【導讀】前兩天，看到頭條上有一個(gè)有趣的帖子，討論為什么普通燈泡里通有交流電，電流的大小方向時(shí)時(shí)刻刻都在改變，而我們看不到燈泡在閃爍？
這個(gè)問(wèn)題如果我再向自己已經(jīng)上大學(xué)的兒子提出，他會(huì )嘲笑這問(wèn)題太簡(jiǎn)單了。帖子的作者也大體羅列了兩個(gè)原因，使得人感覺(jué)不到燈泡在閃爍：
原因1：：燈泡的亮度變化（閃爍）的頻率應該和普通家用交流電的頻率（50Hz）相同，由于 人的視覺(jué)暫留 效應也不會(huì )覺(jué)察到燈泡的閃爍。
原因2： 燈泡（白熾燈）的燈絲具有熱慣性，雖然交流電的幅值變化所引起的電功率的波動(dòng)，但反映到燈絲溫度上就比較平滑，所以實(shí)際上波動(dòng)較小，人眼不易覺(jué)察。
視覺(jué)暫留效果
人類(lèi)感知燈光閃爍的能力與視覺(jué)暫留現象還不完全一致，人們對于燈光閃爍感知的頻率遠遠高于視覺(jué)暫留（大約1/15秒鐘左右）對應的頻率。為了消除閃爍影響，普通膠片電影播放機對每一幀圖片要閃爍兩次。
人眼不同部位對于閃爍感知能力也不同。視覺(jué)邊緣（人眼余光）部分能夠感知閃爍的頻率比人眼中心位置更高，因此由此側目能夠看到某些閃爍，當正眼看的時(shí)候就覺(jué)察不出來(lái)了。
由于視覺(jué)暫留涉及到人的感知能力，不太容易測量。但是對于普通的燈具發(fā)出的光強到底變化大多，變化的頻率有多少是可以通過(guò)光電傳感器測量的。
在 SP-45ML光電二極管放大電路及其動(dòng)態(tài)特性 中介紹了一個(gè)基于SP-45ML光電管的光強測量電路及其動(dòng)態(tài)特性，它的輸出電壓與輸入光強（光的能量）成線(xiàn)性關(guān)系。相應頻率大于25kHz，可以用來(lái)對于常見(jiàn)到的燈光的光強變化進(jìn)行的測量。
SP-45ML光電二極管放大模塊及其光導纖維
根據測量結果可以確定常見(jiàn)到的燈具：
● 光強變化大小到底是多少？
● 光強變化的頻率是到底多少？
01幾種電燈泡亮度測試
下面選擇辦公室里有的幾種燈泡，點(diǎn)亮后使用 光導纖維 將燈光引入 SP-45ML光電二極管放大模塊 。使用示波器觀(guān)察測量模塊輸出電壓波形，反映燈光強度的變化。
1.小型白熾燈
白熾燈是由電功率所產(chǎn)生的熱能使得燈泡內鎢絲達到高溫后發(fā)射出熱輻射。熱輻射的大小和頻譜與燈絲溫度有關(guān)系。在平穩狀態(tài)下，輸入電功率與輻射能力（保安熱傳導耗散能量）保持平衡。燈泡消耗的熱能量與輸入電壓幅值，燈絲（熱）電阻都有關(guān)系。
小型白熾燈的亮度測試
下圖顯示了燈泡的光強信號（藍色）和施加電壓信號（橙色，經(jīng)過(guò)變壓器降壓耦合后的波形）。 可以看到白熾燈的光強變化的頻率是輸入交流電壓頻率的兩倍（100Hz）。
交流電與光強波形
由于燈絲的熱慣性，所以發(fā)射的光強是在一定范圍內波動(dòng)，波形呈現為正弦波。波動(dòng)的范圍是光強平均值的50%左右。下面是具體的測量數據。
■ 亮度參數
● 頻率： 100Hz
● 均值：Mean:2.801，MIN=2.133, MAX=3.508, Max-Min=1.375
● 亮度變化率：
2.LED燈
下面是另外一個(gè)白色LED燈。外觀(guān)與一只白熾燈泡相類(lèi)似，內部包括有交流轉直流和LED驅動(dòng)電路、LED燈盤(pán)封裝在一起。
LED燈
測量到的光強（藍色）信號基本上是恒定。不隨著(zhù)交流電壓的變化而改變。我們知道 LED光強與流過(guò)的電流成正比 ，這類(lèi)燈泡內驅動(dòng) LED電路往往具有恒流功能 ，所以整體光強較為恒定。
交流電與光強曲線(xiàn)
為了提高效率，LED驅動(dòng)電路采用PWM驅動(dòng)。所以如果放大光強信號，可以看到LED燈光強呈現高頻波動(dòng)的情況，頻率大約為10kHz。光強的變化頻率很高。遠遠超過(guò)人類(lèi)能夠感知的頻域范圍。
LED燈亮度高頻波動(dòng)
具體測量光強波動(dòng)的范圍，大約是36%左右。
■ 亮度波動(dòng)參數
● 平均值： mean=0.5648
● MIN=0.46575, MAX=0.672, MAX-MIN=0.20625
● 亮度波動(dòng)：
3.小型日光燈
這是辦公室中另外一個(gè)小型日光燈。它的內部安裝有電子鎮流器，所產(chǎn)生的高壓脈沖能夠激發(fā)日光燈管點(diǎn)亮。
小型日光燈的光強變化
