LED七彩蓮花燈變色同步機制的抗電磁爐低頻傳導干擾實例

賴淋香，何 越

（ 中國賽寶實驗室，廣州 510610）

LED七彩蓮花燈變色同步機制的抗電磁爐低頻傳導干擾實例

賴淋香，何 越

（ 中國賽寶實驗室，廣州 510610）

由LED七彩蓮花燈的變色同步機制受大功率電磁爐低頻傳導干擾的案例為出發點，首先 介紹蓮花燈的基本原理及其變色同步機制，然后對出現的問題進行原因分析，最后運用低通濾波器抑制電磁爐的低頻傳導干擾，實現七彩蓮花燈穩定的變色同步。

LED七彩蓮花燈；變色同步機制；低頻傳導干擾

引言

蓮花燈是一種廣泛使用的漢族民俗和民間宗教活動用品，因其外形似蓮花而得名。隨著科技的發展，蓮花燈的性能也發生了很大的提升，由最初的由蠟燭照明，逐漸發展為使用紅色LED燈照明，隨后發展為使用多彩LED燈照明。其色彩也由最初的單一顏色發展為目前廣泛使用的七彩色：紅色、黃色、藍色、綠色、紫色、粉色、白色，該七彩色按照程序設定進行有序、規律地變化，從而使蓮花燈格外的瑰麗奪目。圖1為LED七彩蓮花燈實物照片。

如今很多大型場所使用多盞蓮花燈，產品引入了同步變色機制，使所有同時上電工作的蓮花燈可以同步變換色彩，更重要的是保證長時間內所有蓮花燈顏色一致，從而實現使用場所更加地嚴肅莊重、高檔大氣。因此，多盞蓮花燈的同步變色機制的穩定性顯得重要，尤其不能受到外部的干擾。

1 LED七彩蓮花燈的基本原理和同步機制

圖1 LED七彩蓮花燈實物照片

1.1 LED七彩蓮花燈的基本原理

LED七彩蓮花燈內部電路主要由整流降壓模塊、同步時鐘整形模塊、MCU（單片機）控制模塊等三個模塊組成，如圖2所示。其中整流降壓模塊將市電由220 V/50 Hz轉變為直流15 V，以此作為驅動LED燈發光的電源。同步時鐘整形模塊由電阻和5 V穩壓管組成，將市電波形整形為5 V/50 Hz的方波，該模塊負責為單片機提供同步時鐘，用于完成多盞蓮花燈的色彩同步變換。單片機按照內部程序的設定，通過PWM控制紅色LED、綠色LED、藍色LED的亮度，從而產生絢麗多彩的燈光。在單片機的控制下，使紅、綠、藍三組LED分別兩兩點亮、單獨點亮及同時點亮，就能發出七種不同顏色的光。

1.2 蓮花燈的同步機制

時鐘同步整形模塊是多盞蓮花燈同步變色的核心，其采用了一個巧妙的同步機制，保證了性能的同時又降低了產品的成本：需要同步變色的多盞蓮花燈使用同一供電線路，蓮花燈將市電的正弦波經過采集、整形，生成50 Hz的方波做為同步時鐘。如圖2所示：使用一個電阻（1.5 MΩ）和穩壓二極管（5 V）串聯。當市電相位處于正半軸時，穩壓二極管反向導通，將電壓鉗位在5 V；當市電處于負半軸時，穩壓二極管正向導通，將電壓鉗位在0.2 V，由此原理將市電整形為5 V/50 Hz的方波。此同步節拍的上升沿被單片機中斷I/O捕獲后，通過內部程序控制PWM波的輸出，從而控制顏色的變換。

