外，由于電源裝置中的整流電路和電容濾波電路會使工頻電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生的低次諧波會對電網(wǎng)造成污染，影響其他電氣設備運行。
因此，需要對LED燈具進行一系列的測試：按國標GB17743-2007《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》進行測試，測量其無線電騷擾特性是否滿足該標準的要求;按國標GB 17625.1-2003 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流≤16A)》進行測試，測試其諧波電流是否滿足該標準的要求。
通過本課題的實驗和研究，了解LED燈具在演播室使用中可能產(chǎn)生電磁干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提出相應的解決措施。
2 實驗內(nèi)容和方法
2.1 實驗條件
本研究需要專業(yè)的各種電磁兼容測試設備，如電源分析儀、人工電源網(wǎng)絡、傳導測試接收機、輻射干擾接收機和三環(huán)天線等，有的測試還需要在電波暗室中進行，因此，必須委托經(jīng)國家相關(guān)部門批準的專業(yè)檢測機構(gòu)進行檢測。
2.2 試驗用燈具
試驗用燈具共有2類5個型號。每個型號1個燈具，共5個燈具。詳見表1。
表1 試驗用燈具類型和編號
2.3 實驗內(nèi)容
(1)按國標GB 17743-2007要求，找出調(diào)光過程中產(chǎn)生的最大騷擾點，測量該點的無線電騷擾值。
(2)按國標GB 17625.1-2003要求，將燈具在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，測試各級段的諧波分量。
2.4 實驗方法和步驟
先將待測的燈具老化100小時，待燈具的參數(shù)穩(wěn)定之后，再送檢。
2.4.1 無線電騷擾測試
2.4.1.1 傳導騷擾電壓測試
按國標GB 17743-2007的要求在燈具電源端和控制端進行測試。
(1)燈具電源端測試按以下5個頻段進行：9 kHz ～50 kHz;50 kHz ～ 150 kHz;150 kHz ～ 0.5 MHz;0.5 MHz～ 5.0 MHz;5.0 MHz ～ 30 MHz。
(2) 燈具控制端測試按以下2個頻段進行：150 kHz ～0.5 MHz;0.5 MHz ～ 30 MHz。
2.4.1.2 輻射電磁騷擾測試
按國標GB 17743-2007的要求進行測試。
按國標GB 17743-2007的要求進行測試。
(1)9 kHz ～ 30 MHz頻率范圍測試按以下4個頻段進行：9 kHz ～ 70 kHz;70 kHz ～ 150 kHz;150 kHz ～3.0 MHz;3.0 MHz ～ 30 MHz。圖1為其測試裝置示意圖。
圖1 9 kHz ～ 30 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測試裝置示意圖
(2) 在電波暗室中，對30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍測試按以下2個頻段進行：30 MHz ～ 230 MHz;230 MHz～ 300 MHz。圖2為30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測試裝置示意圖。
圖2 30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測試裝置示意圖
以上測試的無線電騷擾特性限值見GB 17743-2007。
2.4.2 諧波測試
按國標GB 17625.1-2003中對C類設備以及內(nèi)置調(diào)光器燈具的要求測試燈具的諧波分量，在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，測試諧波次數(shù)n的范圍為：
n = 2、3、5、7、9以及11 ≤ n ≤ 39(僅有奇次諧波)
圖3為諧波電流測試裝置示意圖。
圖3 諧波電流測試裝置示意圖
以上測試的諧波電流發(fā)射限值見GB 17625.1-2003。
3 實驗結(jié)果和分析
從本次研究的燈具樣本1# ～ 5#中挑選了1#、3#和4#燈具送北京市家用電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測，但各個燈具的測試結(jié)果不同程度地超過了標準規(guī)定的限值，為此，燈具廠對燈具進行了技術(shù)改進，改進后的1#燈具重新送檢，并通過了兩項標準的測試。
5#和2#燈具分別送廣州相關(guān)測試機構(gòu)檢測，均已通過兩項標準的測試。
以下是對其中3個燈具的主要測試參數(shù)進行分析。
3.1 1#燈具測試結(jié)果
3.1.1 無線電騷擾特性測量
(1)傳導騷擾電壓測試
A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)。參見圖4。
圖4 電源端9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)
B. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(平均值)。參見圖5。
圖5 電源端9 kHz ~ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(平均值)
(2)輻射電磁騷擾測試
A. 頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾根據(jù)GB 17743-2007，燈具應在三個互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測試，每一環(huán)形天線分別測試輻射電磁騷擾，圖6是其中水平環(huán)形天線測試的輻射電磁騷擾值。
圖6 水平環(huán)形天線測試的輻射電磁騷擾值
B. 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾本次測試是采用CDN法測試，限值應符合GB 17743-2007的相應要求，測試結(jié)果見圖7。
圖7 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)CDN法測試的輻射電磁騷擾
