普通燈泡的電流大小方向時(shí)刻在變，為何卻看不到閃爍？

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，使得人感覺不到燈泡在閃爍：

原因 1：：燈泡的亮度變化（閃爍）的頻率應(yīng)該和普通家用交流電的頻率（50Hz）相同，由于 人的視覺暫留[1] 效應(yīng)也不會(huì)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(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，人眼不易覺察。

▲ 視覺暫留效果

人類感知燈光閃爍的能力與視覺暫留現(xiàn)象還不完全一致，人們對(duì)于燈光閃爍感知的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于視覺暫留（大約 1/15 秒鐘左右）對(duì)應(yīng)的頻率。為了消除閃爍影響，普通膠片電影播放機(jī)對(duì)每一幀圖片要閃爍兩次。

人眼不同部位對(duì)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(cè)目能夠看到某些閃爍，當(dāng)正眼看的時(shí)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(cè)量。但是對(duì)于普通的燈具發(fā)出的光強(qiáng)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(cè)量的。

在 SP-45ML 光電二極管放大電路及其動(dòng)態(tài)特性[2] 中介紹了一個(gè)基于 SP-45ML 光電管的光強(qiáng)測(cè)量電路及其動(dòng)態(tài)特性，它的輸出電壓與輸入光強(qiáng)（光的能量）成線性關(guān)系。相應(yīng)頻率大于 25kHz，可以用來對(duì)于常見到的燈光的光強(qiáng)變化進(jìn)行的測(cè)量。

▲ SP-45ML 光電二極管放大模塊及其光導(dǎo)纖維

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以確定常見到的燈具：

光強(qiáng)變化大小到底是多少？

光強(qiáng)變化的頻率是到底多少？

01、幾種電燈泡亮度測(cè)試

下面選擇辦公室里有的幾種燈泡，點(diǎn)亮后使用 光導(dǎo)纖維[3] 將燈光引入 SP-45ML 光電二極管放大模塊 。使用示波器觀察測(cè)量模塊輸出電壓波形，反映燈光強(qiáng)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(nèi)鎢絲達(dá)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(wěn)狀態(tài)下，輸入電功率與輻射能力（保安熱傳導(dǎo)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(cè)試

下圖顯示了燈泡的光強(qiáng)信號(hào)（藍(lán)色）和施加電壓信號(hào)（橙色，經(jīng)過變壓器降壓耦合后的波形）?？梢钥吹桨谉霟舻墓鈴?qiáng)變化的頻率是輸入交流電壓頻率的兩倍（100Hz）。

▲ 交流電與光強(qiáng)波形

由于燈絲的熱慣性，所以發(fā)射的光強(qiáng)是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，波形呈現(xiàn)為正弦波。波動(dòng)的范圍是光強(qiáng)平均值的 50%左右。下面是具體的測(cè)量數(shù)據(jù)。

亮度參數(shù)

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。外觀與一只白熾燈泡相類似，內(nèi)部包括有交流轉(zhuǎn)直流和 LED 驅(qū)動(dòng)電路、LED 燈盤封裝在一起。

▲ LED 燈

測(cè)量到的光強(qiáng)（藍(lán)色）信號(hào)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(qiáng)與流過的電流成正比[4] ，這類燈泡內(nèi)驅(qū)動(dòng) LED 電路往往具有恒流功能 ，所以整體光強(qiáng)較為恒定。

▲ 交流電與光強(qiáng)曲線

為了提高效率，LED 驅(qū)動(dòng)電路采用 PWM 驅(qū)動(dòng)。所以如果放大光強(qiáng)信號(hào)，可以看到 LED 燈光強(qiáng)呈現(xiàn)高頻波動(dòng)的情況，頻率大約為 10kHz。光強(qiáng)的變化頻率很高。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類能夠感知的頻域范圍。

▲ LED 燈亮度高頻波動(dòng)

具體測(cè)量光強(qiáng)波動(dòng)的范圍，大約是 36%左右。

亮度波動(dòng)參數(shù)

