專家解讀LED吸頂燈及其驅(qū)動電源

2012年將是LED全面、大規(guī)模進(jìn)入家庭的一年。美國家庭中主要是采用E26型的白熾燈。但在中國的城市家庭中則很少有人還用白熾燈，而大多數(shù)采用彎曲熒光燈管的吸頂燈。如何生產(chǎn)價格低廉、性能良好的LED吸頂燈將是對于LED從業(yè)者的一個極大的挑戰(zhàn)。為了做好這一替代工作，我們首先要對普通吸頂燈有充分的了解，才能做到知己知彼百戰(zhàn)百勝。

　　一、普通吸頂燈

　　1.1吸頂燈的外形

　　普通吸頂燈的外形雖然有很多種（圖1），但最普通的就是圓形或方形，復(fù)雜的則更有各種奇形怪狀的水晶吸頂燈：

圖1.各種形狀的吸頂燈

　　1.2吸頂燈的燈管

　　其燈管大多是彎折后的T5熒光燈（圖2），品種規(guī)格繁多，主要有以下幾種。

圖2.用于吸頂燈的熒光燈

　　1.3吸頂燈的功率，并沒有明確的規(guī)定。

　　其功率最常用的有10W、16W、21W、28W、32W、38W、40W等幾種。

　　二． 普通吸頂燈的問題和缺點(diǎn)

　　2.1 發(fā)光效率低

　　帶鎮(zhèn)流器節(jié)能燈的整燈光效只有55lm/W，最高的大功率U型也只有80lm/W。而且因?yàn)樗羞@些吸頂燈大多采用T5型燈管，折彎成各種形狀。但不管最后折彎成什么形狀，它都是360度發(fā)光的，其中向上的180度的光線必須反射回來才會變成有用的光線，這個反射過程就會損失很多光。所以做成燈具以后的光效至少要打70%的折扣。也就是上述光效還要再乘以0.7。而且在實(shí)際使用時，它的亮度隨時間衰減得很快。例如一根飛利浦的32W環(huán)形T5三基色燈管YH32RR16，色溫為6500oK，其發(fā)光效率為67lm/W，總流明數(shù)為2150lm，實(shí)際上只有70%的光線可以利用。也就是只有1500lm。

　　2.2 含汞

含汞圖示

　　而汞的沸點(diǎn)很低，在常溫下可蒸發(fā)。一支廢舊丟棄熒光燈破碎后，立即向周圍散發(fā)汞蒸氣，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)定的汞在空氣中最高允許濃度（為0.01毫克/立方米）的1000至2000倍，人體一次吸入2.5克汞蒸氣即有生命危險。而且液態(tài)汞的滲透率極高，掉到地下以后就會立刻滲入地下污染地下水。1毫克汞足以污染5454.5公斤飲用水，使之達(dá)不到安全的飲用標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在拼命推廣節(jié)能燈，實(shí)際上也是對我們子孫不負(fù)責(zé)任的做法。

　　2.3 壽命低

　　節(jié)能燈管按照熒光粉劃分有：混合粉、鹵粉、三基色。鹵粉壽命在3000～4000小時；混合粉壽命在4000～6000小時；三基色號稱在8000小時以上。

　　2.4鎮(zhèn)流器質(zhì)量低

　　熒光燈所用的鎮(zhèn)流器大多數(shù)無法給出足夠的功率，例如作者實(shí)測一個32W熒光燈所用的鎮(zhèn)流器其輸出功率只有16W，也就是只有50%的額定功率。而且所有熒光燈的壽命之所以短，主要是鎮(zhèn)流器的壽命很短，而且一旦熒光燈損壞，鎮(zhèn)流器通常也跟著損壞。幾乎所有人的經(jīng)驗(yàn)都是一般一年就要換一次鎮(zhèn)流器或燈管，大多數(shù)時候是一年不到，兩個都要換。

　　2.5 價錢也不便宜

　　一般的吸頂燈價錢在幾十到幾百元的都有，國外品牌的吸頂燈要600元以上，至于一些帶有水晶飾物的吸頂燈，價錢高達(dá)幾千元以上比比皆是，而其光源只不過頂多是一個40W的異形熒光燈而已。所以吸頂燈不像普通節(jié)能燈那么便宜。

　　三、LED吸頂燈的優(yōu)點(diǎn)

