照明设备除需满足电学、光学、温度、寿命等方 面的基本测试性能外,重要的一项测试就是电磁 兼容性EMC测试。近年来,包括民用家居照明在 内的照明设备市场处于加快速度进行发展中,照明需求呈 现出较快的增长态势,但照明设备的电磁兼容特 性却令人堪忧,据质检总局公布的2014年第四季度LED照明产品质量国家监督专项抽查结果显 示,LED产品电磁兼容不合格项目大多分布在在电源 端子骚扰电压、辐射电磁骚扰等测试项目上。照明 设备除需具备良好的抗电磁骚扰能力外,其自身电 磁骚扰性的合格与否也极大的影响着照明设备在 实际中的应用。
LED照明产品的EMC测试项目可大致分为电磁干 扰(EMI)、电磁敏感度(EMS)、电磁场辐射(EMF)三大 类。 EMI(Electromagnetic Interference)即电磁干扰测 试,是测试LED照明产品产生的可能引起其它事物 (包括设备、系统、人及动植物)性能降低或产生损害 的电磁骚扰。 EMS(Electromagnetic Susceptibility)即电 磁敏感性(抗扰度)测试,是测试LED照明产品对电 磁骚扰如雷击、ESD等电磁现象的抗扰能力。EMF (Electromagnetic Fields) 即电磁场辐射测试是评估 LED照明产品产生的空间电磁场对人体辐射影响,确 保人身安全
表2列举了LED照明产品的EMC测试项目、包括主要测试内容、主要测试设备、测试环境。
照明设备在正常运行的同时也向外辐射着电磁能量,能够最终靠电源线(或信号线)、空间传播等途径对同一电网中或同一环境中的别的设备造成骚扰,产生不良的影响,甚至导致非常严重的危害。本文将着重讨论EMI测试项目中的传导骚扰和辐射骚扰这两个测 试内容。
LED照明设备在接入电网工作时,可通过电源 线/信号线对处于同一电网中的其他用电设备造成骚扰。照明设备的传导骚扰的必须控制在一定的骚扰限 值内(如图3所示),不同的产品的骚扰限值不完全一样,传导骚扰的测试应严格参照《GB 17743 电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》 执行。传导骚扰检测系统(如图1所示)主要由EMI 测试接收机、人工电源网络(LISN)和EMC测试软件组成,为了尽最大可能避免对测试结果的影响,传导骚扰测试一般在电磁屏蔽室内进行。
按照上述的试验布置进行传导骚扰测试,某LED 灯的传导骚扰测试结果如图2(a)所示,图2(a)中上方的两根曲线中规定的 准峰值(QP)和平均值(AV)限值,下方的波动曲线为 LED灯在测试频率范围内的骚扰峰值电压,其中在160kHz~3MHz频段内,该LED灯的电压峰值曲线大大超出了限值。
实际中,许多因素会造成传导骚扰超标,以LED 灯为例,随着基于微处理器构成的用以照明控制和调 光的复杂控制管理系统的引入,LED灯越来越智能化,但 也却提高了其传导骚扰的能力,同时镇流器的使用也 是传导骚扰超标的一种可能因素;此外照明产品的 EMC结构设计、接地设计以及一些关键元器件的选 用等都会对照明设备的传导骚扰能力产生一定的影响。针对 测试结果分析判断干扰源及其特性、干扰途径等,并采取对应的措施,常见的措施如改变/优化滤波电路、共模/差模电容等都能改善照明设备的传导骚扰能力。图2(b)为经整改后,LED灯传导骚扰测试测试值 位于标准规定范围内。
与传导骚扰不同,LED照明设备的辐射骚扰是通 过空间传播辐射骚扰场强,可大致分为磁场辐射和电场 辐射。由于辐射骚扰结果与产品布置的关系尤为密 切,需要严格按照标准布置包括产品、辅助设备、所有 电缆在内的受试样品;此外,随着电气照明和相关设 备技术的迅速发展,照明设备的工作频率也慢慢变得 高,针对测试频段的不同,采用的测试方法和实验配 置也不完全一样。远方的辐射发射测试解决方案可实现 各个测试频段下的辐射骚扰测试,测试方法和实验配 置全部符合标准要求。
对于可能会产生低频磁场(测试频率9kHz~ 30MHz) 的LED灯具设备,需要采用CISPR- 16-1-4标准规定的环形天线系统测量其低频的磁场辐 射骚扰。典型的检测系统如图3所示。检测系统主要 由三环天线、EMI接收机、EMC测试软件等组成,环 形天线系统由三个相互垂直的大环天线米)组成,使用电流转换器把环电流转换为电压,通 过同轴开关切换三个环之一,连接到EMI接收机进 行测量。其中被测物(EUT)放置在三环天线的中间, 测试时被测物无需转动。
对于30MHz以上的辐射发射测试,需要在开阔 场或者电波暗室进行。具体的试验布置如图4所示。 测试时,照明设备(EUT)随转台360度转动,天线距 离地面的高度应在规定的范围内变化,通过升降天线 高度,以寻找辐射最大值,垂直、水平两种天线极化方 向都需要做测量。
