AC-LED的工作原理及技術(shù)應(yīng)用

最近有一種說法“去電源化是大勢所趨”，對于這種說法是需要加以澄清的，因為它誤導(dǎo)了LED的電源行業(yè)。如果按照這種說法，那么所有從事LED驅(qū)動電源的公司人員都應(yīng)該馬上做好關(guān)門的準(zhǔn)備了。其中有一些基本的問題需要搞清楚。

1. 什么是AC-LED

我們知道LED是一種發(fā)光二極管，它本質(zhì)上是一個直流器件。如果我們采用交流市電供電那就至少要有交流變換為直流的電源。那么能不能完全不用這種變換呢，也是可以的，那就是把LED本身當(dāng)作是整流二極管來用，這就是所謂的“AC-LED”，這是7、8年以前就有人提出來的，而且韓國的首爾半導(dǎo)體業(yè)曾經(jīng)大肆宣揚(yáng)過的。我們可以來看一下它的原理：

圖1. 把LED連接成為全波整流橋

只要整流橋的每個臂串聯(lián)足夠的LED就可以承受高壓。為了要讓每個臂能都流通，就必須加上中間這個臂，這樣問題就來了，無論在正弦波的正半周還是負(fù)半周，中間這一個臂是一直都導(dǎo)電的，而其他四個臂就只在上半周或下半周導(dǎo)通，所以它的LED利用率不高發(fā)光效率不高。

2. 恒流驅(qū)動源

更大的問題在于如果把這個AC-LED直接加到市電上，就一定會把LED全部燒毀，因為LED是必須采用恒流電源驅(qū)動的，就是不管所加的電壓如何變動，其驅(qū)動電源必須是電流恒定，否則LED就會燒毀。這是由于其伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)決定的。

圖2是LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)曲線示意圖。一個LED如果在25°C時，加3.3V電壓時的電流是20mA，那么當(dāng)結(jié)溫升高到85°C（通常加電以后就會升高到至少85°C）后，即使電壓還是3.3V，電流就會升高到37mA左右，而電流的升高會帶來結(jié)溫的進(jìn)一步升高。

圖2. LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)示意圖

也就是說當(dāng)LED的結(jié)溫升高時，由于其伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，其伏安特性會整體左移。如果采用恒壓電源供電，其電流就會增加而形成正反饋，最后會導(dǎo)致LED燒毀。所以在AC-LED中，假如直接接到交流電源器結(jié)果一定是燒毀。為了解決這個問題就必須串聯(lián)限流電阻和一個正溫度系數(shù)的保護(hù)電阻PTC如圖3所示。

圖3. AC-LED必須串聯(lián)限流電阻以防燒毀

串上限流電阻以后，其結(jié)果是耗費(fèi)更多無用功率，而使得其效率更低，這種AC-LED要使用比普通LED多一倍的LED數(shù)目，再加上效率極低，所以是根本沒有實用價值的！推出來就沒有市場！

3. HV-LED 這只是把一定數(shù)量的LED串聯(lián)起來，所以它的規(guī)格有限，例如45V等。過去還曾經(jīng)說這是LED的新方向，其實完全不是這樣，因為用戶有各種不同的應(yīng)用，就要求用不同的串聯(lián)個數(shù)，所以串聯(lián)的數(shù)目不容易確定，例如下面的無電解電容系統(tǒng)就很難采用HV-LED。

4. 不要把去電解電容說成是去電源化！

現(xiàn)在有不少人把無電解電容恒流驅(qū)動源說成是去電源化，這是十分錯誤的。因為無電解電容恒流驅(qū)動源只不過是在恒流驅(qū)動源里拿掉了電解電容而已，其他的很多元器件都在，怎么就變成了去電源了呢？去電解電容不等于去電源！

我們先來了解一下什么是無電解電容恒流驅(qū)動源吧。

無電解電容電源的最早創(chuàng)始人是美國硅谷的ExClara公司，他們開發(fā)的芯片是EXC100。它的工作原理如圖4（圖中采用了Supertex的CL8801的原理圖）。

圖4. 無電解電容電源系統(tǒng)的原理圖

這種系統(tǒng)是把整流橋后面的電解電容去掉，使得其輸出電壓保持為半個正弦波的樣子，后面接的全部串聯(lián)的LED串分為幾個小串，然后在半個正弦波期間按照電壓的變化依次點(diǎn)亮這些小串，其點(diǎn)亮?xí)r間圖如圖5所示；

