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[導(dǎo)讀]吸頂燈,顧名思義由于燈具上方較平安裝時(shí)底部完全貼在屋頂上所以稱之為吸頂燈。其光源有普通的白燈泡、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈、鹵鎢燈等。目前市場(chǎng)上最流行的就是LED吸頂

吸頂燈,顧名思義由于燈具上方較平安裝時(shí)底部完全貼在屋頂上所以稱之為吸頂燈。其光源有普通的白燈泡、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈、鹵鎢燈等。目前市場(chǎng)上最流行的就是LED吸頂燈,外觀華麗的LED吸頂燈吸附或嵌入屋頂天花板上做燈飾,也是室內(nèi)的主體照明設(shè)備。

隨著家庭裝修熱的不斷升溫,吸頂燈的變化也日新月異,不再局限于從前的單燈,而是向多樣化發(fā)展,既吸取了吊燈的豪華與氣派,又采用了吸頂式的安裝方式,避免了較矮的房間不能裝大型豪華燈飾的缺陷。為了讓大家更加全面的了解吸頂燈,今天筆者就給大家詳細(xì)介紹一下吸頂燈的相關(guān)知識(shí),以便在選購吸頂燈時(shí)參考。

(一)普通吸頂燈

1.吸頂燈的外形

 

 

圖1:不同形狀的吸頂燈

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。

2.吸頂燈的燈管

 

 

(a)圓環(huán)形 (b)U形 (c)2D形

圖2:用于吸頂燈的熒光燈

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。

3.吸頂燈功率

吸頂燈的功率并沒有明確的規(guī)定,其功率最常用的為10W、16W、21W、28W、32W、38W、40W等。

普通吸頂燈與LED吸頂燈區(qū)別

(二)普通吸頂燈的問題和缺點(diǎn)

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(huì)變成有用的光線,這個(gè)反射過程就會(huì)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(shí),它的亮度隨時(shí)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.含汞

節(jié)能燈(10mm)

直管型鹵粉
熒光燈

長(zhǎng)壽命
三基色
熒光燈

一般
三基色
熒光燈
緊湊型
熒光燈
各種LED
10-15mg <10mg <8mg <5mg <5mg 0
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(guó)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(xiǎn)。而且液態(tài)汞的滲透率極高,掉到地下以后就會(huì)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)。現(xiàn)在拼命推廣節(jié)能燈,實(shí)際上也是對(duì)我們子孫不負(fù)責(zé)任的做法。

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(shí);混合粉壽命在4000~6000小時(shí);三基色號(hào)稱在8000小時(shí)以上。

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(cè)一個(gè)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(shí)候是一年不到,兩個(gè)都要換。

5.價(jià)錢高

一般的吸頂燈價(jià)錢在幾十到幾百元的都有,國(guó)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(jià)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(gè)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)

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(gè)效率還在每年增長(zhǎng),據(jù)估計(jì),到2020年,LED本身的發(fā)光效率將會(huì)達(dá)到240lm/W。光效高就意味著節(jié)能。根據(jù)實(shí)測(cè)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。

2.壽命長(zhǎng)

LED的壽命為10萬小時(shí),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(shí),高質(zhì)量的可以做到5萬小時(shí),要比熒光燈長(zhǎng)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(shí),也還高出5倍以上。

3.不含汞

4.無紫外線輻射,無光線污染

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

6.無玻璃零部件,耐沖擊、振動(dòng),便于運(yùn)輸

7.不需要鋁制散熱器,成本低,重量輕

LED吸頂燈的構(gòu)成和散熱

(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(gè)部分組成。

1.LED吸頂燈的燈珠

通常對(duì)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(gè)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3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(zhǎng)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(hào)。

需要提出的是仍然有大量的低價(jià)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。

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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(huì)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。

(3)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。可阻擋紫外線穿過,及適合保護(hù)貴重藝術(shù)品及展品,使其不受紫外線破壞。

