#專家解讀：LED吸頂燈其驅動電源

1、2018 年將是 LED全面、大規(guī)模進入家庭的一年。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，而大多數采 用彎曲熒光燈管的吸頂燈。如何生產價格低廉、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。、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 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a）圓環(huán)形b）U形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

2、有以下幾 種。c）2D形圖 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。 普通吸頂燈的問題和缺點 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。而且因為所有這些吸頂燈大多采用 T5 型燈管，折彎成各種形狀。但不/ 24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

3、實際 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 YH32RR1，6 色溫為 6500oK，其發(fā)光效率為 67lm/W，總流明數為 2150lm，實 際上只有 70%的光線可以利用。也就是只有 1500lm。2.2 含汞而汞的沸點很低，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到 10-20 毫克/立方 M，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 M）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

4、地下水。 1毫克汞足以污染 5454.5 公斤飲用 水，使之達不到安全的飲用標準?，F在拼命推廣節(jié)能燈，實際上也是對我們子 孫不負責任的做法。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 30004000小時；混合粉壽命在 40006000 小時；三基色號稱在 8000 小時以上。2.4 鎮(zhèn)流器質量低熒光燈所用的鎮(zhèn)流器大多數無法給出足夠的功率，例如作者實測一個 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。幾乎所有人的經驗都是一般一年就

5、要換一次鎮(zhèn)流器或 燈管，大多數時候是一年不到，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。/ 24三、LED吸頂燈的優(yōu)點 3.1 發(fā)光效率高LED本身的發(fā)光效率已經到達 130lm/W以上，所以 LED吸頂燈的整體光效 已經可以達到 100lm/W。而且這個效率還在每年增長，據估計，到 2020 年， LED本身的發(fā)光效率將會達到 240lm/W。光效高就意味著節(jié)能。根據實測的結 果，一

6、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，現在實際上公認的壽命為至少 3 萬小時，高質量的可以做到 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，便于運輸。 3.7 不需要鋁制散熱器，成本低，重量輕四、LED吸頂燈的構成和散熱不考慮華麗的水晶吸頂燈，普通

7、 LED吸頂燈的構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吸頂燈的內部結構如圖 3 所示。圖 3. LED 的內部結構圖中圓環(huán)形的印制板上有兩圈 LED燈珠

8、，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。/ 24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，然而因 為草帽燈的熱阻很大 450/W），很難把熱導出，因而光衰嚴重，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 89%，可與玻璃相妣美。 UV涂層板在太 陽光下爆曬不會產生黃變，霧化，透光不佳，十年后透光流失僅為6%，PVC流失率則高達 15%20%，玻璃纖維為 12%-20%。2）抗撞

9、擊： PC板撞擊強度是普通玻璃的 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 M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?？勺钃踝贤饩€穿過，及適合保護貴 重藝術品及展品，使其不受紫外線破壞。4）重量輕：比重僅為玻璃的一半，節(jié)省運輸、搬卸、安裝以及支撐框架的 成本。5）阻燃：國家標準 GB5022295 確認， PC板為難燃一級，即 B1級。 PC板 自身燃點是 580 攝氏度，離火后自熄，燃燒時不會產生有毒氣體，不會助長火 勢的蔓延

10、。6）可彎曲性：可依設計圖在工地現場采用冷彎方式，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。7）溫度適應性： 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，機械性能等均無明顯變化。 2 ，對于 一個直徑為 45cm的圓形吸頂燈，它的底板面積就是 1590cm2。因為吸頂燈通常 安裝在室內，沒有過高室溫，所以可以采用 40cm2/W的經驗數據，那樣也可以 散去 40W的功率。但是因為底板靠近天花板，不易散熱，所以底板的實際散熱 效果會差很多。而燈罩因為是曲面形，其面積要比圓形更大，而且它的安裝朝下，沒有任 何阻擋，所以散熱效果要

11、比底板更好。關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。/ 24實驗證明，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。底板上多打一些通風孔會對散熱有很大的好處。這些通風孔應當打在 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

12、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。實測的結果如下： Pin=16W， PF=0.62。所以它只用到環(huán)形燈 管 50%的功率，而且功率因數也很差。作者也測試了一個 9W節(jié)能燈的參數，測 得 Pin=8.4W， PF=0.563二者的功率因數都不能滿足 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，因為 LED吸頂燈不像球泡燈那樣容易被用戶用手觸摸 到，而且因為不需要接觸式

