LED日光燈的性能、電源、結(jié)構(gòu)和壽命詳細(xì)資料

LED日光燈的性能、電源、結(jié)構(gòu)和壽命詳細(xì)資料

摘要：目前中國每年要生產(chǎn)幾十億支熒光燈，這些熒光燈廢棄以后，滲透到地下水中的水銀不知道要給我們的后代帶來多大的危害性。如前所述，LED日光燈比起傳統(tǒng)的熒光燈具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著LED的發(fā)光效率的逐年提高，成本逐年降低，全面取代熒光燈的時(shí)代指日可待。

LED日光燈

　　— 性能、電源、結(jié)構(gòu)和壽命 —

　　最近以來，LED日光燈成為最早進(jìn)入室內(nèi)的LED燈具之一，因?yàn)樗鄬?duì)于熒光燈來說具有很多優(yōu)點(diǎn)。

　　一. 優(yōu)點(diǎn)

　　相對(duì)于熒光燈來說，LED日光燈具有10大優(yōu)點(diǎn)：

　　1.發(fā)光效率高：

　　熒光燈的發(fā)光效率大約是55-80 lm/W(Philips公司T8熒光燈的發(fā)光效率為72lm/W)，而LED的發(fā)光效率在100 lm/W以上，最近Cree公司的XLampXP-G的發(fā)光效率已經(jīng)到130流明/W，而且以后還會(huì)不斷提升。二者之差現(xiàn)在已經(jīng)將近一倍。而以后有可能達(dá)到3倍以上。

　　2.燈具效率高：燈具的效率主要是指有效光效，因?yàn)闊晒鉄羰?60度發(fā)光的，而在反方向發(fā)出的光就沒有什么用處。所以熒光燈通常采用一個(gè)白色的燈罩，可以把相當(dāng)一部分的反向光反射回來，一般來說，熒光燈的燈具效率大約只有70%。而LED日光燈則是120度發(fā)光的，所以全部光都是有效光。雖然有時(shí)候也會(huì)覺得120度發(fā)光角度窄了一點(diǎn)，不過大多數(shù)情況下還是夠用的。而且這個(gè)發(fā)光角度也是可以根據(jù)需要來加以調(diào)整的。

　　前面提到Philips的T8熒光燈的發(fā)光效率為72lm/W，36W的熒光燈一共發(fā)出2592流明，但是燈具效率只有70%，所以有效的流明數(shù)為1814.4流明，而LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過130lm/W，假定為100lm/W，那么只要18W就可以達(dá)到1800流明，也就是只要熒光燈一半的功率就可以有相同的亮度。

　　而且LED的發(fā)光效率還在逐年升高。

　　3.電源效率高

　　因?yàn)樗袩艟叱谉霟粢酝舛际切枰袑ｉT的電源供電的，電源的效率也就影響了整個(gè)燈具的效率。

　　下面以Philips公司的36WT8熒光燈為例。它的額定輸出功率為36W，但是由于接入了電感鎮(zhèn)流器，實(shí)測(cè)輸入功率為42.4W，也就是鐵芯電感損耗了6.4W,效率降低為85%，大多數(shù)國產(chǎn)的鐵芯電感功耗在10W以上，功率因素低于0.512。而LED的電源效率通常高達(dá)90%，一個(gè)18W的LED日光燈只要20W的輸入功率。功率因素也可以達(dá)到0.9以上。

　　和熒光燈相比大約可以節(jié)省一半以上的電，也就是說采用一個(gè)18瓦的LED日光燈可以取代一個(gè)36瓦的熒光燈。

　　不僅如此，LED日光燈還有很多其他優(yōu)點(diǎn)：

　　4.壽命長(zhǎng)：一個(gè)仔細(xì)設(shè)計(jì)的LED日光燈的壽命可以達(dá)到5萬小時(shí)。而一個(gè)熒光燈的壽命通常只有5,000小時(shí)(有些國產(chǎn)的熒光燈壽命只有300小時(shí))。二者相差將近10倍。最好的長(zhǎng)壽命日光燈也只有10,000小時(shí)，二者也還相差5倍。

