LED日光灯性能、电源、结构和寿命

三．LED

为了得到比较均匀的发光和把热量分散开，LED日光灯通常都是采用很多个小功率的LED灯珠串并联而构成。小功率LED有两种，一种是插针式，俗称草帽管，还有一种是贴片式。早期LED日光灯大都用草帽管，但是这种插针式LED因为热阻大（高达450°C/W），光衰严重，所以现在已经很少人用，而大多数采用贴片式的了。各种LED的主要指标为发光效率，小功率LED通常直接以其发光的流明数表示，寿命（通常以在多少结温时的寿命来表示），和热阻Rjs。

几种常用的贴片式LED的指标如下所示：  

（a） （b）
图3. 3020（a）的散热和3014（b）的底板散热机构

由于3020只有两端电极焊接散热，而3014采用了底板散热，所以二者的热阻相差3倍多，二者的寿命也相差两倍多。3014 工作于30mA，所以它的发光也高达9流明。相当于90 lm/W的发光效率。

在日光灯里所用的LED数目通常在200颗以上，显然不可能全部串联，而必须串并联。一般来说，希望串得少的，并得多，这样，一旦某一串中有一个LED开路，只会使这一串不亮，而这一串的电流将分摊到剩余的几路中去。例如，总数为200个的LED，假如连结成8串25并，每串30mA，25串的总电流750mA，有一串坏了，每一串的电流只增加了1.25mA。反过来，假如连成25串8并，每串30mA，8串总电流240mA，一串开路，30mA 就分到剩下的7路中，每路就要平均增加4.28mA。
不过有的LED每个都有一个并联的稳压二极管保护，即使有一个LED开路，这一串也不会都不亮，而只是这一个LED不亮而已。上述问题就不存在。

此外，假如串联的LED数目少于10个，那么它所需要的电源电压低于35V，也就低于国际安全电压。

究竟串多少并多少，还和电源的可能性有关。这将在下一节中讨论。

四．电源

LED日光灯的电源分为内置式和外置式两种。所谓内置式就是指电源可以放在灯管内部。这种内置式的最大优点就是可以做成直接替换现有的荧光灯管，而无需作任何改动。所以内置式的形状都是做成长条形，以便塞进半圆形的灯管中去。
下面先介绍两种内置式，非隔离型和隔离型。

1．非隔离式恒流电源： 非隔离是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就有触电的危险。

目前用得最多的是非隔离直接降压型电源。也就是把交流电整流以后得到直流高压，然后就直接用降压（Buck）电路进行降压和恒流控制。其电原理图如下图所示：



图1. 非隔离恒流源的电原理图

这种非隔离式电源的主要技术特点：从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出；采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度；可用线性及PWM调光，支持上百个0.06W LED的驱动应用，工作频率25KHz-300KHz，可通过外部电阻来设定。

非隔离恒流源的优点是简单、指标高，它的输出电流可以按LED串并联的个数决定。但是大多数情况下，它的输出电流不能太大，输出电压也不能太高。例如264个小功率LED连接成22个串联，12串并联，每串20mA，一共240mA。体积也可以做得很小，通常是做成长条形的，以便放进T10或T8的管子里。假如每串的电流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔离的电源中就无法实现，为了保持总电流240mA不变，就只能改成8

串并联。但假如LED的总数不变，就要求串联的数目增加到33个。这时候总电压就会增加到108.9V。但是通常这种非隔离恒流源的允许的最高输出电压是80V。只能维持原来的22串，这样LED的总数就只能是176颗，即使采用30mA，其总流明数有可能不能满足要求。


图2. 非隔离降压式恒流源的外形照片

通常其效率大约在88-90%之间，功率因素大约在0.88-0.92之间。

然而这种非隔离电源也有一些局限性，因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常LED和铝散热器之间的绝缘也就靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐2000V高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象，使得难以通过CE论证。

2．隔离式恒流电源：隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来。可以避免触电的危险。这种隔离式的日光灯电源原理图如图3所示。