　　3.1 發(fā)光效率高

　　LED本身的發(fā)光效率已經(jīng)到達(dá)130lm/W以上，所以LED吸頂燈的整體光效已經(jīng)可以達(dá)到100lm/W。而且這個效率還在每年增長，據(jù)估計，到2020年，LED本身的發(fā)光效率將會達(dá)到240lm/W。光效高就意味著節(jié)能。根據(jù)實(shí)測的結(jié)果，一盞8W的LED就可以取代一盞32W的吸頂燈。電功率可以節(jié)省4倍以上。

　　3.2 壽命長

　　LED的壽命為10萬小時，做成燈具以后，現(xiàn)在實(shí)際上公認(rèn)的壽命為至少3萬小時，高質(zhì)量的可以做到5萬小時，要比熒光燈長10倍以上，即使最高壽命的三基色熒光燈的壽命為1萬小時，也還高出5倍以上。

　　3.3 不含汞

　　3.4 無紫外線輻射，無光線污染

　　3.5 可以根據(jù)需要提供各種色溫的光線，通常有2550-3700oK，和4700-7000oK。

　　3.6 無玻璃零部件，耐沖擊、振動，便于運(yùn)輸。

　　3.7 不需要鋁制散熱器，成本低，重量輕

四、LED吸頂燈的構(gòu)成和散熱

　　不考慮華麗的水晶吸頂燈，普通LED吸頂燈的構(gòu)造和普通吸頂燈沒有什么區(qū)別。都是由底殼，外罩，電源，燈等4個部分組成。

　　4.1 LED吸頂燈的燈珠

　　通常對于功率大于30W以上的大多采用1W的LED燈珠，低于30W的大多采用小功率LED燈珠（例如3020，3014，3528等）。建議采用貼片式小功率LED，以便于散熱，也可以提高發(fā)光的均勻度。

　　燈珠可以按照其外形來排列，例如假定外形為圓形，那么燈珠就排成圓形，反之，假如外形是方形，那么就排成方形。即便如此，燈珠的排列也還是有很多種方法，一個典型的LED吸頂燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3. LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖中圓環(huán)形的印制板上有兩圈LED燈珠，它是采用23顆0.4W的5730型LED燈珠，總共功率為18W。中間的長方形為其恒流電源，方盒右下角則為遙控接收器的光敏二極管，以接收遙控亮度的紅外控制信號。

　　需要提出的是仍然有大量的低價LED吸頂燈采用了小功率草帽燈，然而由于草帽燈的熱阻很大（450℃/W），很難把熱導(dǎo)出，因而光衰嚴(yán)重，壽命很短。

　　4.2 LED吸頂燈的燈罩

　　燈罩通常采用PC板，其性能如下：

　　（1）透光性：P C板透光率最高可達(dá)89%，可與玻璃相妣美。UV涂層板在太陽光下爆曬不會產(chǎn)生黃變，霧化，透光不佳，十年后透光流失僅為6%，PVC流失率則高達(dá)15%—20%，玻璃纖維為12%-20%。

　　（2）抗撞擊：PC板撞擊強(qiáng)度是普通玻璃的250-300倍，同等厚度亞克力板的30倍，是鋼化玻璃的2-20倍，用3kg錘以下兩米墜下也無裂痕，有“不碎玻璃”和“響鋼”的美稱。

　?。?）防紫外線：PC板一面鍍有抗紫外線（UV）涂層，另一面具有抗冷凝處理，集抗紫外線、隔熱防滴露功能于一身?？勺钃踝贤饩€穿過，及適合保護(hù)貴重藝術(shù)品及展品，使其不受紫外線破壞。

　?。?）重量輕：比重僅為玻璃的一半，節(jié)省運(yùn)輸、搬卸、安裝以及支撐框架的成本。

　?。?）阻燃：國家標(biāo)準(zhǔn)GB50222—95確認(rèn)，PC板為難燃一級，即B1級。PC板自身燃點(diǎn)是580攝氏度，離火后自熄，燃燒時不會產(chǎn)生有毒氣體，不會助長火勢的蔓延。

　　（6）可彎曲性：可依設(shè)計圖在工地現(xiàn)場采用冷彎方式，安裝成拱形，半圓形頂和窗形。最小彎曲半徑為采用板厚度的175倍，亦可熱彎。

　?。?）溫度適應(yīng)性：PC板在-100℃時不發(fā)生冷脆，在135℃時不軟化，在惡劣的環(huán)境中其力學(xué)，機(jī)械性能等均無明顯變化。