　　5.不含汞，無污染。我們知道，熒光燈都含有汞。36mm熒光燈中含有25-45mg的汞，26mm(T8)中含有20mg的汞。而熒光燈都是采用易碎的玻璃作為外殼，一旦玻璃破碎，其中的汞就會(huì)馬上就會(huì)蒸發(fā)到空氣中，瞬間可使周圍空氣中的汞濃度達(dá)到10-20毫克/立方米，超過國家規(guī)定的1000-2000倍。而汞是一種對(duì)人體十分有害的有毒物質(zhì)，汞蒸氣達(dá)0.04至3毫克時(shí)會(huì)使人在2至3月內(nèi)慢性中毒，達(dá)1.2至8.5毫克時(shí)會(huì)誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達(dá)到20毫克，會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)物死亡。而1mg的汞就足以污染5454.5公斤的飲用水，使之達(dá)不到飲用標(biāo)準(zhǔn)。而LED日光燈中不含任何有毒物質(zhì)，是一種完全綠色環(huán)保無污染光源。

　　6.色溫范圍廣，幾乎可以提供任意色溫，而且還可以提供紅綠藍(lán)以至任何一種顏色的燈光。

　　7.顯色指數(shù)高，白熾燈的顯色指數(shù)為95，熒光燈為65-80，而LED日光燈則可以>80。

　　8.沒有紫外線輻射。

　　9.非玻璃制品，不易破損，耐沖擊，耐振動(dòng)。

　　10.外置隔離電源的LED日光燈，在燈管兩端都接觸不到市電高壓，只有低于36V的直流安全電壓，不存在觸電的危險(xiǎn)，完全是一種安全的燈具。

　　二.價(jià)格

　　目前LED日光燈唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格高。

　　不過盡管目前LED日光燈的價(jià)格大約是熒光燈的十倍左右，如果聯(lián)系到它的壽命、節(jié)電和無污染來看，仍然是合算的。因?yàn)槿绻蛪勖鼮?,000小時(shí)的熒光燈相比，那么壽命為5萬小時(shí)的LED日光燈就已經(jīng)值得花10倍的價(jià)錢去買，而在其間所節(jié)省的電能就完全是純收益了。在日本，因?yàn)闊晒鉄艉?，所以壞掉的熒光燈還要付出和買一個(gè)新的日光燈同樣的錢作為有毒物質(zhì)處理費(fèi)。所以，在日本即使采用長(zhǎng)壽命(10,000小時(shí))的熒光燈，所付出的錢也相當(dāng)于貴10倍的LED日光燈。

　　在一些24小時(shí)連續(xù)工作的場(chǎng)地，例如地下停車場(chǎng)、24小時(shí)加班生產(chǎn)的工廠等地方。節(jié)電也是十分重要的。如上所述，一根T8的LED日光燈大約可以節(jié)省20瓦電，一年下來就可以節(jié)省20x365x24/1000=175.2度電。假如以每度電0.7元計(jì)算，那么一年下來，可以節(jié)省電費(fèi)122.64元，兩年下來，就可以節(jié)省出這根LED日光燈的成本。以后所節(jié)省的電費(fèi)就成為純收益了。

　　所以現(xiàn)在國外有一種稱之為EMC(能源管理合同Energy Management Contract)作法。就是由一家財(cái)團(tuán)或銀行出資。替一個(gè)地下停車場(chǎng)或商場(chǎng)免費(fèi)安裝LED日光燈，但是要向業(yè)主收取所有節(jié)省下來的電費(fèi)，協(xié)議有效期可能為5年。只要2年以后，就可以回收所有投資，第三年開始，所有節(jié)省下來的電費(fèi)就變成是純收益了。這是一個(gè)十分有利的投資項(xiàng)目。國內(nèi)也開始有人這樣做了。

　　更何況按照Haitz定律，LED的價(jià)格每十年將降低十倍!

