荧光灯（含CFL节能灯）均存在不同程度的频闪
2007-07-24
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摘要： 荧光灯（含CFL节能灯）均存在不同程度的频闪
摘 要：荧光灯（含CFL节能灯）均存在不同程度的频闪，客观上长期危害人的健康和损害人的视觉系统，而解决和降低办公场地、工厂企业、教学科研、生活居住等环境大面积照明时荧光灯频闪效应的有效和重要的途径之一是采用符合电磁兼容（EMC）标准要求的电子镇流器，并同时大幅提高电子镇流器的工作频率（≥40KHz）。
本文就此作了较详细的阐述。
关键词：频闪、视觉系统、健康、波动深度、振荡频率、电磁兼容（EMC）、谐波滤波电路、灯电流波峰比（CCF）、标准
Abstract：The frequency flicker is existed more or less when Fluorescent Lamps (Inclouding Compact Fluorescent Lamps)are served. No doubt it will be harmful to the heath of people, especially to harm the vision system. One of the effective and important solutions to reduce the frequency-flicker Effection of fluorescent lamps at large area lighting is to use the electronic ballast which meet the EMC standards, and to raise greatly the operative frequency of electronic ballast(＞40KHz).
Key words：Frequency Flicker, Vision system, Health, Depth of wave, Oscillating frequency, EMC, CCF, Standards
1、前言
荧光灯与白炽灯及其它光源相比发光效率高、光线柔和、红外及紫外辐射低、平均寿命长，特别是采用电子镇流器后更能大幅节能，因而被视为一种理想的照明光源，但荧光灯在交流电源下工作时，由于交流电在单位时间内存在一个由强到弱，或由弱到强的周期性变换过程，从而导致荧光灯出现同等频率的闪烁现象，简称为频闪，虽有荧光粉的余辉效应和人眼的视觉暂留作用，人们感觉不到这种光的波动（当波动深度小于60%时），但这种频闪现象却是客观存在并长期潜移默化地危害人们健康和损害人视觉系统的，根据国际最新照明、医疗、保健、环境等多学科的研究结果，英国剑桥大学医学研究中心的阿诺德·威尔金（A·Waling）博士和国际照明委员会维也纳总部J·斯切德（J·Schanda）教授指出："目前广泛使用的荧光灯是引起偏头痛的主要原因，虽然人们看不见光源的闪烁，但这种确实存在的闪烁，不断地影响我们的眼睛和视觉神经系统，因此我们的教学、办公、生产、生活等环境都应高度重视这种闪烁频率和拍频频率所导致的照明光污。欧洲照明委员会（European Commission）为此专门发布了90/270/EC指南，强调解决和降低荧光灯的频闪效应。
我们实际工作、学习和生活照明环境中的大量事实均佐证了国际多学科研究结论的正确性：当用荧光灯照射运动（转动）物体时，它将使人产生物体慢动（慢转）、停动（停转）甚至倒动（倒转）的错觉，其结果是造成人们的误判，从而引发人身伤害事故；另外相当多的青少年，特别是农村青少年原来并不近视，但自从进入中学或高等院校后，视力普遍下降，近视眼急剧增加并伴随有头昏、头痛、恶心等症状，通常的解释是功课紧张，学习压力大，姿势不端正，营养不良、光照度不够等理由，但一个不争的事实是，在社会经济相对贫穷的年代，学校教室白天大多为自然采光，阴雨天和早晚至多也只是开几支白炽灯，晚上在家则更是共用昏暗的白炽灯甚至是煤油灯，就是在这种恶劣条件下广大青少年仍然是奋力攻读，近视者并不太多，相反在经济条件改善，学校和家庭普遍用上日光灯后，近视患者反而呈直线上升，并伴随一些莫名其妙的头昏、视觉病症，这种种现象难道不足以引起人们，特别是医疗保健、照明设计和环境保护专家高度重视和反思吗？