下圖顯示了小型日光燈的亮度變化?？梢钥吹剿牧炼茸兓群苄?，頻率是100Hz。從亮度曲線(xiàn)上來(lái)看基板上是全波整流，電容濾波之后帶動(dòng)負載的電壓波形。
這說(shuō)明在小型日光燈內的電子鎮流器沒(méi)有對全波整流之后的直流電壓進(jìn)行穩壓，而且濾波電容的容值相對較小。
日光燈光強
下面是具體亮度變化數值。亮度變化幅值大約為21%左右。
● 平均值： mean=2.043
● MIN=1.805, MAX=2.242, MAX-MIN=0.4375
● 亮度波動(dòng)：
4.普通日光燈
現在辦公室中還是用著(zhù)普通的日光燈。這種光源在1934年被發(fā)明以來(lái)仍然被廣泛使用。
雖然燈管在屋頂，借助于長(cháng)長(cháng)的光導纖維很容易將燈光引入光強測量模塊。
普通的日光燈管
下圖顯示了普通的日光燈的光強隨著(zhù)輸入電壓的變化的情況。和前面白熾燈相比，日光燈光強波動(dòng)也是100Hz，但波動(dòng)的波形不一樣。白熾燈由于是燈絲的熱慣性，所以光強波動(dòng)呈現出正弦波動(dòng)曲線(xiàn)。日光燈的光強實(shí)際上利用了熒光粉的余輝現象，光強并沒(méi)有隨著(zhù)電壓降低下降到0。當電壓重新升高，所激發(fā)出的紫外線(xiàn)超過(guò)余輝強度后，光強立即上升，此時(shí)并沒(méi)有熱慣性，所以光強由弱變強非?？?。
普通日光燈光強變化
通過(guò)對光強數值分析，可以看到日光燈的光強變化范圍很大。光強變化與平均值相比接近90%！
日光燈光強變化這么大，為什么平時(shí)覺(jué)察不到呢？主要原因還是因為變化頻率（100Hz）超出了人眼感知的范圍）。不過(guò)據說(shuō)某些人可以利用眼的余光能夠還是能夠感知到這100Hz的閃爍。
● 平均值： mean=0.4426
● MIN=0.2112, MAX=0.6019, MAX-MIN=0.3906
● 亮度波動(dòng)：
5.小型鹵素燈泡
下面是在實(shí)驗臺上對于樣品拍照時(shí)補光用的小型鹵素燈泡，本質(zhì)上也是白熾燈，只是內部增加了鹵素氣體來(lái)延長(cháng)燈泡的使用壽命。
小型鹵素燈泡
下面是該燈泡強度變化（藍色），相比于前面白熾燈，它的光強變化更小。大約只有20%左右。
小型鹵素燈的亮度變化
● 平均值： mean=3.899
● MIN=3.485, MAX=4.329, MAX-MIN=0.844
● 亮度波動(dòng)：
6.半波整流后的白熾燈
由于白熾燈消耗的電能與輸入電壓的平方成正比，所以它的亮度變化是輸入交流電頻率的兩倍。如果使用二極管將輸入交流電進(jìn)行半波整流，那么燈泡的亮度變化就應該與輸入交流電的頻率一致了。
半波整流對白熾燈供電
下圖顯示了交流電經(jīng)過(guò)一支二極管之后施加在白熾燈上，燈泡亮度的變化。 亮度變化與輸入電壓的頻率一致，都是50Hz。同時(shí)亮度變化幅值也大大增加了，亮度變化之與平均值的比值達到了150%左右。
半波整流后的白熾燈亮度
● 平均值： mean=2.241
● MIN=1.0162, MAX=3.4912, MAX-MIN=3.375
● 亮度波動(dòng)：
如果現場(chǎng)觀(guān)察經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)半波整流后驅動(dòng)的白熾燈，實(shí)際上是可以感知到它在閃爍的。
結論
通過(guò)簡(jiǎn)單的SP-45ML光電二極管測量普通的燈具光強的亮度變化，可以看到有幾種不同的情況：
● 普通的白熾燈亮度會(huì )發(fā)生20% ~ 50% 的變化，變化曲線(xiàn)呈現正弦波動(dòng)，頻率是100Hz。
● 普通的日光燈亮度變化有90%左右，呈現全波整流波形，頻率是100Hz.
● 帶有電子整流器的日光燈，亮度變化較小，大約20%，變化曲線(xiàn)呈現全波整流，電容濾波的波形。頻率是100Hz。
● 白色LED等，強度變化頻率大約是10kHz，亮度波動(dòng)范圍35%。
在國內，交流電頻率為50Hz，普通燈具的光強頻率都會(huì )超過(guò)100Hz，人眼不會(huì )感知到燈光閃爍。
在有的時(shí)候，普通的日光燈如果一端的燈絲損耗較大，使得發(fā)射電子的能力遠遠低于另外一端，此時(shí)日光燈的就具有類(lèi)似二極管整流的特性。此時(shí)燈光閃爍頻率就是50Hz。很多人就會(huì )感覺(jué)到燈光在閃爍。
如果你感覺(jué)到頭上的日光燈閃爍了，是時(shí)候該更換一只新的燈管了。
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