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　三.LED

　　為了得到比較均勻的發(fā)光和把熱量分散開，LED日光燈通常都是采用很多個(gè)小功率的LED燈珠串并聯(lián)而構(gòu)成。小功率LED有兩種，一種是插針式，俗稱草帽管，還有一種是貼片式。早期LED日光燈大都用草帽管，但是這種插針式LED因?yàn)闊嶙璐?高達(dá)450°C/W)，光衰嚴(yán)重，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少人用，而大多數(shù)采用貼片式的了。各種LED的主要指標(biāo)為發(fā)光效率，小功率LED通常直接以其發(fā)光的流明數(shù)表示，壽命(通常以在多少結(jié)溫時(shí)的壽命來表示)，和熱阻Rjs。

　　幾種常用的貼片式LED的指標(biāo)如下所示：

(a)

(b)

圖3. 3020(a)的散熱和3014(b)的底板散熱機(jī)構(gòu)

　　由于3020只有兩端電極焊接散熱，而3014采用了底板散熱，所以二者的熱阻相差3倍多，二者的壽命也相差兩倍多。3014 工作于30mA，所以它的發(fā)光也高達(dá)9流明。相當(dāng)于90 lm/W的發(fā)光效率。

　　在日光燈里所用的LED數(shù)目通常在200顆以上，顯然不可能全部串聯(lián)，而必須串并聯(lián)。一般來說，希望串得少的，并得多，這樣，一旦某一串中有一個(gè)LED開路，只會(huì)使這一串不亮，而這一串的電流將分?jǐn)偟绞Ｓ嗟膸茁分腥ァ＠?，總?shù)為200個(gè)的LED，假如連結(jié)成8串25并，每串30mA，25串的總電流750mA，有一串壞了，每一串的電流只增加了1.25mA。反過來，假如連成25串8并，每串30mA，8串總電流240mA，一串開路，30mA 就分到剩下的7路中，每路就要平均增加4.28mA。

　　不過有的LED每個(gè)都有一個(gè)并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管保護(hù)，即使有一個(gè)LED開路，這一串也不會(huì)都不亮，而只是這一個(gè)LED不亮而已。上述問題就不存在。

　　此外，假如串聯(lián)的LED數(shù)目少于10個(gè)，那么它所需要的電源電壓低于35V，也就低于國際安全電壓。

　　究竟串多少并多少，還和電源的可能性有關(guān)。這將在下一節(jié)中討論。

四.電源

　　LED日光燈的電源分為內(nèi)置式和外置式兩種。所謂內(nèi)置式就是指電源可以放在燈管內(nèi)部。這種內(nèi)置式的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以做成直接替換現(xiàn)有的熒光燈管，而無需作任何改動(dòng)。所以內(nèi)置式的形狀都是做成長(zhǎng)條形，以便塞進(jìn)半圓形的燈管中去。

　　下面先介紹兩種內(nèi)置式，非隔離型和隔離型。

　　1.非隔離式恒流電源： 非隔離是指在負(fù)載端和輸入端有直接連接，因此觸摸負(fù)載就有觸電的危險(xiǎn)。

　　目前用得最多的是非隔離直接降壓型電源。也就是把交流電整流以后得到直流高壓，然后就直接用降壓(Buck)電路進(jìn)行降壓和恒流控制。其電原理圖如下圖所示：

圖1. 非隔離恒流源的電原理圖

　　這種非隔離式電源的主要技術(shù)特點(diǎn)：從18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出;采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾，利用隨機(jī)源來調(diào)制振蕩頻率，這樣可以擴(kuò)展音頻能量譜，擴(kuò)展后的能量譜可以有效減小帶內(nèi)電磁干擾，降低系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)難度;可用線性及PWM調(diào)光，支持上百個(gè)0.06W LED的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，工作頻率25KHz-300KHz，可通過外部電阻來設(shè)定。