圖5. 無電解電容時各串LED的導(dǎo)通時間圖

由圖中可見，第一串最早導(dǎo)通，導(dǎo)通的時間最長，但導(dǎo)通的電流最小；第二串稍晚導(dǎo)通，導(dǎo)通時間其次，電流也稍大。第三串最晚導(dǎo)通，導(dǎo)通時間最短，電流也最大。這種無電解電容系統(tǒng)后來發(fā)展了很多版本，基本原理都是一樣，只是分的段數(shù)有所不同，例如圖4的原理圖里就是分成4段。國內(nèi)還有分成23段的。不管怎樣，它們都有同樣的缺點(diǎn)和問題。

a） 每串都不是全時間點(diǎn)亮，所以其LED的利用效率低。

b） 各串的電流各不相同，有的低于其額定值，有的高于額定值，所以低于額定值的沒有充分發(fā)揮LED的作用，而高于額定值的就有過負(fù)荷的危險，壽命明顯低于正常驅(qū)動。

c） 前兩項加在一起，使得其總的發(fā)光效率降低，經(jīng)過測試大約低15%左右。

d） 最大的缺點(diǎn)是電流形狀也是半個正弦波，所以其發(fā)光有100Hz的閃爍（在美國為120Hz），這種閃爍對于人眼和人腦都有損害，根據(jù)醫(yī)學(xué)研究結(jié)果認(rèn)為要更高的頻率才沒有影響，所以美國能源之星明確規(guī)定，LED光源的閃爍頻率必須高于150Hz，這也就意味著這種產(chǎn)品根本就無法通過美國能源之星，只好拿到中國和第三世界來用。

e） 而且從圖5的波形圖可以看到還有一段時間是完全不亮的，如果用數(shù)碼相機(jī)或是手機(jī)照相的時候就會產(chǎn)生明顯的斑馬條紋（見圖6）。

圖6. 采用手機(jī)拍攝的無電解電容和有電解電容的照片（無電解電容）

圖6. 采用手機(jī)拍攝的無電解電容和有電解電容的照片（有電解電容）

更為嚴(yán)重的是如果用到安防攝像機(jī)就有可能在黑暗的瞬間拍攝而遺漏了最重要的場景。所以，在安防監(jiān)控攝像區(qū)的照明是嚴(yán)禁采用無電解電容燈具照明的。

f） 這種無電解電容的恒流驅(qū)動源仍然只是普通的線性恒流源（例如恒流二極管），所以它的效率是十分低下的。當(dāng)輸入交流市電電壓變化時，它的效率如圖7所示：

圖7. 無電解電容SU1203的電源效率和輸入電壓關(guān)系曲線

其實所有的線性恒流源的效率曲線都是一樣的，也就是說都是和這條曲線完全一樣，在195-255Vrms從98%變到70%，220V的時候是84%。

5. 無電解電容光引擎

把上面所說的無電解電容恒流源用到光引擎上就成為無電解電容光引擎，光引擎就是光源和電源一體化的產(chǎn)品。實際上無電解電容光引擎的最大特點(diǎn)就是去掉了體積最大的電解電容，而其他所有的元器件都是體積很小的貼片式元器件，所以把這些元器件都放在LED鋁基板上做成光引擎以后，給人產(chǎn)生了一種好像不需要電源的錯覺，最早首爾半導(dǎo)體就用這種辦法來使人以為AC-LED又復(fù)活了。他們也仍然把它稱為模塊化的AC-LED。

例如他們的光引擎Acrich2，從它的電路圖可以看出，它就是采用了無電解電容方案的線性恒流源，只是把所有電路都做到一個模塊里，其外形圖如圖8所示，電路圖如圖9所示。

圖8. 首爾半導(dǎo)體的Acrich2光引擎

圖9. Acrich2的電路圖

我們實測了它的參數(shù)：在220V時，其輸入功率為4.489W，總光通量為297.7 lm，發(fā)光效率只有66.3 lm/W，顯色指數(shù)為83.1，功率因數(shù)為0.975。可見其光效十分低下。而且隨著輸入電壓的增高，其效率還會進(jìn)一步降低（見圖10a和圖10b）。