　?。?）耐候性： PC板可以在－40℃至120℃范圍保持各項(xiàng)物理指標(biāo)的穩(wěn)定性。人工氣候老化試驗(yàn)4000小時，黃變度為2，透光率降低值僅0.6％。

　　4.3 LED吸頂燈的散熱

　　采用小功率的LED燈珠，排列分散一些，可以有助于散熱。吸頂燈在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)也是有利于散熱的。

　　1. 內(nèi)部空氣無阻擋自由流通。這是吸頂燈相比于其他燈具最大的優(yōu)點(diǎn)。密閉而不流通的空氣是一種絕熱性能很好的絕熱體，反過來，能夠自由流通的空氣卻是最好的散熱體。世界上所有的發(fā)熱物體最后都是把熱量散發(fā)到空氣中去的。因?yàn)槲敓舻牡装逵泻芏嘈】?，所以在吸頂燈的燈罩里，LED燈珠所產(chǎn)生的熱量可以通過空氣立刻傳遞到外邊去。

　　2. 燈罩能夠很好散熱。我們知道對流和輻射散熱主要和面積及材料有關(guān)，而塑料的輻射散熱的效果是很好的，而且燈罩的厚度很薄，所以塑料的導(dǎo)熱不好的影響可以忽略。這可以從圖4中加以說明。

圖4：較薄的厚度減小了導(dǎo)熱系數(shù)的作用

　吸頂燈的泡殼厚度只有1-2mm。所以雖然它的導(dǎo)熱系數(shù)只在0.1-1W/mk，但還是能夠很快地把熱量從一邊傳到另一邊。

　　而且塑料的輻射能力是很強(qiáng)的，見下表：

導(dǎo)熱系數(shù)

　所以泡殼可以很好地輻射散熱。因?yàn)樵谖敓舻膬?nèi)部空氣的流通很好，很容易把熱量帶到泡殼上。所以燈罩起了主要的散熱作用。

　　3. 面積大：根據(jù)圓形的面積計算公式：S=πr2，或S=π（d/2） 2，對于一個直徑為45cm的圓形吸頂燈，它的底板面積就是1590cm2。因?yàn)槲敓敉ǔ０惭b在室內(nèi)，沒有過高室溫，所以可以采用40cm2/W的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，那樣也可以散去40W的功率。但是由于底板靠近天花板，不易散熱，所以底板的實(shí)際散熱效果會差很多。

　　而燈罩因?yàn)槭乔嫘危涿娣e要比圓形更大，而且它的安裝朝下，沒有任何阻擋，所以散熱效果要比底板更好。

　　4. 關(guān)鍵的問題是要把安裝LED燈珠的鋁基板或印制板的銅箔面積做得足夠大。

　　實(shí)驗(yàn)證明，對于小于30W的吸頂燈采用普通的印制板就可以很好地散熱，而且為了利用自由流通的空氣。在印制板的兩面把熱量帶走，所以也不需要把鋁基板或印制板通過導(dǎo)熱膠緊貼底板來散熱，反而要把印制板墊高離開底板5mm，以便空氣流通。

　　5. 底板上多打一些通風(fēng)孔會對散熱有很大的好處。這些通風(fēng)孔應(yīng)當(dāng)打在外圈，以免被阻擋。但也可能帶來小蟲鉆入的可能性。

　　采取以上措施以后，LED吸頂燈并不需要很重的鰭片式散熱器也可以滿足散熱的要求。可以說LED吸頂燈是唯一不需要特制的鋁散熱器的LED燈具。

五、LED吸頂燈的電源

　　現(xiàn)在讓我們先來看一下普通吸頂燈的電源。

　　普通吸頂燈通常采用電子鎮(zhèn)流器，或者稱為高頻變壓器。但是市面上的電子鎮(zhèn)流器的質(zhì)量都比較差。例如，作者就測試了一款普通吸頂燈安裝了飛利浦的32W環(huán)形燈管。實(shí)測的結(jié)果如下：Pin=16W，PF=0.62。所以它只用到環(huán)形燈管50%的功率，而且功率因數(shù)也很差。作者也測試了一個9W節(jié)能燈的參數(shù)，測得Pin=8.4W，PF=0.563

