【導讀】前兩天，看到頭條上有一個有趣的帖子，討論為什么普通燈泡里通有交流電，電流的大小方向時時刻刻都在改變，而我們看不到燈泡在閃爍？
這個問題如果我再向自己已經上大學的兒子提出，他會嘲笑這問題太簡單了。帖子的作者也大體羅列了兩個原因，使得人感覺不到燈泡在閃爍：
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 人的視覺暫留 效應也不會覺察到燈泡的閃爍。
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，但反映到燈絲溫度上就比較平滑，所以實際上波動較小，人眼不易覺察。
視覺暫留效果
人類感知燈光閃爍的能力與視覺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，當正眼看的時候就覺察不出來了。
由于視覺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出的光強到底變化大多，變化的頻率有多少是可以通過光電傳感器測量的。
在 SP-45ML光電二極管放大電路及其動態特性 中介紹了一個基于SP-45ML光電管的光強測量電路及其動態特性，它的輸出電壓與輸入光強（光的能量）成線性關系。相應頻率大于25kHz，可以用來對于常見到的燈光的光強變化進行的測量。
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生的熱能使得燈泡內鎢絲達到高溫后發射出熱輻射。熱輻射的大小和頻譜與燈絲溫度有關系。在平穩狀態下，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，經過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，所以發射的光強是在一定范圍內波動，波形呈現為正弦波。波動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
下面是另外一個白色LED燈。外觀與一只白熾燈泡相類似，內部包括有交流轉直流和LED驅動電路、LED燈盤封裝在一起。
LED燈
測量到的光強（藍色）信號基本上是恒定。不隨著交流電壓的變化而改變。我們知道 LED光強與流過的電流成正比 ，這類燈泡內驅動 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
為了提高效率，LED驅動電路采用PWM驅動。所以如果放大光強信號，可以看到LED燈光強呈現高頻波動的情況，頻率大約為10kHz。光強的變化頻率很高。遠遠超過人類能夠感知的頻域范圍。
LED燈亮度高頻波動
具體測量光強波動的范圍，大約是36%左右。
■ 亮度波動參數
● 平均值： mean=0.5648
● MIN=0.46575, MAX=0.672, MAX-MIN=0.20625
● 亮度波動：
3.小型日光燈
這是辦公室中另外一個小型日光燈。它的內部安裝有電子鎮流器，所產生的高壓脈沖能夠激發日光燈管點亮。
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。可以看到它的亮度變化幅度很小，頻率是100Hz。從亮度曲線上來看基板上是全波整流，電容濾波之后帶動負載的電壓波形。
這說明在小型日光燈內的電子鎮流器沒有對全波整流之后的直流電壓進行穩壓，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：
4.普通日光燈
現在辦公室中還是用著普通的日光燈。這種光源在1934年被發明以來仍然被廣泛使用。
雖然燈管在屋頂，借助于長長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，日光燈光強波動也是100Hz，但波動的波形不一樣。白熾燈由于是燈絲的熱慣性，所以光強波動呈現出正弦波動曲線。日光燈的光強實際上利用了熒光粉的余輝現象，光強并沒有隨著電壓降低下降到0。當電壓重新升高，所激發出的紫外線超過余輝強度后，光強立即上升，此時并沒有熱慣性，所以光強由弱變強非常快。
普通日光燈光強變化
通過對光強數值分析，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，為什么平時覺察不到呢？主要原因還是因為變化頻率（100Hz）超出了人眼感知的范圍）。不過據說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：
5.小型鹵素燈泡
下面是在實驗臺上對于樣品拍照時補光用的小型鹵素燈泡，本質上也是白熾燈，只是內部增加了鹵素氣體來延長燈泡的使用壽命。
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：
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過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：
如果現場觀察經過經過半波整流后驅動的白熾燈，實際上是可以感知到它在閃爍的。
結論
通過簡單的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發生20% ~ 50% 的變化，變化曲線呈現正弦波動，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，亮度波動范圍35%。
在國內，交流電頻率為50Hz，普通燈具的光強頻率都會超過100Hz，人眼不會感知到燈光閃爍。
在有的時候，普通的日光燈如果一端的燈絲損耗較大，使得發射電子的能力遠遠低于另外一端，此時日光燈的就具有類似二極管整流的特性。此時燈光閃爍頻率就是50Hz。很多人就會感覺到燈光在閃爍。
如果你感覺到頭上的日光燈閃爍了，是時候該更換一只新的燈管了。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯系小編進行處理。
推薦閱讀：