以上測試根據(jù)測試單位告知是在全功率的42%左右(控制數(shù)據(jù)為十六進制6C，最大值為FF)、無線電騷擾最大時的測試數(shù)據(jù)。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，1#燈具的電源端的傳導騷擾電壓和輻射電磁騷擾，達到GB 17743-2007的要求。
注：本次測試未對控制端的傳導騷擾電壓進行測試。
3.1.2 諧波電流測量
根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，測試單位僅提供20%和其他情況下干擾最大時的測試數(shù)據(jù)。
(1)在全功率的20%，即24 W左右時，測試數(shù)據(jù)見圖8。
圖8 在全功率的20%時的諧波電流
(2)除全功率的20%外，其他功率下諧波最大時的測試數(shù)據(jù)見圖9。
圖9 除全功率的20%外，其他功率下諧波最大情況的諧波電流
根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)， 1 # 燈具的諧波電流達到GB17625.1-2003的要求，在低功率(20%)時，雖有較大的偶次諧波，但GB 17625.1-2003對2次以外的偶次諧波無限定。
這也是造成電流波形畸變較大(見圖10)的原因，應引起重視。
圖10 1#燈具的電流波形
3.2 5#燈具測試結(jié)果
3.2.1 無線電騷擾特性測量
(1)傳導騷擾電壓測試。
A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)，參見圖11。
圖11 燈具電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)
B. 燈具的控制端頻率為150 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)。參見圖12。
圖12 燈具控制端頻率為150 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)
(2) 輻射電磁騷擾測試
A. 燈具在頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。
根據(jù)GB 17743-2007，燈具應在三個互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測試，每一環(huán)形天線分別測試輻射電磁騷擾，圖13是其中一個環(huán)形天線測試的輻射電磁騷擾值。
圖13 頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾
B. 燈具在頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。
由于電波暗室較小，無法按GB 17743-2007的測試要求在10 m距離進行測試，本次頻率為30 MHz ～ 300MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾的實際測試距離為3 m，根據(jù)國標GB 9254-2008 《信息技術(shù)設備的無線電騷擾限值和測量方法》的10.8，如在不同測試距離測試時，可根據(jù)下列公式換算：
L2=L1(d1/d2)。
L1——距離d1處規(guī)定的限值。
L2——距離d2時的新限值。
因此，將GB 17743-2007的限值換算成表2。天線垂直方向和水平方向的測試結(jié)果如圖14所示。
圖14 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾
表2 減少測試距離限值換算的結(jié)果
注：對于這種減少測試距離、限值換算的測試方式的準確度有不同的看法。一般在電波暗室不能滿足10m測試距離時可用CDN測試法，此測試法為GB 17743-2007所允許。
以上測試根據(jù)檢測單位告知是在全功率下進行的，全功率是該燈無線電騷擾最大狀態(tài)。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，5#燈具的電源端和控制端的傳導騷擾電壓及其輻射電磁騷擾，都達到國家標準GB 17743-2007的要求。檢測單位提供了該燈測試合格的正式測試報告。
3.2.2 諧波電流測量
根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量，以下是5種情況下的測試數(shù)據(jù)，參見圖15 ～圖19。
圖15 100%功率條件下測試各諧波分量
圖16 80%功率條件下測試各諧波分量
圖17 60%功率條件下測試各諧波分量
圖18 40%功率條件下測試各諧波分量
圖19 20%功率條件下測試各諧波分量
根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，5#燈具的諧波電流全部達到GB17625.1-2003的要求，在5種功率測試過程中11次諧波相對較大，但都在限值以下。且此燈電流波形畸變相對較小。參見圖20。
圖20 5#燈具的電流波形
3.3 3#燈具測試結(jié)果
3.3.1 無線電騷擾特性測量
燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)。參了圖21。
圖21 電源端頻率為9 kHz ～30 MHz范圍內(nèi)傳導騷擾電壓(準峰值)
從以上數(shù)據(jù)表明3#燈具在631.5 kHz和771 kHz處的騷擾電壓超過了GB 17743-2007的限值。
3.3.2 諧波電流測量
該燈在滿功率(50 W)的條件下進行了諧波測試，測試結(jié)果如表3。
表3 3#燈具在滿功率(50 W)條件下諧波測試的結(jié)果
從表3 中可知絕大多數(shù)的諧波電流都超過了GB17625.1-2003的規(guī)定，表中的“Fail”即表示不合格。此外，該燈的功率因數(shù)特別低，只有0.455。
注： 該燈僅在滿功率情況下測試， 未按G B17625.1-2003的要求在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，即沒有在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測試各諧波分量。
4 結(jié)論與建議
4.1 結(jié)論
LED燈具工作時會產(chǎn)生一定程度的無線電騷擾和諧波，但只要在燈具中配置電磁兼容性能優(yōu)質(zhì)的電源裝置，電磁干擾可以控制在標準許可的范圍內(nèi)，符合相關(guān)標準的燈具不會影響演播室和舞臺其他設備的正常工作。