基于多方面原因和试验条件限制，现行国内照明设计专著和照明标准对于频闪效应和电磁干扰对人和环境的危害性极少在多学科中进行深层次的探讨和研究，至于相关联的照明电器，特别是荧光灯电子镇流器无论是IEC标准还是国家标准均无严格的限定，在奉行"科技以人为本"和推行"绿色照明工程"的今天，这不能不令人深感遗憾。
本文拟就荧光灯频闪效应、定性测量、改进措施及其电子镇流器的对应设计进行简单论述和探讨，期望引起各方面专家、标准制订者、科研人员、生产厂家和应用设计人员的重视和磋商。
2、频闪效应
2.1、定义
电光源的光通量（φ）随交流电源电压的周期性交变而变化，且使人眼产生视觉疲劳或视觉错误的现象称为频闪效应，通常用波动深度（δ）来度量。
2.2、光通量波动深度的表达式
δ=(φmax·φmin/2φav)×100%
式中：δ波动深度（%） φmax光通量最大值（Lm）φmin光通量最小值（Lm） φav光通量平均值（Lm）
2.3、各类电光源光通量平均波动深度如表1
2.4、视觉及其频闪效应的影响
2.4.1、视觉过程
当光线入射到人眼后，通过视觉调节，眼睛将物体成像在视网膜上，视神经纤维将视觉信号传送到大脑，大脑皮层对送来的信号叠加，一部分作为记忆储存在脑细胞中，一部分消失或刺激其它脑细胞采取行动的全过程称为视觉过程。
2.4.2、明暗视觉
在眼球壁内层的脉络膜内集结有一亿个左右视觉感光细胞，按其形状和功能分为锥形细胞和杆形细胞，这两种细胞即构成了视网膜。锥形细胞和杆形细胞分别适应不同的亮度水平。实验证明，锥体细胞适合于大于3cd/m2的亮度条件，而杆体细胞却能在小于0.001cd/ m2亮度水平下视物，因此锥细胞视觉称为"明视觉"，杆细胞视觉称为"暗视觉"。
2.4.3、视觉的普尔金及贝少莱得布约克现象
由于人眼明、暗视觉差异和主观亮度（BRIGHTNESS）的存在，眼睛的光谱灵敏度是逐渐变化的，在明亮条件下看起来亮度相同的红光和蓝光，在暗处会变成蓝光比红光亮，这就是普尔金现象。而相同颜色，由于亮度不同会产生颜色变化的感觉，通常亮度越高色调会向黄色反之向蓝色偏移，这就是贝少莱得布约克现象。该两种现象的特性曲线如图1所示。
2.4.4、视觉疲劳
实验结果表明，当光源光通量波动深度大于25%时，人眼视觉将在无意识的情况下出现普尔金或贝少莱得布约克现象。当长时间在这种频闪效应光源下学习和工作时将引起疲劳，而这种疲劳可分为全身疲劳和眼睛局部疲劳，全身疲劳会引起疲倦、厌食、自律神经失调等全身症状，而视疲劳则会引起偏头痛、眼痛和视力下降等现象。
2.5、频闪效应的简易测量
依据人眼在频闪效应作用下，对运动（旋转）物体产生错觉的现象并结合相关光学原理，科研人员设计了一种如图2所示的旋转式光通量波动深度定性陀螺测试盘，当光源波动深度大于20~25%时，该陀螺旋转时将同时形成明暗不同的正转光环、静止光环、倒转光环，甚至彩色幻觉环，波动深度越大光环图案越复杂多变。而当波动深度小于20%时，则所有旋转光环均为明暗不同的同向连续光环。
2.6、降低荧光灯频闪的措施
荧光灯频闪产生的原因，集中在灯本身特性和镇流器电路两部分上。
2.6.1、涉及灯本身频闪的因素主要有：荧光材料、灯管形状、充气气体。
2.6.1.1、荧光材料：普通卤粉余辉时间长于高效卤粉，而三基色稀土荧光粉的余辉时间和发光效率、显色指数则明显优于卤磷酸钙粉，因此降低荧光灯频闪效应的有效措施之一是选用稀土荧光粉。
2.6.1.2、灯管形状：细管径频闪度低于粗管径，"U"形管或"H"型管频闪度低于直管型。
2.6.1.3、充气气体：低原子量充气气体频闪度低于高原子量充气气体，即氦气低于氖气，氖气低于氩气，氩气低于氪气。
2.6.2、荧光灯管确定后，降低荧光灯频闪度的决定因素则取决于镇流器和相关电路。
2.6.2.1、荧光灯铁芯镇流器：