圖3所示為在同一個區域內的多個蓮花燈使用同一個條電源線路，蓮花燈可能處于不同的位置，但是要求這些蓮花燈同時保持顏色一致，同時變色。

2 遇到的問題和原因分析

如上所述的同一電源線路即同時點亮多盞蓮花燈的使用情況，在我國及東南亞國家（如越南、泰國）的佛教寺廟中應用廣泛，但用戶反應有如下問題：在使用了電磁爐設備后，會導致原本同步變化的多盞蓮花燈出現失調現象：其中部分蓮花燈顏色變化會超前，最終導致了應用場所中蓮花燈的顏色混亂，即大功率電磁爐的工作干擾到了蓮花燈的正常變色節拍，破壞了蓮花燈的變色同步機制。

電磁爐是大功率設備，功率一般大于2 000 W。由于電磁爐的工作原理主要是將公頻電流逆變成20 kHz-40 kHz的高頻電流，此高頻電流通過線圈產生高 速變化的磁場，在金屬鍋底產生渦流，實現加熱的功能。在我國，電子產品的強制認證目錄雖然包含電磁灶（電磁爐），但是強制認證標準不包含電磁兼容相關標準，而在產品設計加入電磁兼容措施，會增加企業的研發和生產成本，因此，很多電磁爐企業在產品設計時缺乏電磁兼容方面的考慮，導致了很多電磁灶在工作過程中會產生比較大的騷擾。例如，2008年廣東質量監督檢驗中心通過對30批次的電磁爐（按GB 4824-2004標準限值）進行抽查，結果表明30批電磁爐傳導騷擾不合格[1]。根據國家質檢總局公布的2015年國家監督抽查產品質量狀況的公告，對電磁爐進行抽查，檢驗項目為電源端傳導和輻射騷擾場強，合格率僅為7.7 %。而在東南亞國家，也缺乏對電磁爐電磁兼容方面的管控。因此，電磁爐對電網產生的騷擾的可能性非常大。本案例出現的情況，電磁爐與蓮花燈存在較大的空間距離，因此先排除空間輻射對蓮花燈的干擾，優先考慮是電磁爐產生的電源傳導干擾對蓮花燈的同步變色機制產生了破壞性的影響。

圖2 LED蓮花燈電路框圖

圖3 統一供電線路上使用n盞蓮花燈示意圖

大功率電磁爐內部存在開關設備，在正常工作時會產生一定程度的騷擾，此騷擾注入到電網，造成電網的污染，即傳導騷擾。具體的表現形式為在電網的50 Hz正弦波上攜帶了電磁爐產生的騷擾，而在同一個區域范圍內，這些電子產品使用同一個電源線路，而蓮花燈同步時鐘整形模塊在從市電中生成50 Hz同步方波時，由于受到電磁爐產生的傳導騷擾的影響，同步時鐘出現許多干擾脈沖，當脈沖干擾出現，同步脈沖提前出現，蓮花燈單片機誤認為干擾脈沖是同步脈沖信號即換色啟動信號，于是開始執行換顏色，這就破壞了同步。圖4為市電輸入電壓波形和對應的同步信號示意圖。其中（a）圖為“干凈”的市電輸入電壓波形圖，（b）圖為由“干凈”的市電信號對應產生的同步時鐘波形圖，（c）圖為攜帶干擾信號的市電輸入電壓波形圖，（d）圖為由攜帶干擾信號的市電對應產生的同步時鐘波形圖。

3 解決方法

綜上所述，要解決問題，要從提高蓮花燈傳導抗擾度方面著手。提高產品傳導抗擾度的措施有很多種，如：使用屏蔽線纜、使用同軸線纜、加入接口濾波器如共模扼流圈、或使用金屬外殼[2]等等方法，由于本例蓮花燈受到成本的壓力以及內部電路尺寸要求的限制，所以采取的措施越簡單有效越好。