　　非隔離恒流源的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、指標(biāo)高，它的輸出電流可以按LED串并聯(lián)的個(gè)數(shù)決定。但是大多數(shù)情況下，它的輸出電流不能太大，輸出電壓也不能太高。例如264個(gè)小功率LED連接成22個(gè)串聯(lián)，12串并聯(lián)，每串20mA，一共240mA。體積也可以做得很小，通常是做成長(zhǎng)條形的，以便放進(jìn)T10或T8的管子里。假如每串的電流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔離的電源中就無法實(shí)現(xiàn)，為了保持總電流240mA不變，就只能改成8串并聯(lián)。但假如LED的總數(shù)不變，就要求串聯(lián)的數(shù)目增加到33個(gè)。這時(shí)候總電壓就會(huì)增加到108.9V。但是通常這種非隔離恒流源的允許的最高輸出電壓是80V。只能維持原來的22串，這樣LED的總數(shù)就只能是176顆，即使采用30mA，其總流明數(shù)有可能不能滿足要求。

圖2. 非隔離降壓式恒流源的外形照片

　　通常其效率大約在88-90%之間，功率因素大約在0.88-0.92之間。

　　然而這種非隔離電源也有一些局限性，因?yàn)榉歉綦x的電源會(huì)把交流電源的高壓引入到負(fù)載端，從而引起觸電的危險(xiǎn)。通常LED和鋁散熱器之間的絕緣也就靠鋁基板的印制板的薄膜絕緣。雖然這個(gè)絕緣層可以耐2000V高壓，但有時(shí)螺絲孔的毛刺會(huì)產(chǎn)生所謂的爬電現(xiàn)象，使得難以通過CE論證。

　　2.隔離式恒流電源：隔離式是指在輸入端和輸出端有隔離變壓器隔離，這種變壓器可能是工頻也可能是高頻的。但都能把輸入和輸出隔離起來。可以避免觸電的危險(xiǎn)。這種隔離式的日光燈電源原理圖如圖3所示。

圖3. 隔離式LED日光燈電源原理圖

　　這種隔離式LED日光燈電源外形照片如下圖所示，

圖4隔離式LED日光燈電源的照片

　　一般來說，由于加入了變壓器，所以隔離式電源的效率會(huì)有所降低，通常大約在88%左右。而且變壓器的體積也比較大。放進(jìn)T10燈管還可以，但是放進(jìn)T8的燈管就比較緊張。

3.內(nèi)置式電源的優(yōu)點(diǎn)和代價(jià)

　　內(nèi)置式電源的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠直接替換現(xiàn)有采用電感鎮(zhèn)流器的熒光燈，而不需要拆去任何東西?，F(xiàn)有熒光燈的電源分兩種，如圖5所示：

　　(b)電子鎮(zhèn)流器

圖5. 熒光燈電源電路圖

　　我們知道，最普通的熒光燈的起輝是采用一個(gè)串聯(lián)的鐵芯電感和一個(gè)并聯(lián)的起輝器(圖5a)。

　　在直接替換時(shí)，只要拔掉起輝器就可以了。但是由于鐵芯電感仍然串聯(lián)在電路中，所以它仍然帶來將近6.4-10W的損耗，結(jié)果使得這部分的額外損耗大大降低了LED的節(jié)電功效。例如，本來一個(gè)18W的LED日光燈可以取代一個(gè)36W的熒光燈，不論采用上述非隔離式還是隔離式的電源，其效率至少為88%以上，那么其輸入功率為20.45W，現(xiàn)在還要加上這個(gè)額外的6.4W，使得輸入功率變成26.85W，其總效率也就降低為67%，如果采用某些國產(chǎn)的鐵芯電感，其功耗高達(dá)10W，輸入功率就要變成30.45W，使得總效率只有59%。這就使LED的節(jié)電效能大打折扣。不僅如此，由于電源內(nèi)置，電源的熱量也就加入到管內(nèi)，假定電源的效率為88%，所以就有2.45W的熱量也要散去，假定LED本身的發(fā)光效率為30%，也就是有70%的電功率變成熱量，相當(dāng)于12.6W的電功率變成熱量，現(xiàn)在還要再加上內(nèi)置電源的2.45W的熱量，相當(dāng)于增加了20%的熱量。使得LED的散熱又增加的一份困難，或者說，使得LED的使用壽命也更加縮短。其實(shí)所增加的這部分熱量還不至于縮短太多的壽命(20%左右)，然而把電源放倒管子里面，電源本身就要承受由LED產(chǎn)生的很高的環(huán)境溫度，這就大大降低了電解電容的壽命，也就降低了整個(gè)燈具的壽命。另外真正帶來的問題是使得散熱器的結(jié)構(gòu)不能最佳化。這個(gè)問題才是更為嚴(yán)重的問題，會(huì)使LED壽命降低數(shù)倍之多。這將在以后做詳細(xì)的解釋。

