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家用照明燈具低頻雜訊電流之量測與探討
台南分局第一課 技正 林昆平
一、前言
由於國際電機電子協會 IEEE於 2002年將低頻雜訊管制標準推廣至 120V配電系統,使
得含蓋低頻雜訊的大宗來源,家用電機電子資訊產品成為未來管制的對像。家用電機電
子資訊產品常見有電冰箱、電視、立體音響、風扇、料理機、溫控熱水器、微波爐、變
頻冷氣機、照明燈具、影音播放機、個人電腦及週邊資訊產品,由於這些產品大量採用
電子電路控制基板,使得低頻雜訊如同高頻雜訊般,干擾別人(EMI),也被別人干擾
(EMS),雖然這些產品已在本局辦理安規檢驗及高頻電磁干擾檢測,但 IEEE所言「低
頻雜訊」,長久以來均被外界所忽視。低頻雜訊不同於高頻雜訊,主要是屬週期性有規
律的干擾家電設備(如螢幕顯像持續性模糊)並造成電力品質污染,危及供電可靠度(如不
明原因跳電)。目前所知高頻傳導性電磁干擾頻率範圍依 CNS13783-1 為 15000Hz至
300000Hz,低頻雜訊則依 IEC 61000-3-2規定範圍,大約是從 120HZ至 3000HZ左右,
雖然產生過程,低頻較高頻容易了解且具規律性,然高頻 EMI因已執行多年,找到防
制對策並不困難;低頻 EMI剛受到重視,其成份及防制對策並不被 EMI工程師所熟悉,
故有必要先對干擾源進行低頻雜訊成份之調查,本文首先就家用及公寓大樓使用最多之
照明燈具類,進行量測與探討,陸續再完成其它電機電子資訊產品低頻雜訊長期監測。
二、家用照明燈具種類及動作原理[3]
照明燈管種類繁多,舉凡道路照明用的水銀燈、強調氣氛用的鹵素燈、三波長 BB燈、
鎢絲燈、省電燈泡及民生使用最多的日光燈,這些光源在產生低頻雜訊方面,一般均非
常微小,燈類主要產生低頻雜訊的原因,在於使用了點燈用的安定器,沒有安定器,日
光燈不但無法起動,壽命也將縮短;有了安定器,卻由於其內部的電子電路,衍生低頻
雜訊,干擾電器產品運轉,因此探討燈類雜訊,應從安定器著手。另一項較複雜點燈電
路,是緊急照明燈及避難方向指示燈,由於平時不但要透過安定器運作,更要對停電時
之轉換電源---蓄電池充電,因此具備較複雜的電子電路,底下我們就傳統安定器、電子
安定器及緊急照明燈之電子電路,加以探討。
(1) 傳統安定器
日光燈一般用於房室及辦公室照明,其動作原理是利用高電壓加速燈管電極上的電子
逸出,並撞擊管內水銀蒸氣離子,以便產生激勵螢光粉發光的紫外線,一旦日光燈達
成點燈效果後,便不需要再過多的電子撞擊,因此需設法將電壓降下來,傳統安定器
因此應運而生。基本上它只是一顆由矽鋼片構成的變壓器,但具備高漏磁的特性,起
動時,由變壓器二次側將 110V電壓提升數倍並直接對燈管兩極加壓,等到電子數達到
點燈的飽和度後,產生的高電流,立即引發矽鋼片的漏磁,降低感應磁通,使二次側
感應電壓下降,整個起動過程由於電子數目的增多變少,常導致燈管閃爍,為一大缺
點。另一方面,由於傳統安定器為一導磁性鐵心結構,電流會因鐵心磁滯現像而失真,
因而衍生低頻雜訊及噪音,圖一所示為電流被扭曲的情形,圖二所示為其實體結構。
圖一 日光燈電流被安定器所扭曲失真 圖二 傳統安定器結構
(2) 電子式安定器
由於傳統安定器有起動慢、燈管閃爍、體積大及噪音的缺點,因此電子安定器被設計出
來代替,其最大特點係利用高頻振盪電路,將 60Hz電壓頻率提升到 20000 ~40000Hz頻
率,使日光燈兩電極在極短時間內逸出大量電子,對水銀離子產生撞擊並釋放螢光粉所
需的紫外線能量。由於電子數目瞬間達成飽和,因此具備起動快、無閃爍、體積小、無
噪音及省電 25%以上的優點,但因具備非線性電子電路,產生低頻雜訊電流卻比傳統安
定器來得嚴重,圖三所示為電子式安定器電路,圖四為其實體結構。
圖三 電子式安定器電路
圖四 電子式安定器高頻振盪電路實體
(3) 緊急照明燈及避難方向指示燈內部電子電路
在大型公寓一般均設有緊急照明燈及避難方向指示燈,主要用於停電及火災時的照
明,其內部運轉電路几乎是傳統安定器、電子安定器及交直流轉換電路之集大成。平
常未停電時,這些設備均插在 110V 或 220V 插座,燈管由傳統安定器點燈並透過整流
電路,同時對內部蓄電池充電;一旦停電時,電力迅速轉由蓄電池供電,直流電源透
過交直流轉換電路,轉換為交流,再經由電子安定器電路點燈。圖五所示為避難方向
指示燈拆解後照片,其中央頂端塊狀東西為傳統安定器,左下角為蓄電池,右下角為
同時具備交直流轉換功能及電子安定器電路之基板。圖六為緊急照明燈拆解後照片,
與避難方向指示燈結構,可說一模一樣,差在功能上,燈管只在停電時才起動,平時
只有充電的動作。圖七為整個電路基板更詳細的照片,原則上右半部為電子安定器高