考慮到電磁爐給供電線路注入干擾脈沖，因此考慮在同步時鐘整形模塊中增加了一級RC濾波器，如圖5所示。

在圖5中，R和C構成了一階低通濾波器，截止頻率設定為200 Hz，該截止頻率可以保證50 Hz的有效脈沖順利通過，但可以有效的濾除干擾脈沖。依據一階低通濾波器截止頻率f公式（1），R阻值采用1.5 MΩ，C的容值計算為530 pF，生產則選擇為510 pF。

f = 1/(2×π×R×C) （1）

4 低頻段傳導騷擾抗擾度試驗

本次試驗根據GB/T 17626.16-2007《0 Hz~150 kHz共模傳導騷擾抗擾度試驗》的試驗要求，考慮濾波器的截止頻率和電磁爐的工作原理，在20 kHz-40 kHz頻段上最容易產生超標騷擾，因此選擇試驗頻 段1.5 kHz-150 kHz，根據本標準附錄C，試驗電平選擇等級2，表1為試驗等級。

此標準試驗評估分為四個等級：

1）在技術要求限值內性能正常；

2）功能或性能暫時降低或喪失，但能自行恢復；

3）功能或性能暫時降低或喪失，但需要操作者干預或系統復位；

4）因設備（元件）或軟件的損壞，或數據丟失而造成不能恢復至正常狀態的功能降低或喪失。

試驗結果表明，對多盞蓮花燈同時施加等級2的騷擾，它們依然能同步變色，結果達到A等級即在試驗過

圖4 電源輸入波形和同步信號示意圖

圖5 蓮花燈同步時鐘整形模塊優化方案

表1 試驗等級

程中，技術要求限制內性能正常，沒有出現不同步、閃爍、燈光變弱等性能降低的現象。而加入此濾波措施后，市場上用戶反饋，在使用過程中目前沒有再出現同步失效的現象。

5 小結

本文針對市場反饋問題出發，分析蓮花燈同步機制原理，根據電磁爐工作原理，傳導干擾主要發生在低頻段，從而找到解決問題方法——加入低通RC濾波電路，最終解決問題，至今市場反饋此款蓮花燈變色同步穩定。

本例是針對蓮花燈的同步機制受到電磁爐低頻傳導干擾的問題做相應的濾波措施，對于150 kHz-80 MHz的傳導抗擾度按照GB/T 17626.6《射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》標進行，而大于80 MH的干擾，主要是表現形式為空間輻射干擾，選擇輻射抗擾度標準GB/T 17626.3《射頻電磁場輻射抗擾度試驗》進行評估。為了確保產品的電磁兼容性，國內企業應該按照GB 17743《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》和GB/T 18595《一般照明用設備電磁兼容抗擾度要求》對燈具做相應的電磁騷擾和電磁抗干擾方面的控制，而上述的GB/T 17626.6和GB/T 17626.3標準要求包含在GB/T 18595標準要求當中。

[1]鐘遠生.關于電磁爐電磁兼容性的探 討[J].電氣技術, 20 08(10):81-82.

[2]朱文立.傳導抗擾度試驗失敗原因分析及對策[J].安 全與電磁 兼容, 2008(6):80-82

[3]GB/T 17626.16-2007 電磁兼容 試驗 和測量技術 0Hz～150kHz共模傳導騷擾抗擾度試驗[S].

[4]GB/T 17626.6-2008 電磁兼容 試驗和 測量 技術 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度[S].

Case Analysis of Suppressing Conducted Interference From I nduction Cooker for Lotus Lamp’s Color-change Synchronization

LAI Lin-xiang, HE Yue
(CEPREI, Guangzhou 510610)

The color-change synchronization of LED colorful lotus lamp interfered by induction cooker in low frequency is taken as the starting point.Firstly, this paper introduces the basic principle of lotus lamp and its color-change synchronization.Secondly, it analyzes the problems in the case.Finally, low-pass filter is adopted to suppress low-frequency conducted interference in order to achieve lotus lamp’s color-chang e synchronization.

LED colorful lotus lamp; color-change synchronization; low- frequency conducted interference

TN99

B

1004-7204（2016）05-0041-04

賴淋香（1985-）女，漢族，福建省龍巖市人，研究生，工程師，從事電磁兼容檢測與認證工作。

何越（19 89-）男，漢族，福建省南平市人，研究生，工程師，從事電磁兼容檢測與認證工作。