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1、LED灯具的抗电磁干扰设计近年来,大功率LED照明技术快速发展,由于LED光源具有节能环保、寿命长等优点,符合“节能减排”、“低碳经济”的理念和世界发展的大趋势,因此,在各个照明领域都得到广泛的重视和应用。在舞台和影视照明方面,更由于LED灯具能应用色彩加法原理无光损地获得各种色彩、调光性能好、能瞬间启动等优点倍受青睐。中央电视台在新台址的建设中希望其演播室能推广应用LED照明,特组织了各方面的专家,于2009年12月成立了LED照明灯具在电视演播室应用研究课题组,对LED灯具在演播室应用进行全方位的研究,为LED灯具在电视台演播室全面推广提供科学依据。笔者有幸参加了课题组,并承担了LED灯具
2、对演播室电磁干扰方面的研究工作,本文是在该课题研究的基础上写成的。1 原理和目的LED光源是一种低压直流器件,因此,LED灯具需要有一个能将220 V交流电转换成符合LED工作要求低压直流的电源,但是舞台和影视用的灯具又需要具有调光功能,因此,其电源更为复杂。目前演播室用LED灯具配置的电源装置其主流模式是:(1)前级采用普通脉冲宽度调制(PWM)的开关电源,作为低压直流电源,开关频率通常为几十千赫兹。(2)后级再以斩波方式,进行低频脉冲宽度调制,用调节占空比的方式来调节灯具的亮度。这一部分电路通常为灯具厂自行开发,开关频率各厂差异较大。通常为数百赫兹到几十千赫兹不等。在脉冲宽度调制的工作方式
3、中,电源装置对电流的斩波会产生高次谐波,其对剧场和演播室中的音、视频系统和其他弱电系统产生无线电骚扰,可能影响其他设备的正常工作。此外,由于电源装置中的整流电路和电容滤波电路会使工频电流发生畸变,产生的低次谐波会对电网造成污染,影响其他电气设备运行。因此,需要对LED灯具进行一系列的测试:按国标GB17743-2007电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法进行测试,测量其无线电骚扰特性是否满足该标准的要求;按国标GB 17625.1-2003 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流16A)进行测试,测试其谐波电流是否满足该标准的要求。通过本课题的实验和研究,了解LED灯
4、具在演播室使用中可能产生电磁干扰的相关数据,并提出相应的解决措施。2 实验内容和方法2.1 实验条件本研究需要专业的各种电磁兼容测试设备,如电源分析仪、人工电源网络、传导测试接收机、辐射干扰接收机和三环天线等,有的测试还需要在电波暗室中进行,因此,必须委托经国家相关部门批准的专业检测机构进行检测。2.2 试验用灯具试验用灯具共有2类5个型号。每个型号1个灯具,共5个灯具。详见表1。表1 试验用灯具类型和编号2.3 实验内容(1)按国标GB 17743-2007要求,找出调光过程中产生的最大骚扰点,测量该点的无线电骚扰值。(2)按国标GB 17625.1-2003要求,将灯具在最小功率和最大功率
5、之间分为5个相等的级段,测试各级段的谐波分量。2.4 实验方法和步骤先将待测的灯具老化100小时,待灯具的参数稳定之后,再送检。2.4.1 无线电骚扰测试2.4.1.1 传导骚扰电压测试按国标GB 17743-2007的要求在灯具电源端和控制端进行测试。(1)灯具电源端测试按以下5个频段进行: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) 灯具控制端测试按以下2个频段进行:150 kHz 0.5 MHz;0.5 MHz 30 MHz。2.4.1.2 辐射电磁骚扰测试按国标GB 1774
6、3-2007的要求进行测试。按国标GB 17743-2007的要求进行测试。(1)9 kHz 30 MHz频率范围测试按以下4个频段进行:9 kHz 70 kHz;70 kHz 150 kHz;150 kHz 3.0 MHz;3.0 MHz 30 MHz。图1为其测试装置示意图。图1 9 kHz 30 MHz频率范围辐射电磁骚扰测试装置示意图(2) 在电波暗室中,对30 MHz 300 MHz频率范围测试按以下2个频段进行:30 MHz 230 MHz;230 MHz 300 MHz。图2为30 MHz 300 MHz频率范围辐射电磁骚扰测试装置示意图。图2 30 MHz 300 MHz频率范
7、围辐射电磁骚扰测试装置示意图以上测试的无线电骚扰特性限值见GB 17743-2007。2.4.2 谐波测试按国标GB 17625.1-2003中对C类设备以及内置调光器灯具的要求测试灯具的谐波分量,在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段,即在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量,测试谐波次数n的范围为:n = 2、3、5、7、9以及11 n 39(仅有奇次谐波)图3为谐波电流测试装置示意图。图3 谐波电流测试装置示意图以上测试的谐波电流发射限值见GB 17625.1-2003。3 实验结果和分析从本次研究的灯具样本1# 5#中挑选了1#、3#和4#灯具送北京市家