　　二者的功率因數(shù)都不能滿足>0.7的要求，但仍然在市面上大量流通。

　　對于LED吸頂燈的電源可以分為非隔離式和隔離式兩大類：

　　5.1 非隔離恒流源，由于LED吸頂燈不像球泡燈那樣容易被用戶用手觸摸到，而且由于不需要接觸式導(dǎo)熱，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易把鋁基板或印制板和金屬底板絕緣起來，所以采用非隔離電源是可以很容易通過CE、UL等安全認(rèn)證。再加上它的安裝通常是由專業(yè)的電工來安裝，也減小了用戶觸電的危險。

　　我們知道LED必須采用恒流源來驅(qū)動，否則由于它的負(fù)溫度系數(shù)，而會使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高，壽命縮短。恒流源分為線性和開關(guān)式兩種。線性恒流源的優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），簡單，成本低。它的缺點(diǎn)是效率比較低。

　　1. 采用恒流二極管的非隔離恒流源

　　恒流二極管是一種線性恒流源，它的恒流作用可以用來驅(qū)動LED。最簡單的方法就是把恒流二極管直接和LED串聯(lián)。但是我們在用于LED驅(qū)動時必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?/p>

　　最低電壓

　　由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流，所以太低的電源電壓是無法工作的。通常這個Vk大約在5-10V左右。

　　最高電壓

　　由于恒流二極管必須能吸收掉電源電壓的變化，對于同樣的百分比，220V就要比110V的變化范圍大一倍。例如對于+10%~-20%的變化范圍，對于220V就意味著22+44=66V的變化范圍，經(jīng)過橋式整流以后這個變化還會加大1.2倍，變成79.2V。而對于110V電源，同樣的變化范圍只相當(dāng)于39.6V的變化范圍。電壓越低，就意味著功耗越小，效率越高。所以可以說恒流二極管更適用于110V市電的國家。

　　最大電流

　　由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二極管就很難提供。即使能夠提供，它的功耗也過大而使整體效率大為降低。

　　恒流二極管最適用的使用場合就是交流市電供電的LED燈具，采用很多小功率LED串聯(lián)，也就是高壓小電流的情況是最為合適。

　　圖5就是一種用于吸頂燈的恒流二極管驅(qū)動源。其負(fù)載是80顆3022串聯(lián)，總功率為16W。所用的恒流二極管也是恒流在60mA。假如手頭的恒流二極管只有30mA的，就需要2串并聯(lián)。

圖5. 采用恒流二極管作為LED驅(qū)動電源

在這里，恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時，保持輸出電流不變，當(dāng)然也可以消除由于LED負(fù)溫度系數(shù)所引起的電流增大。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制，所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來說，它的工作電壓范圍還要減去它的最小工作電壓10V，可用的電壓范圍也就只有90V。用在220V市電電源里， 如果市電變化+10%，~-20%，就相當(dāng)于整流后為290~211V，電壓變化79V，在其耐壓范圍內(nèi)。假如所用的LED為80顆，如果正向電壓為3.3V，那么總電壓為264V，正好相當(dāng)于220V經(jīng)過橋式整流以后的值。這時候恒流二極管上沒有壓降，但是這時候它是不能工作的而至少需要10V壓降，也就是要求整流后電壓為274V，市電電壓為228VAC。那時候恒流二極管壓降為最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整體效率為最高可達(dá)96%（當(dāng)然還要考慮整流器的效率，實(shí)際上還會低一些）。如果市電增高至242VAC，那么恒流二極管電壓就增高為26.4V，其功耗也增加到0.79W，這時候效率就等于91%。

　　如果市電電壓低于228V，是不是恒流二極管就不工作呢？并不是，但的確是不恒流了，這時候它和LED就會達(dá)到一個新的平衡點(diǎn)，那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過整流后的電壓。因?yàn)長ED伏安特性的非線性，所以很難用公式來表示?？傊?，當(dāng)市電電壓降低時，LED中的電流就會隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會跟著變暗。但是這時候恒流二極管的壓降不大所以并不消耗很多功率。所以效率還是很高的。

　　前面假定了LED的正向壓降為3.3V，實(shí)際上即使其額定為3.3V，在開機(jī)一段時間以后，由于結(jié)溫的升高，正向壓降就會降低至3.1V甚至3.0V。

　　一個采用恒流二極管的8W電源的實(shí)測結(jié)果如下表所示：

采用恒流二極管的8W電源的實(shí)測結(jié)果

　由表中可見，采用恒流二極管以后其最高效率的確可以做到非常高。是一種值得選用的電源。為了在220V得到最高的效率，看來應(yīng)該串聯(lián)90個以上的LED。