(4)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。

(5)阻燃:國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50222—95確認(rèn),PC板為難燃一級(jí),即B1級(jí)。PC板自身燃點(diǎn)是580攝氏度,離火后自熄,燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體,不會(huì)助長(zhǎng)火勢(shì)的蔓延。

(6)可彎曲性:可依設(shè)計(jì)圖在工地現(xiàn)場(chǎng)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。

(7)溫度適應(yīng)性:PC板在-100℃時(shí)不發(fā)生冷脆,在135℃時(shí)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。

(8)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(shí),黃變度為2,透光率降低值僅0.6%。

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。

a)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】祝栽谖敓舻臒粽掷铮琇ED燈珠所產(chǎn)生的熱量可以通過空氣立刻傳遞到外邊去。

b)燈罩能夠很好散熱。我們知道對(duì)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:

材料 黑色塑料
拋光未氧化 0.02-0.1 0.06 0.8-0.9
粗加工輕微氧化 0.3-0.4 0.5 0.8-0.9
嚴(yán)重氧化 0.4-0.45 0.8 0.8-0.9
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。

c)面積大:根據(jù)圓形的面積計(jì)算公式:S=πr2,或S=π(d/2) 2,對(duì)于一個(gè)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(huì)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。

d)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(duì)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。

e)底板上多打一些通風(fēng)孔會(huì)對(duì)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??梢哉fLED吸頂燈是唯一不需要特制的鋁散熱器的LED燈具。

LED吸頂燈非隔離式電源

(五)LED吸頂燈的電源

首先讓我們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,筆者就測(cè)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(cè)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。筆者也測(cè)試了一個(gè)9W節(jié)能燈的參數(shù),測(cè)得Pin=8.4W,PF=0.563。

PS:兩者的功率因數(shù)都不能滿足>0.7的要求,但仍然在市面上大量流通。

對(duì)于LED吸頂燈的電源可以分為非隔離式和隔離式兩大類:

● 非隔離式電源

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(dòng)LED。最簡(jiǎn)單的方法就是把恒流二極管直接和LED串聯(lián)。但是我們?cè)谟糜贚ED驅(qū)動(dòng)時(shí)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(gè)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(duì)于同樣的百分比,220V就要比110V的變化范圍大一倍。例如對(duì)于+10%~-20%的變化范圍,對(duì)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(gè)變化還會(huì)加大1.2倍,變成79.2V。而對(duì)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(guó)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(chǎng)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(dòng)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(shí),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(shí)候恒流二極管上沒有壓降,但是這時(shí)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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)候它和LED就會(huì)達(dá)到一個(gè)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(zhǎng)ED伏安特性的非線性,所以很難用公式來表示。總之,當(dāng)市電電壓降低時(shí),LED中的電流就會(huì)隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會(huì)跟著變暗。但是這時(shí)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(shí)間以后,由于結(jié)溫的升高,正向壓降就會(huì)降低至3.1V甚至3.0V。 一個(gè)采用恒流二極管的8W電源的實(shí)測(cè)結(jié)果如下表所示:

Vin  V Pin  W Vcrd  V Vled  V Iled  mA 效率  η
240 8.5 68.1 250.5 25.6 75.44%
235 8.3 58.2 252 25.7 78.03%
230 8.2 50.7 253.7 27.1 81.06%
225 8.3 43.3 252.7 27.1 82.51%
220 8 39.3 255 27.5 87.66%
215 8 26.6 255.6 27.8 88.82%
210 7.9 20.5 255 27.8 89.73%
205 7.7 17.8 251.4 27.7 90.44%
200 7.2 13.9 250.8 27.5 95.79%
195 6.4 4.2 250 25.2 98.44%
190 5.8 4.2 243.9 23.7 99.66%
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(gè)以上的LED。

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各種恒流二極管的參數(shù)如下表所示:

 

 

 

 

開關(guān)式恒流源電路圖

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(shí)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(guó)PAM公司的PAM99700的高壓Buck電路圖

