Ripple på lyset

Når en lyskilde bliver forsynet fra en varierende spænding, som fx nettets sinusformede 50 Hz vekselspænding, så er der en god sandsynlighed for, at også lyskildens lysafgivelse er varierende, selvom variationen som oftest er for lille eller for hurtig til at kunne opfattes af det menneskelige øje.

I denne artikel undersøges lys fra forskellige lyskilder ved hjælp af en lyssensor med kort responstid tilsluttet en com­puter med noget oscilloskop software.

Lyssensoren er ikke kalibreret i forhold til lystekniske enheder. Målingerne afsættes på en skala fra 0 til 100 med en opløs­ning på 0,1. Hvis lyssensoren anbringes for tæt på lyskilden går den i mætning og målingen resulterer i indeks 100. For sammenligningens skyld er sensoren i alle tilfælde anbragt i en afstand fra de enkelte lyskilder, så lysstyrken topper omkring indeks 80. Amplituden på pulsationerne fra de enkelte lyskilder kan således sammenlignes.

Glødepære, 60 watt

Lysripple, 60 W glødepære

Lyspulsationen fra 60 W glødelampen opfattes ikke af øjet, men afspejler meget tydeligt den sinusformede vekselspænding, som lampen forsynes med.

Netfrekvensens 50 Hz bliver til 100 Hz når man kigger på ovenstående fremstilling af lysstyrken. Det skyldes, at lyset blot begynder at stige i styrke igen når vekselstrømskurven passerer nul og går fra den positive halvbølge til den negative ditto. Når netspændingen har udført henholdsvis en positiv og en negativ halvperiode har lyset aftegnet to ens forløb, frekvensen er fordoblet.

Sluk, 60 W glødepære

Lyset forsvinder i takt med at glødetråden køler af når der ikke længere passerer en elektrisk strøm i lampen. Det tager omkring 0,1 sekund før lyset er helt forsvundet. Pulsationerne ophører øjeblikkeligt når der på kontakten bliver afbrudt for strømmen.

Glødelampen har en blødere ud- og indkobling af lyset end fx lys baseret på lysdioder. Det bemær­kes uden hjælp fra måleudstyr på fx de nyere udgaver af lyssignaler i gaderne baseret på lysdioder. Disse har en meget brat overgang ved skift mellem de forskellige lys i forhold til de bløde overgange ved traditionelle lyssig­naler baseret på 12 V glødelamper.

Tænd, 60 W glødepære

Som ved slukning af en glødelampe, går der ca 100 ms før lyset når fuld styrke. Vekselspænd­ingen sætter sit præg på den stigende lyskurve.

I litteraturen er der forskellige bud på, hvor langt ned i frekvens man kan tillade sig at gå, før lyset fra en glødelampe resulterer i synlige fluktuationer...

Mellem hvert par af påfølgende bølger, på det tidspunkt, hvor strømmen ændrer retning, løber der ingen strøm i kredsløbet. Følgelig kunne det formodes, at når en vekselstrøm på fx 120 Hz sendes gennem en lampe, eftersom der vil være 240 øjeblikke for hvert sekund, hvor der ikke løber nogen strøm, at lyset som lampen afgiver vil pulsere som et resultat af at blive udslukket og gentændt 240 gange pr sekund. Rent faktisk så eksisterer denne tendens til at pulsere. Når frekvensen imidlertid er tilstrækkelig høj sker der det, at før glødetråden taber nok varme til at stoppe med at gløde, så modtager den en ny mængde varme fra den påfølgende strømbølge. Ydermere har øjets nethinde en tendens til at bevare lysindtryk i så lange brøkdele af et sekund, at en tilsyneladende ensartethed i lyset befordres. Resultatet er, at når frekvensen er over omkring 30 Hz, svarende til 60 vekslinger pr sekund, så er lyset fra en glødelampe praktisk talt jævnt.
[Edwin J. Houston og A. E. Kennelly: Electric Incandescent Lighting, 1896]

Periodetallet blev lykkeligt fastsat til 50. For 25 à 30 Aar siden var der megen Tvivl om, hvilket det rigtige Periodetal skulde være. 25 Perioder var der meget, der talte for, og 42 blev benyttet i England af det største private Selskab uden for London, som tillige havde elektrisk Jernbanedrift. U. S. A. benyttede almindeligt 60 Perioder.
[C. Hentzen: 40 Aar i Københavns Elektricitetsværkers Tjeneste, 1933]