圖10a 輸入功率和輸入電壓的關(guān)系

圖10b 輸出流明和輸入電壓的關(guān)系

從圖11a中可以看出，當(dāng)輸入電壓從220V增加到255V時，輸入功率增加1.2倍，而輸出流明只增加1.1倍。也就是光效會降低1.1倍。也就是降低為60.3lm/W。根據(jù)Acrich2的數(shù)據(jù)表，它的電源芯片的功率耗散為1W，而輸入功率為4.5W，所以它的電源效率只有78%。而且這個1W的功率加到LED鋁基板上，肯定會增加鋁基板的熱量，提高LED結(jié)溫，從而降低LED的壽命！

國產(chǎn)的無電解電容光引擎更是多如牛毛，不計其數(shù)。

例如芯片采用韓國Login-digital的LID-PC-F103A，LID-PC-R101B的光引擎，采用臺灣AIC的DS6602芯片的光引擎，采用臺灣昌旸SQ9920芯片的光引擎，采用臺灣達(dá)鑫DS6622芯片的光引擎，采用國產(chǎn)晟碟集成SDS3101，SDS3108芯片的光引擎，采用明微電子SM2087芯片的光引擎，Zonopo 8260芯片的光引擎等等。

實際上所有采用無電解電容的光引擎除了上述的缺點(diǎn)以外，還都具有另一個更為嚴(yán)重的問題，就是把一個低效率的線性電源放到了鋁基板上，其結(jié)果就是增加了鋁基板的溫度降低了LED的壽命。究竟降低了多少，可以舉一個例子來說明。

假定一個10W的LED燈，就是說其燈板上有9W的LED。或者說它需要9W的供電。采用無電解電容方案以后它的效率為70%-98%，平均值為84%。也就是它在供給8.4W的功率給LED燈板時，本身要消耗16%的功率，也就是消耗了1.6W的功率。那么如果這個電源也安裝到燈板上去，勢必要增加燈板的熱量，但是燈板增加了不止16%的熱量！為什么？

因為供給8.4W給LED并不是這8.4W全部變成了熱，而是有一部分變成了光發(fā)出去。當(dāng)前的LED的發(fā)光效率在40%左右，也就是有60%的能量都變成了熱量，也就是有5.04W的熱量需要散發(fā)出去?，F(xiàn)在又增加了1.6W，變成6.64W。也就是增加了31.7%的熱量。雖然本來的散熱器也需要把這部分熱量散發(fā)出去，但是現(xiàn)在把這部分熱加到了LED燈板。因為電源是放在燈板的電路面，而電路面要傳到散熱器需要通過兩個絕緣介質(zhì)，一個是印制板的絕緣介質(zhì)，另一個是鋁基板和散熱器之間的絕緣介質(zhì)，所以電路面的溫度和散熱器的溫度是不同的，而LED是放在鋁基板的電路面的。也就是說由于電源放到了電路面就會使鋁基板的電路面熱量增加了31.7%，這會導(dǎo)致LED的結(jié)溫也升高31.7%。假如原來的結(jié)溫是85°C，現(xiàn)在就變成了111.9°C。而結(jié)溫增加對壽命的影響到底有多大呢？這可以參看Cree公司給出的結(jié)溫和壽命的曲線（圖11）。

圖11. 結(jié)溫和壽命的關(guān)系曲線

也就是假如原來結(jié)溫是85度，壽命是31，000小時，那么現(xiàn)在結(jié)溫是112度，壽命就降低到10，000小時。 所以，凡是采用無電解電容恒流源的光引擎其壽命都在10，000小時左右，也就是說，無電解電容光引擎的壽命要比其他LED燈具的壽命縮短3倍！

現(xiàn)在無電解電容光引擎在市面上大行其道，然而他們的生產(chǎn)廠家都沒有告訴消費(fèi)者這些真實的情況。

把“去電源化”作為口號來提倡是不恰當(dāng)?shù)模?/p>

首先，去電解電容根本不等于去電源，而只是恒流驅(qū)動源的一種形式而已，而且它具有很多缺點(diǎn)和問題，根本就不值得提倡。其次，LED是必須要有恒流驅(qū)動源來驅(qū)動的，如果去掉了恒流驅(qū)動而直接用初級電源驅(qū)動，不論是市電還是大功率電池，都是內(nèi)阻很小的恒壓源，很容易就把LED燒毀，更是不應(yīng)該去提倡的。所有的LED都是需要有恒流驅(qū)動源驅(qū)動的，不管是開關(guān)恒流源還是線性恒流源都是一種電源，所以去電源化是根本不可能實現(xiàn)的！

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