13、導熱，它的內部結構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動，否則因為它的負溫度系數，而會使 電流急劇上升導致結溫升高，壽命縮短。恒流源分為線性和開關式兩種。線性 恒流源的優(yōu)點是不會產生電磁干擾 標準規(guī)定在 LED負載端電壓不可超過 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。/ 24圖 11. TPS9207

14、0 實際應用電路圖輸入： 90-264VAC輸出： 25V,350mA效率： 85%可調光隔離式恒流源iW3614 其電路圖如圖 12 所示。圖 12. iW3614 應用電路圖輸入： 100-120VAC或 220-240VAC輸出： 25V,400mA效率： 82%PF： 0.9 非調光模式，調光模式時取決于可控硅。THD：滿足 IEC61000-3-2調光兼容 RC、R、RLLT3799今年 2 月美國凌特公司宣布了一個用于 LED恒流驅動的 ICLT3799），它 可以驅動 4-100W的 LED，而且本身帶 PFC，外置功率 MOSFE開T 關管，反激隔離 式而不需要光耦合器，外置元

15、件減到最少，而且還可以用于可控硅調光。/ 24圖 13 可用于高功率 LED 吸頂燈的反激式隔離型恒流電源 這個電路圖是一個給 24 瓦吸頂燈用的演示板的電路圖。其主要技術指標如 下：它的演示版的布置圖如圖 14 所示。具體應用時當然也可以設計成圓形圖 14. LT3799 的演示版這個市電恒流源因為功率大，而且可以適應 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開關管，而且也因為功率大，所 以要求采用功率因數校正 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

16、為隔離市電所必需的。/ 24六、 LED吸頂燈的調光目前全世界很多知名的 LED恒流驅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光的所謂 Triac 配合以進行調光的芯片。然而這也是 一種相當可悲而又可笑的事。因為可控硅是上世紀六十年代的產品，本身是一 種相當古老而落后的器件。它的確可以用來和白熾燈配合進行調光，可是它在 調光的過程中會破壞正弦波的波形因而引起系統的功率因數降低，而且還會在 線路上產生很大的干擾信號。在白熾燈調光時因為白熾燈的亮度只是由電源電 壓的有效值決定，所以可以跟著可控硅的導通角調光，而且對于可控硅來說， 白熾燈是一個理想的純阻負載，也不會對它的工作有什么

17、影響。可是換成 LED以后就產生了一系列的問題，首先帶整流器的 LED是一個容 性負載，對可控硅有很大影響，在低負載時就會不穩(wěn)定觸發(fā)，除非并聯一個電 阻。但會進一步降低系統的效率 （ 增加 1-2W功耗 。為了使得 LED也能配合可控 硅調光就必須把帶整流器的整套恒流電源系統的功率因數提高到看上去接近純 阻負載。所以很多公司開發(fā)出有源功率因數校正芯片。使得LED整個系統的功率因數達到 0.9 以上。不少人誤以為采用功率因數校正以后，連同可控硅在內 的整個系統的功率因數都可以達到 0.9 以上。這完全是誤解了， 即使是純阻負 載接上可控硅以后功率因素也會隨調光而降低。下面是可控硅調光過程中，帶功

18、率因數校正 （達0.96的 LED球泡燈的整套 系統 包括可控硅在內）的功率因數的變化 附帶也有白熾燈的數據以供比 較）。由表中可知，不管是經過功率因數校正的 LED燈，還是白熾燈，在一開始 時功率因數都可以達到 0.96 以上。但隨著可控硅的調光，其功率因數逐步降 低，到無法再調光時，功率因數低至 0.48 和 0.566 。所以作為整個系統來說， 其功率因素指標是不符合美國能源之星的要求的。全世界的各種可控硅調光器多達幾十種，上百種。很多 LED燈為了和這些 可控硅兼容，不知道做了多少實驗和改進，但最后還是吃力不討好。因為國外 的人工很貴，所以也可以認為這是不得已的做法，但是在中國完全可以

19、采取另/ 24一些更先進的做法為了要對 LED調光，可以有很多辦法，這些方法都沒有可控硅的缺點。下 面介紹幾種最常用的方法：采用脈寬調制 PWM調光LED是一個二極管，它可以實現快速開關。它的開關速度可以高達微秒以 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制 PW）M 調光 法。圖 15 表示這種脈寬調制的波形。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

