LED日光燈 性能、電源、結(jié)構(gòu)和壽命

　　非隔離恒流源的優(yōu)點是簡單、指標高，它的輸出電流可以按LED串并聯(lián)的個數(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個小功率LED連接成22個串聯(lián)，12串并聯(lián)，每串20mA，一共240mA。體積也可以做得很小，通常是做成長條形的，以便放進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。這時候總電壓就會增加到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，因為非隔離的電源會把交流電源的高壓引入到負載端，從而引起觸電的危險。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。雖然這個絕緣層可以耐2000V高壓，但有時螺絲孔的毛刺會產(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?？梢员苊庥|電的危險。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T10燈管還可以，但是放進T8的燈管就比較緊張。

　　3．內(nèi)置式電源的優(yōu)點和代價

　　內(nèi)置式電源的最大優(yōu)點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串聯(lián)的鐵芯電感和一個并聯(lián)的起輝器（圖5a）。

　　在直接替換時，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18W的LED日光燈可以取代一個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。這個問題才是更為嚴重的問題，會使LED壽命降低數(shù)倍之多。這將在以后做詳細的解釋。

　　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。因為這時候加在日光燈兩端的是一個高頻高壓。必須先用整流器變成直流高壓，再用降壓恒流源去驅(qū)動LED。這時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。

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　　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。因為目前推廣LED日光燈的主要場所是政府機關(guān)、辦公室、商場、學校、地下停車庫、地鐵等場所，往往一間房間采用不止一個日光燈，可能在10個以上。這時候就應該采用集中式的外置電源。所謂集中式是指采用一個大功率的AC/DC開關(guān)電源，統(tǒng)一供電，而每個日光燈則采用單獨的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，實測的結(jié)果如下。

　　集中式供電的優(yōu)點是顯而易見的。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)也很容易實現(xiàn)各種調(diào)光方案，例如手動調(diào)光，光敏調(diào)光，只要把調(diào)光控制信號送到各個DC/DC恒流模塊就能實現(xiàn)。其具體的方框圖如圖6圖7所示。

　　圖6. 手動調(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，連長短、粗細也都一樣，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，因為主要采用非隔離式電源，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重，壽命非常短，不到1000小時就壞了。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，當然不可能長壽命。

　　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。電源當然是放在鋁管里面?？磥韱栴}似乎是解決了。然而因為LED日光燈的功率通常在20W左右，它的發(fā)熱量還是相當大的。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