8、用电器质量监督检验站检测,但各个灯具的测试结果不同程度地超过了标准规定的限值,为此,灯具厂对灯具进行了技术改进,改进后的1#灯具重新送检,并通过了两项标准的测试。以下是对其中3个灯具的主要测试参数进行分析。3.1 1#灯具测试结果3.1.1 无线电骚扰特性测量(1)传导骚扰电压测试A. 灯具的电源端频率为9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)。参见图4。图4 电源端9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)B. 灯具的电源端频率为9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(平均值)。参见图5。图5 电源端9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(平均值)(2)辐射电磁
9、骚扰测试A. 频率为9 kHz 30 MHz范围内辐射电磁骚扰根据GB 17743-2007,灯具应在三个互相正交的环形天线系统中测试,每一环形天线分别测试辐射电磁骚扰,图6是其中水平环形天线测试的辐射电磁骚扰值。图6 水平环形天线测试的辐射电磁骚扰值B. 频率为30 MHz 300 MHz范围内辐射电磁骚扰本次测试是采用CDN法测试,限值应符合GB 17743-2007的相应要求,测试结果见图7。图7 频率为30 MHz 300 MHz范围内CDN法测试的辐射电磁骚扰以上测试根据测试单位告知是在全功率的42%左右(控制数据为十六进制6C,最大值为FF)、无线电骚扰最大时的测试数据。根据上述测
10、试数据,1#灯具的电源端的传导骚扰电压和辐射电磁骚扰,达到GB 17743-2007的要求。注:本次测试未对控制端的传导骚扰电压进行测试。3.1.2 谐波电流测量根据GB 17625.1-2003的要求应在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段,即在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量,测试单位仅提供20%和其他情况下干扰最大时的测试数据。(1)在全功率的20%,即24 W左右时,测试数据见图8。图8 在全功率的20%时的谐波电流(2)除全功率的20%外,其他功率下谐波最大时的测试数据见图9。图9 除全功率的20%外,其他功率下谐波最大情况的谐波电流根据以上测试数
11、据, 1 # 灯具的谐波电流达到GB17625.1-2003的要求,在低功率(20%)时,虽有较大的偶次谐波,但GB 17625.1-2003对2次以外的偶次谐波无限定。这也是造成电流波形畸变较大(见图10)的原因,应引起重视。图10 1#灯具的电流波形5#和2#灯具分别送广州相关测试机构检测,均已通过两项标准的测试。3.2 5#灯具测试结果3.2.1 无线电骚扰特性测量(1)传导骚扰电压测试。A. 灯具的电源端频率为9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值),参见图11。图11 灯具电源端频率为9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)B. 灯具的控制端频率为150 kH
12、z 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)。参见图12。图12 灯具控制端频率为150 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)(2) 辐射电磁骚扰测试A. 灯具在频率为9 kHz 30 MHz范围内辐射电磁骚扰。根据GB 17743-2007,灯具应在三个互相正交的环形天线系统中测试,每一环形天线分别测试辐射电磁骚扰,图13是其中一个环形天线测试的辐射电磁骚扰值。图13 频率为9 kHz 30 MHz范围内辐射电磁骚扰B. 灯具在频率为30 MHz 300 MHz范围内辐射电磁骚扰。由于电波暗室较小,无法按GB 17743-2007的测试要求在10 m距离进行测试,本次频率为30
13、MHz 300MHz范围内辐射电磁骚扰的实际测试距离为3 m,根据国标GB 9254-2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法的10.8,如在不同测试距离测试时,可根据下列公式换算:L2L1(d1/d2)。L1距离d1处规定的限值。L2距离d2时的新限值。因此,将GB 17743-2007的限值换算成表2。天线垂直方向和水平方向的测试结果如图14所示。图14 频率为30 MHz 300 MHz范围内辐射电磁骚扰表2 减少测试距离限值换算的结果注:对于这种减少测试距离、限值换算的测试方式的准确度有不同的看法。一般在电波暗室不能满足10m测试距离时可用CDN测试法,此测试法为GB 17743-2007所允许。以上测试根据检测单位告知是在全功率下进行的,全功率是该灯无线电骚扰最大状态。根据上述测试数据,5#灯具的电源端和控制端的传导骚扰电压及其辐射电磁骚扰,都达到国家标准GB 17743-2007的要求。检测单位提供了该灯测试合格的正式测试报告。
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