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(nèi)部安裝有電子鎮(zhèn)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(qiáng)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。l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(dòng)負(fù)載的電壓波形。

這說明在小型日光燈內(nèi)的電子鎮(zhèn)流器沒有對(duì)全波整流之后的直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，而且濾波電容的容值相對(duì)較小，工作電壓的波動(dòng)引起亮度的變化。

▲ 日光燈光強(qiáng)

下面是具體亮度變化數(shù)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(xiàn)在辦公室中還是用著普通的日光燈。這種光源在 1934 年被發(fā)明以來仍然被廣泛使用。

雖然燈管在屋頂，借助于長(zhǎng)長(zhǎng)的光導(dǎo)纖維很容易將燈光引入光強(qiáng)測(cè)量模塊。

▲ 普通的日光燈管

下圖顯示了普通的日光燈的光強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)波動(dòng)呈現(xiàn)出正弦波動(dòng)曲線。日光燈的光強(qiáng)實(shí)際上利用了熒光粉的余輝現(xiàn)象，光強(qiáng)并沒有隨著電壓降低下降到 0。當(dāng)電壓重新升高，所激發(fā)出的紫外線超過余輝強(qiáng)度后，光強(qiáng)立即上升，此時(shí)并沒有熱慣性，所以光強(qiáng)由弱變強(qiáng)非?？?。

▲ 普通日光燈光強(qiáng)變化

通過對(duì)光強(qiáng)數(shù)值分析，可以看到日光燈的光強(qiáng)變化范圍很大。光強(qiáng)變化與平均值相比接近 90%！

日光燈光強(qiáng)變化這么大，為什么平時(shí)覺察不到呢？主要原因還是因?yàn)樽兓l率（100Hz）超出了人眼感知的范圍）。不過據(jù)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(dòng)：

5. 小型鹵素?zé)襞?/h3>

下面是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)于樣品拍照時(shí)補(bǔ)光用的小型鹵素?zé)襞?/a>，本質(zhì)上也是白熾燈，只是內(nèi)部增加了鹵素氣體來延長(zhǎng)燈泡的使用壽命。

▲ 小型鹵素?zé)襞?/p>

下面是該燈泡強(qiáng)度變化（藍(lán)色），相比于前面白熾燈，它的光強(qiáng)變化更小。大約只有 20%左右。

▲ 小型鹵素?zé)舻牧炼茸兓?/p>

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(yīng)該與輸入交流電的頻率一致了。

▲ 半波整流對(duì)白熾燈供電

下圖顯示了交流電經(jīng)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(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(dá)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(xiàn)場(chǎng)觀察經(jīng)過經(jīng)過半波整流后驅(qū)動(dòng)的白熾燈，實(shí)際上是可以感知到它在閃爍的。

※ 結(jié)論

通過簡(jiǎn)單的 SP-45ML 光電二極管測(cè)量普通的燈具光強(qiáng)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，變化曲線呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)全波整流，電容濾波的波形。頻率是 100Hz。

白色 LED 等，強(qiáng)度變化頻率大約是 10kHz，亮度波動(dòng)范圍 35%。

在國(guó)內(nèi)，交流電頻率為 50Hz，普通燈具的光強(qiáng)頻率都會(huì)超過 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(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外一端，此時(shí)日光燈的就具有類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)感覺到燈光在閃爍。

如果你感覺到頭上的日光燈閃爍了，是時(shí)候該更換一只新的燈管了。

參考資料

[1]視覺暫留: https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%86%E8%A7%89%E6%9A%82%E7%95%99/5125149?fr=aladdin

[2]SP-45ML 光電二極管放大電路及其動(dòng)態(tài)特性: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108517763

[3]光導(dǎo)纖維: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.d9892e8dbD21MQ&id=565053495983&_u=bnvskcdaa84

[4]LED 光強(qiáng)與流過的電流成正比: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107643688