Ved Periodetal paa under 25 kan man iagttage, at Lysstyrken varierer med den vekslende Strøm. Disse Bemærkninger gælder saavel for almindelige Kultraadslamper som for Metaltraadslamper, der nu er i Handelen for Spændinger op til 250 Volt for Lysstyrker fra 16 Lys til 1000 Lys.
[F. C. Leth og H. Rée: Vejledning for elektriske Installatører, II. Vekselstrøm, 1909]

I Nutidens Stærkstrømsteknik har man imidlertid aldrig at gøre med Strømme, der skifter Retning Tusinder eller blot Hundreder af Gange i Sekundet. Ofte anvendes Vekseltallet 100 (dvs. Periodetallet 50) og undertiden gaar man ned til 50, hvad der dog er for lidt til Belysningsbrug, da Svingningerne mærkes af Øjet.
[Helge Holst: Elektriciteten, 1910-11]

Skal Strømmen bruges til at føde Gløde- og Buelamper, maa Vekselhastigheden mindst være 40.
[J. B. Bruun: Elektrisk Belysning i Theori og Praksis, 1897]

Halogenbelysning, 12 volt 10 watt

Lysripple, 12 V 10 watt halogenbelysning

Lysripplen har samme form som ved 60 glødelampen og afspejler netfrekvensen. Pulsationerne er reduceret til cirka den halve amplitude.

Den amplitudemæssigt mindre pulsering ved 12 V halogenbelysningen i forhold til 230 V glødepæren, kan meget vel skyldes en større termisk træghed i en materialemæssigt kraftigere 12 V glødetråd fremfor en tyndere 230 V glødetråd...

[...] det kan undertiden være nødvendigt, at træffe særlige Forholdsregler mod den generende Flimring. Saadanne Foranstaltninger bestaar som oftest i Anvendelse af Lamper til lav Spænding og stor Strøm, da de tykke Traade paa Grund af den større Varmekapacitet giver mindre Flimring.
[G. Weber: Belysningsteknik II, Lyskilderne, 1941]

Lysstofrør, 5 watt

Lysstofrør, pulver og ikke pulver

Et demonstrationslysrør er til højre i billedet fremstillet uden en indre belægning af lyspulver. Syn­ligt lys er som det ses også til stede uden pulverbelægning. Hovedparten af lyset i et traditionelt lysstofrør bliver imidlertid dannet ved hjælp af rørets indre belægning af fluorescerende pulver.

Lyset fra et relativt lille lysrør på 5 watt, der sidder som en feature på en 12 V jumpstarter (starthjælp) til en bil, undersøges.

Lysstofrør, 5 watt

På billedet ses lyset fra et ca 15 cm langt T5 lysrør i en 12 V jumpstarter.

Måles spændingen over lysrøret kan det konstateres, at akkumulatorens spænding på 12 V DC på sin vej til lysrøret bliver omdannet til en langt højere højfrekvent spænding.

Spænding over 5 watt lysstofrør

Spændingen over lysrøret målt med et oscilloskop. Den effektive spænding er på 67,56 V men peakspændingen er helt oppe på 228 V. Spændingens frekvens måles til 27,28 kHz.

Med den højfrekvente forsyningsspænding kan der ikke med lysføleren registreres nogen synderlig lysripple, som det ses nedenfor.

Lysripple, 5 watt lysstofrør

Lysudsendelsen fra lysrøret, der er resultatet af en højfrekvent spænding med en frekvens på over 27.000 Hz, er nogenlunde jævn. Den sine steder lidt tykkere linje antyder, at der faktisk er en smule højfrekvent ripple i lyset fra lyskilden.

Kompaktlysstoflampe, 7 watt

Lysripple, 7 watt kompaktlysstoflampe

Lyset fra 7 watt kompaktlysstoflampen afgiver en lavfrekvent ripple som 60 watt glødelampen. Kurveformen er dog lidt anderledes, hvilket givetvis skyldes lampens indbyggede forkobling.

Lysstofrør, 9 watt

9 watt lysstofrør

Lys fra et to-fingret 9 watt lysstofrør i en bordlampe.

Lampen er udstyret med en traditionel forkobling og følgelig en spænding med netfrekvensen 50 Hz.

Lysripple, 9 watt lysstofrør

Lysripplen fra 9 watt lysstofrøret er betydelig.

Den kraftige lyspulsation indikerer, at lyspulveret ikke på samme måde som fx selvlysende visere på et ur er i stand til at "holde" på lyset. En kurve over lysets forsvinden ved afbrydning på lampens kontakt viser da også, at lyset er helt væk efter ca 20 ms til forskel fra glødelampens ca 100 ms.

Med hensyn til lysafgivende materialer skelnes i øvrigt mellem fluorescerende og fosforescerende stoffer. Ved fluorescens er udstrålingen momentan i forhold til den påvirkende stråling mens der ved fosforescens er tale om, at udstrålingen vedbliver nogen tid efter aktiveringen.