　　各種恒流二極管的參數(shù)如下表所示：

恒流二極管的參數(shù)

　2.采用高壓直接降壓的開關(guān)式恒流源

　　由交流直接整流得到的電壓是264V，這時候可以采用直接降壓的高壓Buck電路來恒流。

　　a）PAM99700

 

圖6. 采用美國PAM公司的PAM99700的高壓Buck的電路圖。

這個電路的特點(diǎn)是效率高達(dá)90%，功率因數(shù)也大于0.9以上。外部電路也很簡單。可以驅(qū)動多達(dá)40個1W的LED。一個采用PAM99700的LED吸頂燈照片如圖7所示。

　　它是采用24串7并的3014型LED，總功率16.8W。右下角的藍(lán)色印制板是紅外遙控接收器。

圖7. 采用PAM99700作為恒流驅(qū)動源的LED吸頂燈

　b）HV9861A

　　最近美國Supertex公司推出了新款高壓降壓芯片HV9861A以取代HV9910B.它采用了均值取樣從而提高了恒流精度至+/-3%。它的電路圖如圖9所示。

采用高壓降壓芯片HV9861A作為恒流驅(qū)動源的LED吸頂燈

　因?yàn)殡娐分袥]有采用無源功率因數(shù)校正，所以功率因數(shù)比較低。這個電路也沒有采用為減小EMI所需的濾波器，如果加上這兩項(xiàng)以后都會降低其效率。

　　所有這些非隔離式電源因?yàn)樵贚ED負(fù)載上會觸摸到市電，所以有嚴(yán)格的安規(guī)檢驗(yàn)，盡管采用良好的絕緣可以滿足安規(guī)的要求，但是歐盟IEC 61347-2-13 （5/2006）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無法出口歐盟的。

　　隔離式電源

　　最近美國TI公司推出了一種隔離式恒流源芯片TPS92070，它的電路圖如圖11所示。

隔離式恒流源芯片TPS92070

輸入：90-264VAC

　　輸出：25V，350mA

　　效率：>85%

　　1. 可調(diào)光隔離式恒流源

　　iW3614

　　其電路圖如圖12所示。

圖12. iW3614應(yīng)用電路圖

輸入：100-120VAC或220-240VAC

　　輸出：25V，400mA

　　效率：>82%

　　PF：>0.9 非調(diào)光模式，調(diào)光模式時取決于可控硅。

　　THD：滿足 IEC61000-3-2

　　調(diào)光兼容RC、R、RL

　　LT3799

　　美國凌特公司宣布了一個用于LED恒流驅(qū)動的IC（LT3799），它可以驅(qū)動4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關(guān)管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用于可控硅調(diào)光。

圖14. LT3799的演示版

這個市電恒流源因?yàn)楣β蚀?，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍（這是吸頂燈的功率范圍），所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因?yàn)楣β蚀螅砸蟛捎霉β室驍?shù)校正（PFC）。對于不同的功率，除了要選擇不同的MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個恒流源的體積和重量，降低了效率。但是這是為隔離市電所必需的。

　六、LED吸頂燈的調(diào)光

　　目前全世界很多知名的LED恒流驅(qū)動芯片公司都花了很大的力氣開發(fā)出了很多可以和各種可控硅調(diào)光的所謂Triac配合以進(jìn)行調(diào)光的芯片。然而這也是一種相當(dāng)可悲而又可笑的事。因?yàn)榭煽毓枋巧鲜兰o(jì)六十年代的產(chǎn)品，本身是一種相當(dāng)古老而落后的器件。它的確可以用來和白熾燈配合進(jìn)行調(diào)光，可是它在調(diào)光的過程中會破壞正弦波的波形因而引起系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，而且還會在線路上產(chǎn)生很大的干擾信號。在白熾燈調(diào)光時因?yàn)榘谉霟舻牧炼戎皇怯呻娫措妷旱挠行е禌Q定，所以可以跟著可控硅的導(dǎo)通角調(diào)光，而且對于可控硅來說，白熾燈是一個理想的純阻負(fù)載，也不會對它的工作有什么影響。