頻振盪電路(類似圖四),左半部為交直流轉換電路及改善傳統安定器功因之電容器。
+
圖五 避難方向指示燈內部結構 圖六 緊急照明燈內部結構
圖七 同時具備電子安定器、整流電路及功因改善電容器的基板
三、家用照明燈具低頻雜訊電流之量測與解析
(1) 傳統安定器日光燈之量測
圖八所示為對國內某大廠所生產日光燈 40W 雙管量測情形,首先透過安定器點亮燈
管,並將『低頻雜訊量測儀』的電流鉤錶(CH2),勾住 110V的電源引線,進行瞬時取樣,
結果如表一所示,以第三次雜訊(180HZ)、第五次雜訊(300HZ)、第七次雜訊(420HZ)、第九次雜訊(540HZ)、第十一次雜訊(660HZ)較為明顯,造成失真率為 11.84%;另外 60Hz額定電流 1.416A,綜合電流 1.426A,增加 0.01A雜訊量。繼續進行十分鐘長時監測,將
電壓夾錶(CH1)夾住電源引線,量測如表二~表五所示,可發現消耗實功約 127W,功因
0.78,雜訊三、五、七、九次的穩態值為 0.16A、0.03A、0.02A、0.01A,並依次遞減。
圖八 40wx2傳統安定器日光燈量測情形 表一 低頻雜訊電流瞬時量測值
表二 傳統安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 1 表三 傳統安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 2
表四 傳統安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 3 表五 傳統安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 4
(2) 電子式安定器 PL台燈之量測
圖九所示為某廠牌電子式安定器 PL 檯燈量測情形,瞬時取樣量測結果如表六所示,雜
訊以第三、五、七、九、十一、十三、十五次較為明顯,並形成遞減現像,其生成量嚴
重,造成失真 199.15%,另外 60Hz 額定電流 0.194A,綜合電流 0.432A,增加 0.238A雜訊量。繼續進行十分鐘長時監測,量測如表七~表十一所示,可發現消耗實功約 13W,功
因 0.23;雜訊三、五、七、九、十一、十三、十五次的穩態值為 0.2A、0.18A、0.18A、0.15A、0.13A、0.11A、0.09A,顯示使用非線性電子電路基板之電子式安定器比使用電
抗結構之傳統安定器,不但功因超低,雜訊量更大,綜合失真高達 200%以上,唯一優點
為省電。
圖九 120V 27w電子式安定器 PL檯燈量測情形 表六 低頻雜訊電流瞬時量測值
表七 低頻雜訊長時監測值 1 表八 低頻雜訊長時監測值 2
表九 低頻雜訊長時監測值 3 表十 低頻雜訊長時監測值 4
表十一 低頻雜訊長時監測值 5
(3) 電子式安定器日光燈之量測 圖十所示,為電子式安定器日光燈 40W 雙管量測情形,瞬時取樣量測結果如表十二
所示,雜訊以第三、五、九次較為明顯,造成失真 14.46%,另外 60Hz 額定電流 0.686A,綜合電流 0.693A,增加 0.007A雜訊量。表十三~ 表十六所示為長時監測數據,可發現消
耗實功約 74W,功因 0.93;雜訊第三、五、九次穩態值為 0.08A、0.06A、0.01A,綜合
電流平均 0.68A與額定值几乎相同,好像沒什麼雜訊且功因很高。讀者可能已發現一個
問題,同樣是電子安定器,為何應用在檯燈,綜合失真率為 200%;應用在日光燈,卻只
有 14%?其理由是這兩顆電子式安定器電路不儘然相同。應用在辦公及家居使用的日光
燈,几乎是照明的大宗,若任其產生低頻雜訊,干擾層面將很廣,為了降低其影響程度
並提升功因,國內大廠均設計有濾波電路及功因改善電容器,其電子安定器長度一般都
比較長,而檯燈由於使用量相對少很多,為成本考量,均未加裝改善設備。
圖十 40wx2電子式安定器日光燈量測情形 表十二 低頻雜訊電流瞬時量測值
表十三 電子安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 1 表十四 電子安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 2
表十五 電子安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 3 表十六 電子安定器雙管日光燈雜訊長時監測值 4
(4)避難方向指示燈(或家用緊急照明燈)之量測
圖十一所示為避難方向指示燈量測情形,燈管平時透過傳統安定器點燈運作,一方面也經
由基板上的整流電路對蓄電池充電,其雜訊來源包含傳統安定器及電子電路基板,失真率
會比只使用傳統安定器之燈具來得嚴重,約 28%。十分鐘的長時監測如表十七~表二十所