仅能在工频（50/60Hz）交流供电电源下工作，并且自耗功率占所配灯管额定功率的20%左右，无论是普通铁芯镇流器还是节能型铁芯镇流器都将使荧光灯光通量波动深度高达50%以上，从这种意义上说传统的铁芯镇流器已经远不符合绿色照明工程的要求，应尽早予以淘汰。
2.6.2.2、荧光灯电子镇流器：
采用电子镇流器驱动荧光灯不仅高效节能，更重要的将是克服和降低荧光灯频闪度的根本措施，从表1可以看出，当电子镇流器的振荡频率达到40~50%KHz时，荧光灯的频闪度降低到与白炽灯相同程度，对人的健康和视觉几乎不会形成任何损害，但现行电子镇流器在设计上满足不了这方面的要求。
3、荧光灯电子镇流器的设计误区
3.1、设计误区之一 电磁兼容（EMC）
3.1.1、误区产生的由来：荧光灯电子镇流器在我国起步较早，但起点很低，相当长一段时期误将其视作小家电设施，而以点亮一支灯和价廉为目的。待人们明白其所涉及的相关领域和相关技术非常复杂和高深，特别是关于交流荧光灯电子镇流器国家标准颁布实施后，则转而将提高的重点放在功率因数校正（PFC）、输入电流谐波（THD）、预热启辉、异常保护和灯电流波峰比（CCF）等技术指标上，而关于传导干扰（EMI）、射频干扰（RFI）、辐射干扰（EMS）等多项电磁兼容（EMC）要求，由于IEC928-1990和GB15143-94标准未作明确的限定，再加上极少有专著涉及和明确，以至于不少设计人员误以为降低输入电流谐波总量（THD）至GB/T15144-94"L"级水平或IEC6100-3-2谐波限值即可实现电磁兼容（EMC）。
3.1.2、典型的EMC滤波器电路（选自三叶牌SYYZ851E.N.L2型电子镇流器电路）见图3
L1、L2、L3、L4及C1、C2、C3、C4、组成二级双"π"型EMI、RFI和EMS差模一共模抑制滤波电路，既抑制了来自电网的电磁干扰，同时电子镇流器自身产生的电磁干扰也能起到有效衰减和滤除作用，从而保证电网和周围电磁环境不受污染，达到电磁兼容（EMC）要求。
通常L1= L2=50～70mh；L3= L4=20～25mh；C1= C2= C5=0.1～0.2μf；C3= C4=4700Pf～0.1μf；R1约为1～2MΩ。
3.2、设计误区之二高输入功率因数的竞逐
3.2.1、输入功率因数（λ）
普通电子镇流器的输入功率因数（λ），实际是由相移功率因数COSφ1和畸变功率因数COSθ两部份组成，如图4功率三角形所示：
一般情况，电子镇流器输入电压和输入电流的移相角（φ1）很小，故相移功率因数（COSφ1）往往大于0.95，由于输入电流发生畸变，产生大量电流谐波（THD），畸变功率因数（COSθ）很低，对于未设计功率因数校正电路的电子镇流器，其COSθ约为0.60C，故普通电子镇流器的输入功率因数（λ）均在0.55C左右。
3.2.2、输入功率因数校正电路（PFC）
输入电流谐波对供电电网和用电设施的危害，已是每个设计工作者共知的事实，为抑制输入电流谐波，提高功率因数，广大科研设计工作者相继研制了各种功率因数校正电路，主要有：有源功率因数校正（APFC）和无源功率因数校正（PPFC）两类电路，前者因为制作成本和体积等原因并未广为采用，后者则有"逐流式"、"高泵式"、"双泵式"、"叠加式"等电路。上述电路均对抑制输入电流谐流，提高功率因数作出了相当贡献。
3.2.3、高功率因数的设计竞逐
前期，由于若干论著的导向和设计者本身的认知模糊，在产品设计中出现了两种明显不同的倾向：一种置一切规定和标准于不顾，只认商业利益，生产质劣价廉的低功率因数电子镇流器；另一种则盲目竞逐高功率因数电路，似乎不将功率因数提高到0.95～0.99则不足以体现设计水平。殊不知，这样做是要付出成本和可靠性方面代价的，其结果是从根本上危害了用户的利益和得不偿失。实际上，无论何种设计方案，每一个设计者均应将电子镇流器的安全性和工作可靠性牢牢摆在首位，否则再低廉的价格或再高的功率因数也是没有任何意义的。
3.2.4、输入功率因数（λ）的设计定位
从严格意义上说，电子镇流器的输入功率因数（λ）仅是抑制输入电流谐波总量（THD）及兼顾电磁兼容和满足输入功率的一个从属技术指标。为避免设计观念误会，功率因数校正电路直接定位为"谐波滤波电路"反更符合实际。
