LED的電磁干擾問題分析

LED電視普通照明燈具通常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED的恒流供電和調(diào)光功能，因此會(huì)產(chǎn)生一定程度的無線電騷擾和諧波。本文通過對(duì)部分LED燈具的測(cè)試和研究，掌握LED燈具在使用中可能產(chǎn)生電磁干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提出相應(yīng)的解決措施。

　　1 原理和目的
 

　　LED光源是一種低壓直流器件，因此，LED燈具需要有一個(gè)能將220 V交流電轉(zhuǎn)換成符合LED工作要求低壓直流的電源，但是舞臺(tái)和影視用的燈具又需要具有調(diào)光功能，因此，其電源更為復(fù)雜。目前演播室用LED燈具配置的電源裝置其主流模式是：

　　(1)前級(jí)采用普通脈沖寬度調(diào)制(PWM)的開關(guān)電源，作為低壓直流電源，開關(guān)頻率通常為幾十千赫茲。

　　(2)后級(jí)再以斬波方式，進(jìn)行低頻脈沖寬度調(diào)制，用調(diào)節(jié)占空比的方式來調(diào)節(jié)燈具的亮度。這一部分電路通常為燈具廠自行開發(fā)，開關(guān)頻率各廠差異較大。通常為數(shù)百赫茲到幾十千赫茲不等。

　　在脈沖寬度調(diào)制的工作方式中，電源裝置對(duì)電流的斬波會(huì)產(chǎn)生高次諧波，其對(duì)劇場(chǎng)和演播室中的音、視頻系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)產(chǎn)生無線電騷擾，可能影響其他設(shè)備的正常工作。此外，由于電源裝置中的整流電路和電容濾波電路會(huì)使工頻電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生的低次諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，影響其他電氣設(shè)備運(yùn)行。

　　因此，需要對(duì)LED燈具進(jìn)行一系列的測(cè)試：按國(guó)標(biāo)GB17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量其無線電騷擾特性是否滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求;按國(guó)標(biāo)GB 17625.1-2003 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試其諧波電流是否滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　通過本課題的實(shí)驗(yàn)和研究，了解LED燈具在演播室使用中可能產(chǎn)生電磁干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提出相應(yīng)的解決措施。

　　2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

　　2.1 實(shí)驗(yàn)條件

　　本研究需要專業(yè)的各種電磁兼容測(cè)試設(shè)備，如電源分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò)、傳導(dǎo)測(cè)試接收機(jī)、輻射干擾接收機(jī)和三環(huán)天線等，有的測(cè)試還需要在電波暗室中進(jìn)行，因此，必須委托經(jīng)國(guó)家相關(guān)部門批準(zhǔn)的專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

　　2.2 試驗(yàn)用燈具

　　試驗(yàn)用燈具共有2類5個(gè)型號(hào)。每個(gè)型號(hào)1個(gè)燈具，共5個(gè)燈具。詳見表1。

　　表1 試驗(yàn)用燈具類型和編號(hào)

　　2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　(1)按國(guó)標(biāo)GB 17743-2007要求，找出調(diào)光過程中產(chǎn)生的最大騷擾點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)的無線電騷擾值。

　　(2)按國(guó)標(biāo)GB 17625.1-2003要求，將燈具在最小功率和最大功率之間分為5個(gè)相等的級(jí)段，測(cè)試各級(jí)段的諧波分量。

　　2.4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

　　先將待測(cè)的燈具老化100小時(shí)，待燈具的參數(shù)穩(wěn)定之后，再送檢。

　　2.4.1 無線電騷擾測(cè)試

　　2.4.1.1 傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試

　　按國(guó)標(biāo)GB 17743-2007的要求在燈具電源端和控制端進(jìn)行測(cè)試。

　　(1)燈具電源端測(cè)試按以下5個(gè)頻段進(jìn)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) 燈具控制端測(cè)試按以下2個(gè)頻段進(jìn)行：150 kHz ～0.5 MHz;0.5 MHz ～ 30 MHz。

　　2.4.1.2 輻射電磁騷擾測(cè)試

　　按國(guó)標(biāo)GB 17743-2007的要求進(jìn)行測(cè)試。

　　按國(guó)標(biāo)GB 17743-2007的要求進(jìn)行測(cè)試。

　　(1)9 kHz ～ 30 MHz頻率范圍測(cè)試按以下4個(gè)頻段進(jìn)行：9 kHz ～ 70 kHz;70 kHz ～ 150 kHz;150 kHz ～3.0 MHz;3.0 MHz ～ 30 MHz。圖1為其測(cè)試裝置示意圖。