　　可是換成LED以后就產(chǎn)生了一系列的問題，首先帶整流器的LED是一個容性負(fù)載，對可控硅有很大影響，在低負(fù)載時就會不穩(wěn)定觸發(fā)，除非并聯(lián)一個電阻。但會進(jìn)一步降低系統(tǒng)的效率（增加1-2W功耗）。為了使得LED也能配合可控硅調(diào)光就必須把帶整流器的整套恒流電源系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到看上去接近純阻負(fù)載。所以很多公司開發(fā)出有源功率因數(shù)校正芯片。使得LED整個系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。不少人誤以為采用功率因數(shù)校正以后，連同可控硅在內(nèi)的整個系統(tǒng)的功率因數(shù)都可以達(dá)到0.9以上。這完全是誤解了， 即使是純阻負(fù)載接上可控硅以后功率因素也會隨調(diào)光而降低。

　　下面是可控硅調(diào)光過程中，帶功率因數(shù)校正（達(dá)0.96）的LED球泡燈的整套系統(tǒng)（包括可控硅在內(nèi)）的功率因數(shù)的變化（附帶也有白熾燈的數(shù)據(jù)以供比較）。

功率因數(shù)

由表中可知，不管是經(jīng)過功率因數(shù)校正的LED燈，還是白熾燈，在一開始時功率因數(shù)都可以達(dá)到0.96以上。但隨著可控硅的調(diào)光，其功率因數(shù)逐步降低，到無法再調(diào)光時，功率因數(shù)低至0.48和0.566。所以作為整個系統(tǒng)來說，其功率因素指標(biāo)是不符合美國能源之星的要求的。

　　全世界的各種可控硅調(diào)光器多達(dá)幾十種，上百種。很多LED燈為了和這些可控硅兼容，不知道做了多少試驗(yàn)和改進(jìn)，但最后還是吃力不討好。由于國外的人工很貴，所以也可以認(rèn)為這是不得已的做法，但是在中國完全可以采取另一些更先進(jìn)的做法。

　　為了要對LED調(diào)光，可以有很多辦法，這些方法都沒有可控硅的缺點(diǎn)。下面介紹幾種最常用的方法：

　　6.1 采用脈寬調(diào)制PWM調(diào)光

　　LED是一個二極管，它可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。它的開關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上。是任何發(fā)光器件所無法比擬的。因此，只要把電源改成開關(guān)恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光法。圖15表示這種脈寬調(diào)制的波形。假如脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么其工作比D（或稱為孔度比）就是ton/tpwm。改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED的亮度。

采用脈寬調(diào)制PWM調(diào)光

然后用一個PWM信號加到MOS管的柵極，以快速地開關(guān)這串LED。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。也有不少恒流芯片本身就帶一個PWM的接口，可以直接接受PWM信號，再輸出控制MOS開關(guān)管。那么這種PWM調(diào)光方法有那些優(yōu)缺點(diǎn)呢？

　　1．不會產(chǎn)生任何色譜偏移。因?yàn)長ED始終工作在滿幅度電流和0之間。

　　2．可以有極高的調(diào)光精確度。因?yàn)槊}沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現(xiàn)萬分之一的精度。

　　3．可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行控制。因?yàn)槿魏螖?shù)字信號都可以很容易變換成為一個PWM信號。

　　4． 即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光，也不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)椴粫淖兒懔髟吹墓ぷ鳁l件（升壓比或降壓比），更不可能發(fā)生過熱等問題。

　　具體獲得PWM信號的方法為在墻上的PWM開關(guān)和電位器里安裝一個PWM發(fā)生器。這個PWM發(fā)生器可以很容易地用一個555芯片形成（圖17）。

圖17. 用555構(gòu)成一個PWM發(fā)生器

　這個發(fā)生器的指標(biāo)如下：

　　1. 輸入電源：10-36V ，20mA

　　2. 輸出信號：200Hz的PWM信號，0-100%，5V （也可為10V）

　　3. 控制路數(shù)：可控制5-10個可調(diào)光恒流源

　　4. 線路長度：10-20m

　　5. 開關(guān)：可直接控制220V電源開或關(guān)

　　所以，它需要三根線和燈具連接。假如還要開關(guān)燈具，就可以采用帶開關(guān)電位器，不過這樣一來總共需要有5根線連接到燈具。如果要利用原來墻上開關(guān)，就要再增加三根線，這是它的主要缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以用一個控制器來控制5-10個燈具。