GB/T15144-94标准指出，当输入功率因数（λ）≥0.85C时，该镇流器即定性为高功率因数镇流器，综合多方面因素，将电子镇流器输入功率因数（λ）锁定在0.90C左右较为合适，但更重要的是其谐波含量和电磁兼容必须符合GB17625.1-1998和GB17625.2-1999标准要求。
3.3、设计误区之三振荡频率的选择范围
3.3.1、现状：由于材料特性，匹配要求、制作成本和技术水平等方面的原因，目前绝大部分电子镇流器（含CFL灯）采用的都是半桥电压馈电他激式串联谐振电路，其振荡频率主要由输出电感、脉冲变压器及与灯并联的谐振电容和灯的阻抗特性等参数决定，且荧光灯管既是输出负载，又是组成谐振电路的重要元件，它们之间相互制约和影响极大，故而振荡频率选择范围较窄，多集中在20KHz~33KHz之间。
3.3.2、振荡频率的提高
如表1所示，现行设计的电子镇流器（含CFL节能灯）虽较铁芯镇流器在降低荧光灯频闪度方面前进了一大步，但仍高达20～30%，换言之其振荡频率应提高到40KHz以上，方能达到类同使用白炽灯照明的理想和实用状况。
3.3.3、电路设计误区之三的弥补
在通常的半桥电压馈电他激式串联谐振设计电路中，如果盲目地改变谐振元件参数来提高振荡频率，由于电路的相互制约性将导致整机性能质量和可靠性严重下降，其结果往往得不偿失，采用如图5虚线框所示的自振荡驱动器厚膜IC设计电路，则可以克服上述弊端。
图中厚膜IC的自振荡频率由下式决定：
fsoc=1.44/(R1+R2)×C2
改变R2或C2的参数即可改变自振荡频率，例如：R1=1.5KΩ；R2=68KΩ；C2=500Pf时，振荡频率f=41.5KHz。
3.4、设计误区之四灯电流波峰比（CCF）的定性
3.4.1、灯电流波峰比定义：灯正常工作时，灯电流在单位时间内的峰值与方均根值的最大比值，GB/T15144-94标准规定该比值应小于1.7。
3.4.2、降低灯电流波峰比（CCF）的意义：在设计电子镇流器时，一般将CCF当作一项重要的性能技术指标，而对于它在具体应用中的意义研究不足，通常解释为灯电流波峰比过高，将引起灯阴极材料溅射，导致灯管早期发黑。依据日本JISC8117标准规定该值小于2.1，早期一些标准中补充了"当灯电流波峰比＞1.7时,制造厂商应提供对灯管无损的证据"的规定，其着眼点仍放在灯的寿命上。众所周知，目前大量应用的"逐流式"电子镇流器的灯电流波峰比均在2.0左右，在匹配良好的情况下，多年实际应用并无灯管早期发黑现象，并且灯管寿命较铁芯式荧光灯大大延长。据实验同频工作的电子镇流器当灯电流波峰比接近或小于1.7时，荧光灯光通量波动深度（δ）将明显降低，因此降低灯电流波峰比（CCF）对于降低荧光灯频闪度和延长灯管寿命具有同等的意义。
3.4.3、决定灯电流波峰比的关键：一般电子镇流器的输出高频电流波形接近正弦波，理论上波峰比应接近 （1.414），但由于该高频电流的包迹波受到整流滤波电路直流输出电压的纹波所调制，往往是直流电压的纹波系数和脉动系数越大，灯电流波峰比越大。故设计时应尽可能增大电子镇流器的滤波电解电容（见图3中的C7）并同时兼顾协调设计"谐波滤波电路"，平滑灯电流波峰系数，从而降低荧光灯的频闪度。
4、结论：
4.1、荧光灯频闪效应的客观存在，长期以来，一直危害人们的健康，成了当代照明环境中的"隐形杀手"，在倡导绿色照明工程的今天，应引起各方面人士的高度重视和采取必要的措施予以彻底根治。
4.2、降低荧光灯频闪度的技术措施除改进荧光灯管本身外，更重要的手段是淘汰铁芯镇流器改用电子镇流器。但在设计和制造电子镇流器时，除必须达到标准所规定的安全性能和技术指标外，应着重解决电磁兼容（EMC）、灯电流波峰比（CCF）及振荡频率（＞40KHz）。
4.3、电子镇流器的输入功率因数（λ）设计定位在0.90C较为合适，并且功率因数校正电路（PFC）直接称为"谐波滤波电路"更加符合实际。
4.4、建议标准的制定部门将荧光灯频闪度限值作为强制性指标予以实施。
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