　　圖1 9 kHz ～ 30 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測(cè)試裝置示意圖

　　(2) 在電波暗室中，對(duì)30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍測(cè)試按以下2個(gè)頻段進(jìn)行：30 MHz ～ 230 MHz;230 MHz～ 300 MHz。圖2為30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測(cè)試裝置示意圖。

　　圖2 30 MHz ～ 300 MHz頻率范圍輻射電磁騷擾測(cè)試裝置示意圖

　　以上測(cè)試的無線電騷擾特性限值見GB 17743-2007。
2.4.2 諧波測(cè)試

　　按國(guó)標(biāo)GB 17625.1-2003中對(duì)C類設(shè)備以及內(nèi)置調(diào)光器燈具的要求測(cè)試燈具的諧波分量，在最小功率和最大功率之間分為5個(gè)相等的級(jí)段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測(cè)試各諧波分量，測(cè)試諧波次數(shù)n的范圍為：

　　n = 2、3、5、7、9以及11 ≤ n ≤ 39(僅有奇次諧波)

　　圖3為諧波電流測(cè)試裝置示意圖。

　　圖3 諧波電流測(cè)試裝置示意圖

　　以上測(cè)試的諧波電流發(fā)射限值見GB 17625.1-2003。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　從本次研究的燈具樣本1# ～ 5#中挑選了1#、3#和4#燈具送北京市家用電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測(cè)，但各個(gè)燈具的測(cè)試結(jié)果不同程度地超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，為此，燈具廠對(duì)燈具進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，改進(jìn)后的1#燈具重新送檢，并通過了兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。

　　5#和2#燈具分別送廣州相關(guān)測(cè)試機(jī)構(gòu)檢測(cè)，均已通過兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。

　　以下是對(duì)其中3個(gè)燈具的主要測(cè)試參數(shù)進(jìn)行分析。

　　3.1 1#燈具測(cè)試結(jié)果

　　3.1.1 無線電騷擾特性測(cè)量

　　(1)傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試

　　A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)。參見圖4。

　　圖4 電源端9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)

　　B. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(平均值)。參見圖5。

　　圖5 電源端9 kHz ~ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(平均值)

　　(2)輻射電磁騷擾測(cè)試

　　A. 頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾根據(jù)GB 17743-2007，燈具應(yīng)在三個(gè)互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測(cè)試，每一環(huán)形天線分別測(cè)試輻射電磁騷擾，圖6是其中水平環(huán)形天線測(cè)試的輻射電磁騷擾值。

　　圖6 水平環(huán)形天線測(cè)試的輻射電磁騷擾值

　　B. 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾本次測(cè)試是采用CDN法測(cè)試，限值應(yīng)符合GB 17743-2007的相應(yīng)要求，測(cè)試結(jié)果見圖7。

　　圖7 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)CDN法測(cè)試的輻射電磁騷擾

　　以上測(cè)試根據(jù)測(cè)試單位告知是在全功率的42%左右(控制數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制6C，最大值為FF)、無線電騷擾最大時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，1#燈具的電源端的傳導(dǎo)騷擾電壓和輻射電磁騷擾，達(dá)到GB 17743-2007的要求。

　　注：本次測(cè)試未對(duì)控制端的傳導(dǎo)騷擾電壓進(jìn)行測(cè)試。
3.1.2 諧波電流測(cè)量

　　根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應(yīng)在最小功率和最大功率之間分為5個(gè)相等的級(jí)段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測(cè)試各諧波分量，測(cè)試單位僅提供20%和其他情況下干擾最大時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　(1)在全功率的20%，即24 W左右時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)見圖8。

　　圖8 在全功率的20%時(shí)的諧波電流

　　(2)除全功率的20%外，其他功率下諧波最大時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)見圖9。

　　圖9 除全功率的20%外，其他功率下諧波最大情況的諧波電流

　　根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)， 1 # 燈具的諧波電流達(dá)到GB17625.1-2003的要求，在低功率(20%)時(shí)，雖有較大的偶次諧波，但GB 17625.1-2003對(duì)2次以外的偶次諧波無限定。

　　這也是造成電流波形畸變較大(見圖10)的原因，應(yīng)引起重視。

　　圖10 1#燈具的電流波形

　　3.2 5#燈具測(cè)試結(jié)果

　　3.2.1 無線電騷擾特性測(cè)量

　　(1)傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試。

　　A. 燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)，參見圖11。

　　圖11 燈具電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)