　　假如原來采用的是電子鎮(zhèn)流器(圖5b)，那么直接替換所產(chǎn)生的問題就更麻煩了。因?yàn)檫@時(shí)候加在日光燈兩端的是一個(gè)高頻高壓。必須先用整流器變成直流高壓，再用降壓恒流源去驅(qū)動(dòng)LED。這時(shí)候的效率將變成前面電子鎮(zhèn)流器的效率和后面的降壓恒流源效率的乘積，就可能連70%都不到。

　　4.集中式外置電源

　　為了得到最高的性能最好采用集中式外置電源。因?yàn)槟壳巴茝VLED日光燈的主要場(chǎng)所是政府機(jī)關(guān)、辦公室、商場(chǎng)、學(xué)校、地下停車庫、地鐵等場(chǎng)所，往往一間房間采用不止一個(gè)日光燈，可能在10個(gè)以上。這時(shí)候就應(yīng)該采用集中式的外置電源。所謂集中式是指采用一個(gè)大功率的AC/DC開關(guān)電源，統(tǒng)一供電，而每個(gè)日光燈則采用單獨(dú)的DC/DC恒流模塊。這樣可以得到最高的效率和最大的功率因素。

圖5. 集中式外置電源

　　現(xiàn)在大功率的AC/DC開關(guān)電源的效率很容易做到95%,功率因素可以做到0.995。而降壓式的DC/DC恒流源的效率也很容易做到98%。這樣總效率可以做到93.1%。這時(shí)的性能可以做到最高。

　　以20W LED燈管為例，假如采用非隔離內(nèi)置式電源，直接用220V供電和外置式集中供電比較，實(shí)測(cè)的結(jié)果如下。

　　集中式供電的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。而且，它還是一種隔離式電源，在燈管處沒有220V高壓，只有低于36VDC的直流低壓，也是符合安全使用的條件。

　　另外，這種結(jié)構(gòu)也很容易實(shí)現(xiàn)各種調(diào)光方案，例如手動(dòng)調(diào)光，光敏調(diào)光，只要把調(diào)光控制信號(hào)送到各個(gè)DC/DC恒流模塊就能實(shí)現(xiàn)。其具體的方框圖如圖6圖7所示。

圖6. 手動(dòng)調(diào)光日光燈方框圖

圖7. 光敏調(diào)光日光燈的方框圖

五.結(jié)構(gòu)

　　按說，LED日光燈既然稱為日光燈那么它的結(jié)構(gòu)一定就是熒光燈的模樣，連長(zhǎng)短、粗細(xì)也都一樣，甚至稱呼也是T10、T8、T5，也都一樣，也就沒有什么可以討論的了。其實(shí)則不然。LED日光燈在這方面走了很多彎路，是值得大書特書的。

　　1. 全塑燈管，早期的LED日光燈采用的是全塑燈管，因?yàn)橹饕捎梅歉綦x式電源，為了避免觸電問題，所以更希望采用全塑燈管。里面采用的是φ5的草帽管LED。但是很快就證明了這種日光燈的光衰很嚴(yán)重，壽命非常短，不到1000小時(shí)就壞了。這才發(fā)現(xiàn)，最大的問題是散熱問題。由于把熱量全部封死在管內(nèi)，根本無法散出去，再加上草帽管本來壽命就短，當(dāng)然不可能長(zhǎng)壽命。