這個(gè)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(jiǎn)單??梢则?qū)動(dòng)多達(dá)40個(gè)1W的LED。一個(gè)采用PAM99700的LED吸頂燈照片如圖7所示。

 

 

圖7:采用PAM99700作為恒流驅(qū)動(dòng)源的LED吸頂燈

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。

它的實(shí)測(cè)結(jié)果如下(圖8):

 

 

圖8:效率、功率因素、LED電流和輸入電壓的關(guān)系

b)HV9861A

最近美國(guó)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。

 

 

圖9:HV9861A直接降壓式電路圖

這個(gè)電路可以驅(qū)動(dòng)21個(gè)1W的LED。其主要指標(biāo)如下:

輸入電壓 輸出電壓 輸出電流 效率 功率因數(shù) 輸出開路保護(hù) 輸出短路保護(hù)
90-265VAC 20-60V 350mA+/-4% 91-92% 0.5-0.56
其輸出LED電流以及效率隨輸入電壓的變化如圖10所示。

 

 

圖10:輸出電流和效率隨輸入電壓而變化

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(gè)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(huì)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(huì)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。

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LED吸頂燈隔離式電源

● 隔離式電源

美國(guó)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。

 

 

圖11:TPS92070實(shí)際應(yīng)用電路圖

輸入:90-264VAC

輸出:25V,350mA

效率:>85%

a)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(shí)取決于可控硅

THD:滿足 IEC61000-3-2

調(diào)光兼容RC、R、RL

b)λLT3799

今年2月美國(guó)凌特公司宣布了一個(gè)用于LED恒流驅(qū)動(dòng)的IC(LT3799),它可以驅(qū)動(dòng)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13:可用于高功率LED吸頂燈的反激式隔離型恒流電源

這個(gè)電路圖是一個(gè)給24瓦吸頂燈用的演示板的電路圖。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:

輸入電壓 輸出功率 輸出電壓 輸出電流 LED數(shù) 效率 功率因數(shù)
90-270VAC 25W 25VDC 1A 8x3W 83-86% 0.92-0.99
它的演示版的布置圖如圖14所示。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成圓形。

 

 

圖14:LT3799的演示版

這個(gè)市電恒流源因?yàn)楣β蚀螅铱梢赃m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?,所以要求采用功率因?shù)校正(PFC)。對(duì)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(gè)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。

LED吸頂燈調(diào)光電路圖

(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(dòng)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(huì)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(huì)在線路上產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)。在白熾燈調(diào)光時(shí)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(duì)于可控硅來說,白熾燈是一個(gè)理想的純阻負(fù)載,也不會(huì)對(duì)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(gè)容性負(fù)載,對(duì)可控硅有很大影響,在低負(fù)載時(shí)就會(huì)不穩(wěn)定觸發(fā),除非并聯(lián)一個(gè)電阻。但會(huì)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(gè)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(gè)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(huì)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)。

 

 

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(shí)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(shí),功率因數(shù)低至0.48和0.566。所以作為整個(gè)系統(tǒng)來說,其功率因素指標(biāo)是不符合美國(guó)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(guó)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(guó)完全可以采取另一些更先進(jìn)的做法。

為了要對(duì)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:

1.采用脈寬調(diào)制PWM調(diào)光

LED是一個(gè)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。

 

 

圖15:用改變脈沖寬度的方法來改變LED的亮度

具體實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光的方法就是在LED的負(fù)載中串入一個(gè)MOS開關(guān)管(圖16),這串LED的陽極用一個(gè)恒流源供電。

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圖16:用PWM信號(hào)快速通斷LED串

然后用一個(gè)PWM信號(hào)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(gè)PWM的接口,可以直接接受PWM信號(hào),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(huì)產(chǎn)生任何色譜偏移。因?yàn)長(zhǎng)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(hào)都可以很容易變換成為一個(gè)PWM信號(hào)。