　　B. 燈具的控制端頻率為150 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)。參見圖12。

　　圖12 燈具控制端頻率為150 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)

　　(2) 輻射電磁騷擾測(cè)試

　　A. 燈具在頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。

　　根據(jù)GB 17743-2007，燈具應(yīng)在三個(gè)互相正交的環(huán)形天線系統(tǒng)中測(cè)試，每一環(huán)形天線分別測(cè)試輻射電磁騷擾，圖13是其中一個(gè)環(huán)形天線測(cè)試的輻射電磁騷擾值。

　　圖13 頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾

　　B. 燈具在頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾。
由于電波暗室較小，無法按GB 17743-2007的測(cè)試要求在10 m距離進(jìn)行測(cè)試，本次頻率為30 MHz ～ 300MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾的實(shí)際測(cè)試距離為3 m，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 9254-2008 《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》的10.8，如在不同測(cè)試距離測(cè)試時(shí)，可根據(jù)下列公式換算：

　　L2=L1(d1/d2)。

　　L1——距離d1處規(guī)定的限值。

　　L2——距離d2時(shí)的新限值。

　　因此，將GB 17743-2007的限值換算成表2。天線垂直方向和水平方向的測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

　　圖14 頻率為30 MHz ～ 300 MHz范圍內(nèi)輻射電磁騷擾

　　表2 減少測(cè)試距離限值換算的結(jié)果

　　注：對(duì)于這種減少測(cè)試距離、限值換算的測(cè)試方式的準(zhǔn)確度有不同的看法。一般在電波暗室不能滿足10m測(cè)試距離時(shí)可用CDN測(cè)試法，此測(cè)試法為GB 17743-2007所允許。

　　以上測(cè)試根據(jù)檢測(cè)單位告知是在全功率下進(jìn)行的，全功率是該燈無線電騷擾最大狀態(tài)。根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，5#燈具的電源端和控制端的傳導(dǎo)騷擾電壓及其輻射電磁騷擾，都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17743-2007的要求。檢測(cè)單位提供了該燈測(cè)試合格的正式測(cè)試報(bào)告。

　　3.2.2 諧波電流測(cè)量

　　根據(jù)GB 17625.1-2003的要求應(yīng)在最小功率和最大功率之間分為5個(gè)相等的級(jí)段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測(cè)試各諧波分量，以下是5種情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)，參見圖15 ～圖19。

　　圖15 100%功率條件下測(cè)試各諧波分量

　　圖16 80%功率條件下測(cè)試各諧波分量

　　圖17 60%功率條件下測(cè)試各諧波分量

　　圖18 40%功率條件下測(cè)試各諧波分量

　　圖19 20%功率條件下測(cè)試各諧波分量
根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)，5#燈具的諧波電流全部達(dá)到GB17625.1-2003的要求，在5種功率測(cè)試過程中11次諧波相對(duì)較大，但都在限值以下。且此燈電流波形畸變相對(duì)較小。參見圖20。

　　圖20 5#燈具的電流波形

　　3.3 3#燈具測(cè)試結(jié)果

　　3.3.1 無線電騷擾特性測(cè)量

　　燈具的電源端頻率為9 kHz ～ 30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)。參了圖21。

　　圖21 電源端頻率為9 kHz ～30 MHz范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾電壓(準(zhǔn)峰值)

　　從以上數(shù)據(jù)表明3#燈具在631.5 kHz和771 kHz處的騷擾電壓超過了GB 17743-2007的限值。

　　3.3.2 諧波電流測(cè)量

　　該燈在滿功率(50 W)的條件下進(jìn)行了諧波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3。

　　表3 3#燈具在滿功率(50 W)條件下諧波測(cè)試的結(jié)果

　　從表3 中可知絕大多數(shù)的諧波電流都超過了GB17625.1-2003的規(guī)定，表中的“Fail”即表示不合格。此外，該燈的功率因數(shù)特別低，只有0.455。

　　注： 該燈僅在滿功率情況下測(cè)試， 未按G B17625.1-2003的要求在最小功率和最大功率之間分為5個(gè)相等的級(jí)段，即沒有在20%、40%、60%、80%和100%功率條件下測(cè)試各諧波分量。

　　4 結(jié)論與建議

　　4.1 結(jié)論

　　LED燈具工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的無線電騷擾和諧波，但只要在燈具中配置電磁兼容性能優(yōu)質(zhì)的電源裝置，電磁干擾可以控制在標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的燈具不會(huì)影響演播室和舞臺(tái)其他設(shè)備的正常工作。