　　6.2 分段式開關(guān)調(diào)光

　　為了利用現(xiàn)有的墻上開關(guān)和墻內(nèi)的兩根線，臺灣有一家公司推出了一種稱之為EZ-Dimming的GM6182的四段開關(guān)調(diào)光不失為一種好方案。它只利用墻上的普通電燈開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)4段調(diào)光，第一次開為全亮，第二次快速開關(guān)為60%亮度，第三次快速開關(guān)為40%亮度，第四次快速開關(guān)為20%亮度。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用普通的墻上開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。而且其功率因素高達(dá)0.92以上。沒有產(chǎn)生干擾信號之慮。缺點(diǎn)是無法連續(xù)調(diào)光。還有操作麻煩一些。它實(shí)際上可以和恒流源設(shè)計在一起（圖18）。

 

分段式開關(guān)調(diào)光

6.3 紅外遙控調(diào)光

　　LED吸頂燈作為一種高檔商品，采用紅外遙控調(diào)光更能凸顯其高檔性。不愧為一種理想的選擇。一個紅外遙控發(fā)射機(jī)電路如圖19所示。

紅外遙控調(diào)光

雖然紅外遙控可以實(shí)現(xiàn)采用PWM連續(xù)調(diào)光，但在實(shí)際使用時，也可以用作分段調(diào)光。

七、LED吸頂燈的指標(biāo)和性能

　　一個LED燈具最重要的性能指標(biāo)就是它的整體光效。所謂整體光效就是輸出光通量（以流明表示）和輸入電功率之比，單位是每瓦流明數(shù)lm/W。

　　它不但包括了LED本身的發(fā)光效率，也包括了恒流電源的效率和泡殼的透光率。

　　除此以外，還有它的色溫、顯色指數(shù)等。

　　為了測試LED吸頂燈的指標(biāo)，我們通常把它放進(jìn)大型的積分球中，以便測量它所發(fā)出的全部光通量。并對它所發(fā)出的光譜進(jìn)行分析。

　　現(xiàn)在就拿圖7所示的紅外遙控LED吸頂燈為例，測試它的性能指標(biāo)。這是一個采用168顆3014LED的紅外遙控吸頂燈。

　　在不加光罩時實(shí)測的結(jié)果如下。

　　1. 整體光效

　　總流明數(shù)1383lm，輸入交流功率=16.57W，所以整體光效=83.46 lm/W需要說明的是其中包括了兩項(xiàng)效率，一個紅外接收器的效率，另一個是恒流電源的效率。而恒流電源的效率，單獨(dú)測試的結(jié)果是89.5%（圖8）。紅外接收器的功耗為0.5W左右，所以實(shí)際的輸入功率應(yīng)該是16W。如果不用紅外遙控器時，它的整體光效應(yīng)該是86.43lm/W。如果再考慮電源的效率，用在LED上的電功率只有14.32W。

　　這樣算下來可以得到96.5lm/W。這應(yīng)該是LED本身的發(fā)光效率。如果改用發(fā)光效率為120lm/W的LED，那么它的整體光效就可以達(dá)到107lm/W，即使加上紅外接收器的功耗，整體光效也可以超過100lm/W。

　　2. 色溫：6171K，這完全是由所用的LED決定的，如果用戶要求低色溫，就可以改用低色溫的LED。

　　3. 顯色指數(shù)：Ra=76.2，這個指數(shù)相對較低。但是實(shí)際上目前所用的顯色指數(shù)是在15種單色光上的顯色指數(shù)加以平均的結(jié)果，它并不能完全代表它的顯色能力。因此照明信息委員會（CIE）不推薦用CRI來測定白光LED的顯色能力。

　　4. 如果加上光罩以后，它的整體光效當(dāng)然會隨之降低。而且會降低相當(dāng)多。因此選用高透光率的光罩是很重要的事。但是透光率過高，也會使用戶能夠看到其中的光珠，這也是不希望的是。尤其是如果采用1W的大功率LED，就更加明顯，所用采用小功率的LED（例如3014），允許用透光率高的光罩，這也是很重要的。

　　國外的一些大功率吸頂燈的性能如下：

　