(4)即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光,也不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)椴粫?huì)改變恒流源的工作條件(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(hào)的方法為在墻上的PWM開關(guān)和電位器里安裝一個(gè)PWM發(fā)生器。這個(gè)PWM發(fā)生器可以很容易地用一個(gè)555芯片形成(圖17)。

 

 

圖17:用555構(gòu)成一個(gè)PWM發(fā)生器

這個(gè)發(fā)生器的指標(biāo)如下:

a)輸入電源:10-36V ,20mA

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

c)控制路數(shù):可控制5-10個(gè)可調(diào)光恒流源

d)線路長(zhǎng)度:10-20m

e)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(gè)控制器來控制5-10個(gè)燈具。

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(tái)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(hào)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(jì)在一起(圖18)。

 

 

圖18:分段調(diào)光的恒流源GM6182

其指標(biāo)如下:

輸入電壓 輸出功率 功率因素 效率 輸入電解電容 EMI干擾 墻上開關(guān)和線路
90-270V >9W >0.97 88-92% 不需要 幾乎 沒有 無需更改
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(gè)紅外遙控發(fā)射機(jī)電路如圖19所示。

 

 

圖19:一個(gè)紅外遙控發(fā)射機(jī)電路圖

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紅外遙控接收電路如圖20所示。

 

 

圖20:紅外遙控接收電路圖

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(shí),也可以用作分段調(diào)光。

LED吸頂燈的指標(biāo)和性能

(七)LED吸頂燈的指標(biāo)和性能

一個(gè)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。

 

 

夏普吸頂燈

為了測(cè)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(cè)量它所發(fā)出的全部光通量。并對(duì)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(cè)試它的性能指標(biāo)。這是一個(gè)采用168顆3014LED的紅外遙控吸頂燈。

在不加光罩時(shí)實(shí)測(cè)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(gè)紅外接收器的效率,另一個(gè)是恒流電源的效率。而恒流電源的效率,單獨(dú)測(cè)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(shí),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

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)

顯示指數(shù):Ra=76.2,這個(gè)指數(shù)相對(duì)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(huì)(CIE)不推薦用CRI來測(cè)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(huì)隨之降低。而且會(huì)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(huì)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。

解讀吸頂燈成本及市場(chǎng)

(八)吸頂燈的成本和價(jià)格

在推廣LED燈具中遇到最大的問題就是價(jià)格問題。最突出的就是在采用LED球泡燈來取代白熾燈時(shí),二者的價(jià)格會(huì)相差20-50倍之多,普通白熾燈的零售價(jià)大約在1-2元人民幣,而且和瓦數(shù)基本無關(guān),而一個(gè)相同流明數(shù)的LED球泡燈的價(jià)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(jià)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(jià)格可以做到和中檔的普通吸頂燈的價(jià)格相當(dāng)。

瓦數(shù) 低檔國(guó)產(chǎn) 中檔國(guó)產(chǎn) 高檔進(jìn)口 LED吸頂燈
低8-12W 20元 79元 105元 45元
中14-18W 30元 102元 175元 148元
高24-32W 40元 126元 328元 195元
所以說,可以預(yù)計(jì),在中國(guó)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(chǎng)商機(jī)是最大的。

(九)吸頂燈的市場(chǎng)

各個(gè)國(guó)家的生活習(xí)慣有所不同,對(duì)吸頂燈的需求也有所不同。一般來說,美國(guó)幾乎完全不用吸頂燈,美國(guó)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(gè)墻上開關(guān)來開關(guān)一個(gè)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(guó)是沒有市場(chǎng)的。而日本則和中國(guó)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(huì)采用普及式的吸頂燈。

(十)普及LED吸頂燈對(duì)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(cè)的結(jié)果可知,一個(gè)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(shí),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(guó)國(guó)家大氣和海洋管理局(NOAA)最新報(bào)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(guó)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(guó)2010年二氧化碳的排放量約為75億噸。中國(guó)在德班氣候大會(huì)上承諾計(jì)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(guó)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(gè)極為可觀的數(shù)字。

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