　　2. 半塑半鋁管，在發(fā)現(xiàn)了散熱問題以后，就想到采用半塑半鋁的方案(圖8)。

圖8. 半塑半鋁燈管

　　在需要透光的那一半采用塑料，在不需要透光而需要散熱的那一半就采用鋁合金。電源當(dāng)然是放在鋁管里面?？磥韱栴}似乎是解決了。然而因?yàn)長(zhǎng)ED日光燈的功率通常在20W左右，它的發(fā)熱量還是相當(dāng)大的。半根鋁管并不能解決它的散熱問題。所以又提出另一種散熱的鋁管結(jié)構(gòu)。

　　3. 扇骨形鋁管(圖9)。

　　它把電源放到管外，從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。扇骨形鋁管采用扇骨形狀的散熱結(jié)構(gòu)，大大增加了散熱器面積。相對(duì)于半圓形的鋁管來說，它的散熱面積至少增大了3倍以上。再加上電源不放在管內(nèi)，又可以減少熱量，這就大大延長(zhǎng)了LED的壽命。

(a)普通半鋁半塑管

(b)扇骨形鋁塑管

(c)二者的實(shí)物照片

圖9. 扇形燈管

六.壽命

　　我們知道小功率LED指示燈的壽命是非常之長(zhǎng)，只是當(dāng)LED作為照明器件以來，LED的壽命問題才被提出來。其實(shí)LED的壽命完全取決于它的結(jié)溫。只要結(jié)溫夠低，LED的壽命提高到十萬小時(shí)以上是沒有問題的。

　　但是由于LED本身的發(fā)光效率目前還是比較低，大約還有70%的輸入功率要轉(zhuǎn)化為熱能，如果這些熱不能很好地散發(fā)出去，LED的結(jié)溫就會(huì)升高，于是LED的壽命就會(huì)隨之降低。所以延長(zhǎng)LED壽命的根本辦法就是改進(jìn)其散熱。改進(jìn)散熱要從LED本身做起。前面提到的3014，就是靠增加底板金屬面積二改善了散熱，使其熱阻降低到只有51°C/W.。只要散熱器做得足夠好，可以保證接腳溫度在60°C以下，那么其壽命可以保證在5萬小時(shí)以上。

　　我們實(shí)測(cè)的結(jié)果也證明了這點(diǎn)，在25度室溫下，我們測(cè)得鋁散熱器的表面溫度為35度左右，如果在45度環(huán)境溫度時(shí)，那么散熱器表面溫度就應(yīng)當(dāng)是55度，因?yàn)椴捎昧松裙切武X塑管，鋁基板和鋁散熱器的熱阻大約50°C/W。所以到LED底板溫度大約是60度。因此可以保證其壽命為5萬小時(shí)以上。

　　最后我們可以給出各種結(jié)構(gòu)和電源的綜合優(yōu)缺點(diǎn)比較表：

　　展望

　　目前中國每年要生產(chǎn)幾十億支熒光燈，這些熒光燈廢棄以后，滲透到地下水中的水銀不知道要給我們的后代帶來多大的危害性。如前所述，LED日光燈比起傳統(tǒng)的熒光燈具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著LED的發(fā)光效率的逐年提高，成本逐年降低，全面取代熒光燈的時(shí)代指日可待。

　　但是現(xiàn)在全國每年頂多生產(chǎn)幾十萬支LED日光燈，而且大部分是出口，國內(nèi)使用寥寥無幾。

　　實(shí)際上，應(yīng)該說即使現(xiàn)在它在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)是完全值得取代現(xiàn)有熒光燈，再加上它的無毒，環(huán)保，…，等等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在就值得大力推廣。尤其是作為政府和各種非盈利綠色環(huán)保組織和機(jī)構(gòu)，從現(xiàn)在開始就應(yīng)該大力宣傳各種LED燈具的優(yōu)越性，對(duì)廣大人民群眾進(jìn)行宣傳教育，宣講其優(yōu)越性。各個(gè)銀行、金融機(jī)構(gòu)更應(yīng)該全力參加EMC合同，減少人們的顧慮，使得其更容易推廣。尤其是節(jié)能環(huán)保是關(guān)系到減緩大氣變暖、拯救地球的重要措施。是人人都要積極行動(dòng)起來的頭等大事。希望我們推廣LED日光燈也能在這個(gè)過程中貢獻(xiàn)我們一份微薄的力量。

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