LED電視普通照明燈具的電磁干擾問題研究.docVIP

LED電視普通照明燈具的電磁干擾問題研究近年來，大功率LED照明技術快速發(fā)展，由于LED光源具有節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，符合“節(jié)能減排”、“低碳經濟”的理念和世界發(fā)展的大趨勢，因此，在各個照明領域都得到廣泛的重視和應用。在舞臺和影視照明方面，更由于LED燈具能應用色彩加法原理無光損地獲得各種色彩、調光性能好、能瞬間啟動等優(yōu)點倍受青睞。中央電視臺在新臺址的建設中希望其演播室能推廣應用LED照明，特組織了各方面的專家，于2009年12月成立了LED照明燈具在電視演播室應用研究課題組，對LED燈具在演播室應用進行全方位的研究，為LED燈具在電視臺演播室全面推廣提供科學依據(jù)。筆者有幸參加了課題組，并承擔了LED燈具對演播室電磁干擾方面的研究工作，本文是在該課題研究的基礎上寫成的。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制（PWM）的開關電源，作為低壓直流電源，開關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制，用調節(jié)占空比的方式來調節(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。在脈沖寬度調制的工作方式中，電源裝置對電流的斬波會產生高次諧波，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，產生的低次諧波會對電網造成污染，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生電磁干擾的相關數(shù)據(jù)，并提出相應的解決措施。2 實驗內容和方法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，必須委托經國家相關部門批準的專業(yè)檢測機構進行檢測。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 實驗內容（1）按國標GB 17743-2007要求，找出調光過程中產生的最大騷擾點，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類設備以及內置調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量監(jiān)督檢驗站檢測，但各個燈具的測試結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測試機構檢測，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，測試結果見圖7。圖7 頻率為30 MHz 300 MHz范圍內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范圍內輻射電磁騷擾B. 燈具在頻率為30 MHz 300 MHz范圍內輻射電磁騷擾。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：L2L1（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果。圖14 頻率為30 MHz 300 MHz范圍內輻射電磁騷擾表2 減少測試距離限值換算的結果注：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，測試結果如表3。表3 3#燈具在滿功率（50 W）條件下諧波測試的結果從表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 結論與建議4.1 結論LED燈具工作時會產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)質的電源裝置，電磁干擾可以控制在標準許可的范圍內，符合相關標準的燈具不會影響演播室和舞臺其他設備的正常工作。4.2 建議（1）電磁兼容的標準均屬強制性標準，采購LED燈具時，應在電磁干擾方面嚴格把關，應要求供貨方提供相關標準的測試合格報告。（2）即使是符合相關標準的LED燈具工作時也會產生一定程度的3次諧波，絕對值雖