示,可發現雜訊三、五、七、九、十一、十五的穩態值為 0.02A、0.03A、0.06A、0.02A、0.01A、0.01A。
圖十一 27w 220v避難方向指示燈量測情形
表十七 低頻雜訊長時監測值 1 表十八 低頻雜訊長時監測值 2
表十九 低頻雜訊長時監測值 3 表二十 低頻雜訊長時監測值 4
四、低頻雜訊電流對家用小家電干擾程度探討[6]
就低頻電磁干擾 EMI 而言,雜訊量多寡,決定對家用小家電產品的干擾程度,雜訊量越大,
干擾就越大。國外甚至將干擾程度分為四級,如表二十一所示。至於其對小家電的動作影響,
則如表二十二所示。乍看之下,在短時間的試驗結果,其干擾有限,但若長時間試驗(例如 3
小時),對家電壽命的影響,就不得而知,至少國外目前尚未有文獻可參考。
障害
程度
對器材影響 例 子 顯示顯像 成 因
O 級 無影響 器材功能、特性不變
A 級 輕度故障 器材可能容許臨時
性功能喪失,但尚不
足以構成故障
1. 壽命縮短 2.可靠度降
低 3.性能衰退
1.反覆的衝擊與溫
升,縮短壽命 2.溫升過度,故障
率上升,無法發揮
功能
B 級 重大故障 器材可自動恢復的
暫時性動作已喪失
1. 喪失功能 2.性能大大
衰退
只暫時喪失可自動
恢復功能,影響到
不能繼續運轉
C 級 故障臨界 器材動作或特性上
的傷害,需靠人工的
重開機
保護器誤動
作
保護電驛誤動作致
使器材運轉當機
D 級 損害 器材喪失功能,損傷無法回復
表二十一 低頻雜訊影響程度分級
器材
容量(W) 單一低頻雜訊電壓的影響,試驗
時分別施予180HZ及1200HZ ~2400HZ雜訊電壓(10%額定電
壓)於器材上,試驗時間約10分
電視機 130W
72W
60W
畫面縱橫延伸1%,其它無障礙 無變化 畫面縱橫延伸1%,其它無障礙
立體音響 150W
130W
167W
無變化 無變化 音響內變壓器有噪音
一般小型
照明器具
129W
72W
32W
暗1.4% 暗0.8% 暗2.3%
小型電子
式照明器
具
116W
85W
32W
暗4.1% 暗7.7% 暗6.5%
附電子調
光器之鎢
絲燈
800W 400W
500W
無變化 無變化 無變化
個人電腦 100W 24W
80W
無變化 無變化 無變化
冷氣機 790W 無變化
表二十二 低頻雜訊對小家電的動作影響
五、結論
傳統安定器日光燈特點
1.起動慢、燈管閃爍、體積大及噪音的缺點。
2.會產生三、五、七、九次雜訊,其大小成依次遞減,以三次最大。
3.低頻雜訊造成總失真率約為 12%。
4.雙燈管額定 80W,實測 127W,增加的 47W 電力,由傳統安定器損耗,相當耗電。
5.功因 0.78,實際耗電力為 163VA(127/0.78)。
電子安定器日光燈特點
1.無起動慢、燈管閃爍、體積大及噪音的缺點
2.會產生三、五、七、九、十一、十三、十五雜訊,其大小雖依次遞減,但量很大。
3.低頻雜訊造成總失真率 200%以上,相當嚴重。
4.燈管額定 27W,實測 13W,則相當省電。
6.由於非線性電子電路構成,功因超低,只有 0.23,實際耗電力為 56VA(13W/0.23)。
7.若基板上有加裝濾波電路及功因改善電容器,可有效降低頻雜訊電流及提升功因,
惟成本相對提高。
避難方向指示燈(或家用緊急照明燈)特點
1.平時透過傳統安定器點燈,有起動慢、燈管閃爍、及噪音的缺點。
2.平時除傳統安定器點燈運作,尚需對蓄電池充電,故其產生雜訊比只使用傳統安
定器運作之燈具來得大。
3.產生雜訊主要為三、五、七、九、十一、十五次。
4.停電時,轉由蓄電池供電並經由電子式安定器點燈運轉,討論其雜訊已無意義。
六、參考文獻
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2. 林昆平 著,"An Advanced Computer Code For Single-Tuned Harmonic Filter
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July/Aug 1998.
3.胡忠興 著,”各種照明燈具之諧波問題探討”,第 539 期台電工程期刊,JUL 1993.
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5.林昆平 著,"工業配電諧波問題之改善”,國立台灣大學電機工程研究所 碩士論文,
1995.
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7.張文曜 著,”低頻雜訊電流對電子電路的影響”,第 528 期台電工程期刊,JUL 1992.
8.CNS13783-1 國家標準,”電製品、電動工具和類似裝置之電磁相容要求” .