20、的亮度具體實現 PWM調光的方法就是在 LED的負載中串入一個 MOS開關管 圖 16），這串 LED的陽極用一個恒流源供電。圖 16. 用 PWM信號快速通斷 LED串/ 24然后用一個 PWM信號加到 MOS管的柵極，以快速地開關這串 LED。從而實 現調光。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開關管。那么這種 PWM調光方法有那些優(yōu)缺點呢？1不會產生任何色譜偏移。因為 LED始終工作在滿幅度電流和 0 之間2可以有極高的調光精確度。因為脈沖波形完全可以控制到很高的精度， 所以很容易實現萬分之一的精度3可以和數字控制技術相結合來進行控制

21、。因為任何數字信號都可以很容 易變換成為一個 PWM信號。4 即使在很大范圍內調光，也不會發(fā)生閃爍現象。因為不會改變恒流源 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信號的方法為在墻上的 PWM開關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 構成一個 PWM發(fā)生器這個發(fā)生器的指標如下：輸入電源： 10-36V ，20mA輸出信號： 200Hz的 PWM信號， 0-100%，5V 也可為 10V）控制路數：可控制 5-10 個可調光恒流源線路長度： 10-20m開關：可直接控制 220V

22、 電源開或關 所以，它需要三根線和燈具連接。假如還要開關燈具，就可以采用帶開關 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，就要再增加三根線，這是它的主要缺點。它的優(yōu)點是可以用一個控制器來 控制 5-10 個燈具。/ 24分段式開關調光為了利用現有的墻上開關和墻內的兩根線，臺灣有一家公司推出了一種稱 之為 EZ-Dimming 的 GM6182的四段開關調光不失為一種好方案。它只利用墻上 的普通電燈開關就能實現 4 段調光，第一次開為全亮，第二次快速開關為 60% 亮度，第三次快速開關為 40%亮度，第四次快速開關為 20%亮度。這種系統的優(yōu) 點是可以利用普通

23、的墻上開關實現調光。而且其功率因素高達 0.92 以上。沒有 產生干擾信號之慮。缺點是無法連續(xù)調光。還有操作麻煩一些。它實際上可以 和恒流源設計在一起 圖 18）。圖 18. 分段調光的恒流源 GM6182其指標如下：紅外遙控調光LED吸頂燈作為一種高檔商品，采用紅外遙控調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)射機電路如圖 19 所示。/ 24圖 19. 一個紅外遙控發(fā)射機電路圖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現采用 PWM連續(xù)調光，但在實際使用時，也可以用作 分段調光。/ 24七、LED吸頂燈的指標和性能一個 LED燈具最重

24、要的性能指標就是它的整體光效。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 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、顯色指數等。為了測試 LED吸頂燈的指標，我們通常把它放進大型的積分球中，以便測 量它所發(fā)出的全部光通量。并對它所發(fā)出的光譜進行分析?，F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。這是 一個采用 168顆 3014LED的紅外遙控吸頂燈。在不加光罩時實測的結果如下。1. 整體光效總流明數 1383lm，輸入交流功率 =16.57W，所以整體光效 =83.46

25、 lm/W 需要 說明的是其中包括了兩項效率，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，單獨測試的結果是 89.5%圖 8）。紅外接收器的功 耗為 0.5W 左右，所以實際的輸入功率應該是 16W。如果不用紅外遙控器時，它 的整體光效應該是 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。色溫： 6171K，

26、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。顯色指數： Ra=76.2，這個指數相對較低。但是實際上目前所用的顯色 指數是在 15 種單色光上的顯色指數加以平均的結果，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。如果加上光罩以后，它的整體光效當然會隨之降低。而且會降低相當 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，

27、這也 是很重要的。/ 24國外的一些大功率吸頂燈的性能如下：Sharp 吸頂燈八、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，而且和瓦數基本無關，而一個相同流明數的 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/ 24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。所以說，可以預

28、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吸頂燈的市場商機是最大的。九、吸頂燈的市場各個國家的生活習慣有所不同，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，有一個墻上開關來 開關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。2018 年 5月日本的 LED吸頂燈的銷售額已經超過了普通吸頂燈市場預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。但目前導入 LED的比率僅 2 成 在日本 LE