图3. 隔离式LED日光灯电源原理图

这种隔离式LED日光灯电源外形照片如下图所示，



图4隔离式LED日光灯电源的照片

一般来说，由于加入了变压器，所以隔离式电源的效率会有所降低，通常大约在88%左右。而且变压器的体积也比较大。放进T10灯管还可以，但是放进T8的灯管就比较紧张。

3．内置式电源的优点和代价

内置式电源的最大优点就是能够直接替换现有采用电感镇流器的荧光灯，而不需要拆去任何东西。现有荧光灯的电源分两种，如图5所示：



（b）电子镇流器
图5. 荧光灯电源电路图

我们知道，最普通的荧光灯的起辉是采用一个串联的铁芯电感和一个并联的起辉器（图5a）。

在直接替换时，只要拔掉起辉器就可以了。但是由于铁芯电感仍然串联在电路中，所以它仍然带来将近6.4-10W的损耗，结果使得这部分的额外损耗大大降低了LED的节电功效。例如，本来一个18W的LED日光灯可以取代一个36W的荧光灯，不论采用上述非隔离式还是隔离式的电源，其效率至少为88％以上，那么其输入功率为20.45W，现在还要加上这个额外的6.4W，使得输入功率变成26.85W，其总效率也就降低为67％，如果采用某些国产的铁芯电感，其功耗高达10W，输入功率就要变成30.45W，使得总效率只有59%。这就使LED的节电效能大打折扣。不仅如此，由于电源内置，电源的热量也就加入到管内，假定电源的效率为88％，所以就有2.45W的热量也要散去，假定LED本身的发光效率为30％，也就是有70％的电功率变成热量，相当于12.6W的电功率变成热量，现在还要再加上内置电源的2.45W的热量，相当于增加了20％的热量。使得LED的散热又增加的一份困难，或者说，使得LED的使用寿命也更加缩短。其实所增加的这部分热量还不至于缩短太多的寿命（20%左右），然而把电源放倒管子里面，电源本身就要承受由LED产生的很高的环境温度，这就大大降低了电解电容的寿命，也就降低了整个灯具的寿命。另外真正带来的问题是使得散热器的结构不能最佳化。这个问题才是更为严重的问题，会使LED寿命降低数倍之多。这将在以后做详细的解释。

假如原来采用的是电子镇流器（图5b），那么直接替换所产生的问题就更麻烦了。因为这时候加在日光灯两端的是一个高频高压。必须先用整流器变成直流高压，再用降压恒流源去驱动LED。这时候的效率将变成前面电子镇流器的效率和后面的降压恒流源效率的乘积，就可能连70%都不到。

4．集中式外置电源

为了得到最高的性能最好采用集中式外置电源。因为目前推广LED日光灯的主要场所是政府机关、办公室、商场、学校、地下停车库、地铁等场所，往往一间房间采用不止一个日光灯，可能在10个以上。这时候就应该采用集中式的外置电源。所谓集中式是指采用一个大功率的AC/DC开关电源，统一供电，而每个日光灯则采用单独的DC/DC恒流模块。这样可以得到最高的效率和最大的功率因素。

图5. 集中式外置电源

现在大功率的AC/DC开关电源的效率很容易做到95％,功率因素可以做到0.995。而降压式的DC/DC恒流源的效率也很容易做到98％。这样总效率可以做到93.1%。这时的性能可以做到最高。

以20W LED灯管为例，假如采用非隔离内置式电源，直接用220V供电和外置式集中供电比较，实测的结果如下。


集中式供电的优点是显而易见的。而且，它还是一种隔离式电源，在灯管处没有220V高压，只有低于36VDC的直流低压，也是符合安全使用的条件。

另外，这种结构也很容易实现各种调光方案，例如手动调光，光敏调光，只要把调光控制信号送到各个DC/DC恒流模块就能实现。其具体的方框图如图6图7所示。


图6. 手动调光日光灯方框图



图7. 光敏调光日光灯的方框图