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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(jīng)上大學(xué)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(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(xiàn)象還不完全一致，人們對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）對應(yīng)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(cè)目能夠看到某些閃爍，當(dāng)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(fā)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(tài)特性[2] 中介紹了一個基于 SP-45ML 光電管的光強測量電路及其動態(tài)特性，它的輸出電壓與輸入光強（光的能量）成線性關(guān)系。相應(yīng)頻率大于 25kHz，可以用來對于常見到的燈光的光強變化進(jìn)行的測量。
▲ SP-45ML 光電二極管放大模塊及其光導(dǎo)纖維
根據(jù)測量結(jié)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(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(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試
下圖顯示了燈泡的光強信號（藍(lán)色）和施加電壓信號（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娮兓念l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(fā)射的光強是在一定范圍內(nèi)波動，波形呈現(xiàn)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(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)動電路、LED 燈盤封裝在一起。
▲ LED 燈
測量到的光強（藍(lán)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[4] ，這類燈泡內(nèi)驅(qū)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(qū)動電路采用 PWM 驅(qū)動。所以如果放大光強信號，可以看到 LED 燈光強呈現(xiàn)高頻波動的情況，頻率大約為 10kHz。光強的變化頻率很高。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
具體測量光強波動的范圍，大約是 36%左右。
亮度波動參數(shù)
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(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?？梢钥吹剿牧炼茸兓群苄?，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(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較小，工作電壓的波動引起亮度的變化。
▲ 日光燈光強
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：
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，借助于長長的光導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)象，光強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?？臁?/p>
▲ 普通日光燈光強變化
通過對光強數(shù)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(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：
5. 小型鹵素?zé)襞?/h3>
下面是在實驗臺上對于樣品拍照時補光用的小型鹵素?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燈泡的使用壽命。
▲ 小型鹵素?zé)襞?/p>
下面是該燈泡強度變化（藍(lán)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?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：
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：
如果現(xiàn)場觀察經(jīng)過經(jīng)過半波整流后驅(qū)動的白熾燈，實際上是可以感知到它在閃爍的。
※ 結(jié)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(fā)生 20% ~ 50% 的變化，變化曲線呈現(xiàn)正弦波動，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，強度變化頻率大約是 10kHz，亮度波動范圍 35%。
在國內(nèi)，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(fā)射電子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。
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 光強與流過的電流成正比: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107643688