大功率吸頂燈的性能

　八、吸頂燈的成本和價格

　　在推廣LED燈具中遇到最大的問題就是價格問題。最突出的就是在采用LED球泡燈來取代白熾燈時，二者的價格會相差20-50倍之多，普通白熾燈的零售價大約在1-2元人民幣，而且和瓦數(shù)基本無關(guān)，而一個相同流明數(shù)的LED球泡燈的價錢就大約要50元到100元。例如可以取代60瓦白熾燈的LED球泡燈至少要10W以上，它的價錢大約為100元以上。然而，在LED吸頂燈中，情況就完全不同了。普及型的LED吸頂燈的價格可以做到和中檔的普通吸頂燈的價格相當(dāng)。

吸頂燈的成本和價格

　　所以說，可以預(yù)計，在中國家庭，最快能夠普及的LED燈具就是LED吸頂燈。這也說明了，LED吸頂燈的市場商機(jī)是最大的。

九、吸頂燈的市場

　　各個國家的生活習(xí)慣有所不同，對吸頂燈的需求也有所不同。一般來說，美國幾乎完全不用吸頂燈，美國的住房從來沒有在房間中間安裝燈具，很多燈具都是一種立式的大型燈具，采用插銷插到墻角的插座上，有一個墻上開關(guān)來開關(guān)一個專門的墻上插座。而在洗手間則完全靠鏡上燈來照明。所以可以認(rèn)為吸頂燈在美國是沒有市場的。而日本則和中國差不多，很多人家都采用吸頂燈。他們也稱為天花燈。歐洲則比較喜歡華麗的吸頂燈，只是廚房和廁所會采用普及式的吸頂燈。

　　目前日本的市場發(fā)展最快。2011年5月日本的LED吸頂燈的銷售額已經(jīng)超過了普通吸頂燈。

吸頂燈的市場

市場預(yù)估日本吸頂燈每年有超過300萬臺的需求，如果以每臺100元人民幣計，該市場超過每年3億人民幣。但目前導(dǎo)入LED的比率僅2成（按數(shù)量）。東芝照明（Toshiba Lighting）在日本LED吸頂燈的市場占有率為第1大。

　　在國內(nèi)，吸頂燈被廣泛采用。國內(nèi)普通熒光燈式吸頂燈的產(chǎn)量如下圖所示：

吸頂燈的市場

　2010年的產(chǎn)量已經(jīng)超過6000萬支，預(yù)計2011年產(chǎn)量將會超過7000萬支。假如在2012年產(chǎn)量為8000萬支，其中的十分之一被LED吸頂燈所取代，那么將會達(dá)到800萬支。假如以每支100元計，那么其市場規(guī)模將達(dá)到8億元。

　　LED吸頂燈的市場份額如下圖所示：

吸頂燈的市場

其中LED吸頂燈還沒有單獨(dú)列出，可能算到其他LED燈具里，可見LED吸頂燈還是有很大的市場潛力。

　　十、普及LED吸頂燈對節(jié)能減排的意義重大

　　采用LED吸頂燈來取代普通熒光燈式吸頂燈可以大大節(jié)約電能，從而減少二氧化碳的排放。一般來說，每節(jié)省1度電可以減少0.272公斤二氧化碳。從實(shí)測的結(jié)果可知，一個8W的LED吸頂燈大約可以取代16W的普通熒光燈式吸頂燈，所以可以節(jié)電8W。假定平均每天開燈3小時，那么每年可以節(jié)電8.76度電，相當(dāng)于減排2.38公斤二氧化碳。假定2012年可以生產(chǎn)800萬只LED吸頂燈，那么總共可以節(jié)電7億度電，（相當(dāng)于三峽水電站一年所發(fā)的電量847億度電的82%）。減少了19萬噸二氧化碳的排放！

　　據(jù)美國國家大氣和海洋管理局（NOAA）最新報告，大氣中二氧化碳平均濃度已由工業(yè)革命前的280ppm（ppm：百萬分之一）左右升高到了2010年的389ppm。而中國在1992年的排放量約占全球的11%，2008年則占全球的23%，位居世界第一。2010年全球二氧化碳排放量大幅增加，創(chuàng)下歷史新高。2010年全球二氧化碳排放量為335億噸，比上年增加18.8億噸，約5.9%。中國2010年二氧化碳的排放量約為75億噸。中國在德班氣候大會上承諾計劃在2015年的碳排放要比2010年減少15%。如果要在2015年減少15%，就是11.25億噸。如果到2015中國能夠采用8000萬只LED吸頂燈，就可以減少19萬噸二氧化碳的排放，占承諾總數(shù)的8.4%。這是一個極為可觀的數(shù)字！