对于电气照明设备而言,辐射骚扰测试频率范围为30MHz~300MHz,其骚扰特性主要由系统内连接的电缆决定,因此,CISPR15中规定也可采用CDN(耦 合/去耦合网络)法作为天线测量场强法的替代,CDN 辐射测试布置如图5所示。由于小型EUT引线上由 共模电流引起的辐射发射远大于受试物表面向外的 辐射,利用CDN的稳定共模阻抗,经过测量共模电压 可推导出辐射发射。相比于天线法的辐射发射测试, CDN法辐射发射具有成本低、耗时短等特点,可帮助 企业在产品研发的早期,以较低成本快速获得产品辐 射骚扰性能的反馈。虽然CDN法与天线法之间有 一定差别,并非完美的替代,但其在产品设计初期仍 有着不可忽视的优势,在明确产品特性的前提下, CDN法也不失为一个选择。
EMI接收机是测量电磁骚扰的专用测量仪器。由 于测量对象往往是微弱的连续波信号,及幅值很强的 脉冲信号,所以要求测量机本身的噪声极小,灵敏度很高,检波器的动态范围大,前级电路的过载能力强。 同时还具有多种检波功能,为适应不一样的测量需求,有峰值、准峰值、平均值和有效值等检波功能。
人工电源网络又称线路阻抗稳定网络,是重要的 EMI传导测试设备,大多数都用在被试设备沿电源线向电 网发射的连续骚扰电压测量。该网络具备四项主要功 能:1、为试品提供通路至电网;2、将试品产生的射频 骚扰信号耦合至接收机;3、实现50Ω阻抗匹配;4、阻 止试品产生的射频骚扰信号进入电网;
LED照明产品电磁兼容性(EMC)不合格不仅影 响自身正常工作,还可能会引起配电系统或联接在该系 统上的其它电子电器产品异常工作,在家庭生活 中常见的如导致电视机图像不清晰,音响设备杂音 等。在电磁污染日益严重的今天,要从充斥着各种电 磁污染源中分析出自身产品的电磁兼容特性变得愈 发困难,电波暗室、电磁屏蔽室等专业电磁兼容测试 场所帮您消除烦恼!
通常对电磁骚扰发射的测量,需要一个平坦、空 旷、地面导电率均匀良好,且周围无任何反射物的测 试场地。在电磁污染遍布的今天,想要找到一块符合 开 阔 场 要 求 的 场 地 是 非 常 困 难 的 。 电 波 暗 室 (Anechoic Chamber)是一个为减少反射而在其内表 面上装有射频吸波材料的屏蔽室,可模拟开阔场的测 试条件,主要可用于辐射无线电骚扰(RE)。
电波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由 受试设备(EUT)的外观尺寸和测试要求确定。对于小 型LED照明产品,从节约场地和节省费用方面考虑, 可选用3m法紧凑型电波暗室;对于场地和费用不受 限制的LED照明产品测试,优先推荐选用标准3m法 电波暗室。
电波暗室的性能的好坏决定了辐射骚扰测试的 准确度与否,其中屏蔽效能、归一化场地衰减、场均匀 性性以及场地电压驻波比是衡量暗室的主要性能指 标,吸波材料、屏蔽门等暗室主要部件对暗室性能影 响很大。吸波材料能够吸收投射到其表面的电磁波能 量,对整个暗室性能起着决定性的作用,对于30MHz 以上的辐射骚扰,采用了杭州远方仪器有限公司建造 的电波暗室,其中的吸波材料为复合型吸波材料,它 兼具铁氧体材料和尖劈吸波材料的优点,可确保从 30MHz到高达40GHz频率范围内的暗室性能,完全 覆盖辐射发射的测试频率范围;暗室屏蔽门采用的是 10kHz~18GHz频率范围内插入损耗大于100dB的优质屏蔽门,可有效确保屏蔽性能。
屏蔽室就是用金属材料制造成一个六面体房间,由 于金属板(网)对入射电磁波的吸收损耗、界面反射损 耗和板内反射损耗,使其电磁波的能量大大的减弱, 而使屏蔽室产生屏蔽作用。电磁屏蔽室用于隔离室内 和室外的电磁环境,既可防止外部电磁干扰进入室 内,影响被试设备的测试,又可限制室内大功率高频 设备的电磁泄漏,防止影响周围的人及设备的正常工 作,是传导骚扰测试的理想场地。
如图8是典型的电磁屏蔽室,由远方仪器建造, 主要可用于传导骚扰测试以及三环天线、CDN法辐 射发射,屏蔽室内部采用双面热镀锌钢板作为高架地 板,相比传统的静电地板,具有能够承担重量的能力好,抗氧化能力强、耐磨性好等特点;此外截止通风波导窗在保证 通风性能的前提下,通过更为合理的尺寸设计,使得 屏蔽性能比传统设计的波导窗更具有屏蔽优势;屏蔽 室的最大屏蔽效能优于100dB。
本文整理归纳了国际上照明产品相关电磁兼容 (EMC)测试标准,全面介绍了照明产品EMC测试项 目,并着重阐述了传导骚扰、辐射骚扰这两个EMI项 目的检验测试的内容。电磁兼容性是影响照明产品可靠性及 安全性的主要的因素,对LED照明产品做EMC测试 对于提高照明产品质量,进而促进照明行业健康发展 很有重要的意义。
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