Lysstofrør, 18 watt

Lysripple, 18 watt lysstofrør

De målte lyspulsationer er her lidt mindre end ved 9 watt lysstofrøret. De er dog stadig ca 3 gange så store som ved den testede 60 W glødelampe.

LED lyskilde, 7 watt

7 watt LED lyskilde

LED lyskilden er i det ydre formet som en traditionel glødelampe. Bag den uigennemsigtige kolbe er der et antal lysdioder.

Lysripple, 7 watt LED lyskilde

Lyspulsationerne på 7 watt LED lyskilden er ca dobbelt så store som på den målte 60 watt glødelampe.

LED lyskilde, 48 x 0,1 watt, jernkernetrafo

48 x 0,1 watt LED lyskilde

48 lysdioder af 0,1 watt på rad og række i en skrivebordslampe.

Lysripple, 48 x 0,1 watt LED lyskilde

Pulsationerne i lyset fremviser en usymmetri i forhold til fx den nydelige sinuskurve ved gløde­lampen. Det er en indikation på, at der er en udglatningskondensator indbygget i strømforsyningen.

Som tidligere nævnt udtoner lyset relativt hurtigt fra en LED lyskilde når strømmen afbrydes.

Sluk lampetryk, 48 x 0,1 watt LED lyskilde

Sådan forsvinder lyset på 48 x LED lampen, når der slukkes på lampens tryk. Der er et lille offset på lysmålingen, der betyder, at scopet viser ca 1,8 selvom lyssensoren befinder sig i totalt mørke.

Antagelsen om en kondensator i lampens strømforsyning undersøges.

Sluk stikkontakt, 48 x 0,1 watt LED lyskilde

Hvis 48 x LED lampen i stedet slukkes på den anvendte stikkontakt, er der et længere tidsforløb til lampen holder helt op med at lyse. Det skyldes givetvis energidepotet i strømforsyningens kondensator.

LED lyskilde, 4,6 watt, switch-mode strømforsyning

4,6 watt LED lyskilde

En skrivebordslampe med en enkelt lysdiode på 4,6 watt. Strømforsyningen er af switch-mode typen.

Lysripple, 4,6 watt LED lyskilde

En måling på spændingsforsyningen til 4,6 watt LED lampen viste en særdeles jævn spænding med knap målbar ripple. Det afspejler sig i lyset fra lampen, der er helt fri for (målbar) pulsering.

Respons ved tænd og sluk er blevet undersøgt på denne lampe.

Tænd, 4,6 watt LED lyskilde

Det tager ikke mange millisekunder fra der bliver tændt for 4,6 watt LED lampen til der er fuldt blus.

På de relativt korte tider bør det haves i baghovedet, at lyssensoren selv kan spille ind på den aftegnede kurve. Lyssensoren har naturligvis også en hvis træghed fra den påvirkes med lys og til den afgiver et ækvivalent elektrisk signal.

Sluk, 4,6 watt LED lyskilde

Lyset fra 4,6 watt LED lampen forsvinder også hurtigt, sammenlignet med fx en 60 watt gløde­lampe. En del af kurven kan skyldes træghed i lyssensoren som nævnt ovenfor. Det er altså muligt, at lyset i virkeligheden forsvinder endnu hurtigere end kurven indikerer.

Glimlampe

Glimlampe på stikdåse

En glimlampe indbygget i en afbryder på en flerstikdåse.

Lysripple, glimlampe

Der kommer ikke meget lys fra sådan en glimlampe. Selv med lyssensoren placeret helt tæt på lyskilden kan det målte niveau ikke løftes til mere end indeks 15. Lysets pulsationer afspejler netfrekvensen.

En slutreplik fra Georg Weber [1903-1959] ...

Belysningen skal også være regelmæssig i tid, hvilket vil sige, at den ikke må pulsere mærkbart. Man regner som regel med, at dersom frekvensen er så høj, eller amplituden så lille, at pulsationen ikke direkte mærkes, så gør den heller ingen fortræd. Nærmere undersøgelser må dog foretages, inden dette spørgsmål er klarlagt fysiologisk, men minimumskravet må i hvert fald være, at pulsationen er umærkelig.
[G. Weber: Lille belysningsteknik, 1960]

• Hvor længe er et traditionelt lysstofrør om at afgive fuld lysstyrke?
• Fejlfinding på et lysrørsarmatur
• Edison - glødelampens ophavsmand
• Lys i en lysdiode
• Glimlampe

• Electric incandescent lighting (1896) [archive.org]