LED电视普通照明灯具的电磁干扰问题研究.doc

LED电视普通照明灯具的电磁干扰问题研究近年来，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 17743-2007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。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。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 kHz 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 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。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。3.2.2 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，以下是5种情况下的测试数据，参见图15 图19。图15 100%功率条件下测试各谐波分量图16 80%功率条件下测试各谐波分量图17 60%功率条件下测试各谐波分量图18 40%功率条件下测试各谐波分量图19 20%功率条件下测试各谐波分量根据以上测试数据，5#灯具的谐波电流全部达到GB17625.1-2003的要求，在5种功率测试过程中11次谐波相对较大，但都在限值以下。且此灯电流波形畸变相对较小。参见图20。图20 5#灯具的电流波形3.3 3#灯具测试结果3.3.1 无线电骚扰特性测量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）。参了图21。图21 电源端频率为9 kHz 30 MHz范围内传导骚扰电压（准峰值）从以上数据表明3灯具在631.5 kHz和771 kHz处的骚扰电压超过了GB 17743-2007的限值。3.3.2 谐波电流测量该灯在满功率（50 W）的条件下进行了谐波测试，测试结果如表3。表3 3#灯具在满功率（50 W）条件下谐波测试的结果从表3 中可知绝大多数的谐波电流都超过了GB17625.1-2003的规定，表中的“Fail”即表示不合格。此外，该灯的功率因数特别低，只有0.455。注： 该灯仅在满功率情况下测试， 未按G B17625.1-2003的要求在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，即没有在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量。4 结论与建议4.1 结论LED灯具工作时会产生一定程度的无线电骚扰和谐波，但只要在灯具中配置电磁兼容性能优质的电源装置，电磁干扰可以控制在标准许可的范围内，符合相关标准的灯具不会影响演播室和舞台其他设备的正常工作。4.2 建议（1）电磁兼容的标准均属强制性标准，采购LED灯具时，应在电磁干扰方面严格把关，应要求供货方提供相关标准的测试合格报告。（2）即使是符合相关标准的LED灯具工作时也会产生一定程度的3次谐波，绝对值虽