浅谈LED照明灯具.doc

浅谈LED照明灯具从LED光源的问世已经有好几十年的历史了，如今的LED在照明行业里头，掀起了一场绿色照明革命。LED不仅高亮、节能、显色性能好，使用寿命长，无光污染及幅射。而且为固态光源，不易碎，不会引起火灾等优点，所以被冠以绿色LED的称号，目前来说是别的光源无可替代的。LED光源的优劣，主要取决于发光的芯片。因为芯片直接决定了光源的亮度及反向漏电等先天性能条件。其次就是光源在封装过程中的工艺及散热材料也是非常关键的。现在的LED封装技术在国内来说，基本已经成熟，但在应用时，也不能顺手捏来，要对来料进行加速老化以及亮度测试等检验。因为LED光源不管怎么说，它是照明灯具里的最核心的元件，也是用量最多的元件。在应用过程中，驱动电源是关键，必须合理地选择驱动方式。提高驱动电源与光源的寿命差距。但如果光源本身质量不好，那么，驱动技术和其它相关结构处理再好，也是徒劳的。LED光源不仅决定了灯具的亮度、色温、光效等作用，也决定了灯具的使用寿命问题。所以，对光源的挑选必须严格要求。比如单颗灯珠的亮度、流明值和批次灯珠的色温一致性。另外，灯珠的反向漏电不能太大，一般来说反向允许电流在5ua以内。由于LED环保，寿命长，光电转换效率高等优点，越来越多的照明场所挣先使用了LED灯具。那么，灯具本身的质量也是大家关注的一个问题。LED光源在理论上的使用寿命为8-10万小时左右。但是它的这个寿命是需要条件的，比如需要良好的低温工作环境，合理的散热结构，稳定的驱动电压或电流等因数。在实际应用过程中，由于很多应用厂家没有严格按照LED光源的应用环境去做，驱动电源设计或驱动方式选择不洽当，因而导致LED灯具寿命短，易损坏等原因。基于这些原因，那么LED光源再好，所生产出来的产品质量当然不敢恭维了。综上所述，那么我们明白了LED灯具里边，驱动电源是质量优劣的关键，也是这个灯具的核心。当然了，合理的散热结构也是起到关键性作用的，在此先不作表述。那么，LED灯具对驱动电源的性能要求和驱动寿命也是越来越高。在设计LED驱动电源前，首先要了解LED的工作特性。不然，设计出来的产品不是性能不好就是低水平重复。1 LED相关知识LED是Light Emitting Diode（译：发光二极管）的缩写，是固态发光半导体器件，电转光的效率很高。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一头是负极，另一头为正极，在这两端使用金线焊接在特定的支架两端，然后再用环氧树脂胶或硅胶封装起来。发光二极管由两部分组成，一部分是带正电的P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，带负电的电离子。两者结合形成一个单向“PN结”。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，也可以说是由构成PN结的材料决定的。在设计LED应用产品之前，我们一定要了解LED光源的电气性能和使用环境及有些什么特性。LED在分装上来说分两类：一种是直插式的，习惯上叫F3、F5、F10等，这种称呼指的是光源的直径大小。芯片上有圆片和方片之分。方片性能优于圆片，这里我只做简单的述说。因为接下来要介绍的是贴片式LED光源，贴片LED多半以光源的尺寸大小做为型号的命名，如：3528、3020、3050、3535、5050等，比方说：35指的是灯珠的长度，28指的是灯珠的宽度，合在一起就是3528的型号名称了。贴片LED灯珠分小功率和大功率，小功率指的是0。18W以内功率的灯珠，大功率指的是0。5W以上功率的灯珠。大功率LED亮度高，但热阻比较集中，对散热材料的导热性和散热结构都要求比较高，由此而提升了散热成本。目前虽然有众多生产大功率照明的厂家，但为了降低成本或对大功率LED本身不够了解，没几家把散热结构做到合符要求的，都是以点亮为标准，这样的灯具都是夭折性的。小功率LED灯珠光电转换效率高，单颗热阻低，很容易进行散热处理。目前用小功率LED做成的灯具光源成本要比大功率光源成本高，但散热材料成本低，性能更稳定。 现在以3528白光为例，来了解一下它的电气性能。由于LED生产厂家不同，电压、电流、亮度、色温多少有些差异化。在此只表电压和电流关系。3528白光的正向电压为最小3.0V，最大3.6VDC。推荐使用电流为20ma，相当于使用电流临界值。超过这个值，那么就是非正常使用了，产品的品质性能无法保证。LED对电压非常敏感，比如一颗电压为3.1V,电流关系正好为20ma的灯珠。现在把电压调高到3.2V，那么电流关系就会变成30ma，3.3V时电流关系就会成倍提高。由此证明，LED是一个电流型半导体发光器件。我们在应用时，最好的方法就是能提供一个纯恒流的驱动环境。LED在使用过程中，可能会出现三种情况的死灯现象，第一种是单向PN结被软击穿，形成短路。第二种是PN结烧毁，形成开路。另一种是正常的寿命终结现象，LED在使用过程中，由于长时间工作关系，亮度上会慢慢出现光衰，当然，这个过程是漫长的。随着亮度的衰减，LED的阻抗会慢慢加大，通过的电流也会慢慢地降低。也就是说要想保持20ma的电流关系，那么输入的电压必须随着光衰的程度慢慢上升。2LED驱动的几种方式现在LED灯具生产厂家众多，产品市场竞争激烈。低价成了产品竞争最有份量的手段之一，这样的做法，损失的当然是产品的质量。因此，众厂家选择驱动LED的方式各不相同。有的是从成本出发，有的倾注于质量，还有的是选择什么样的方式简单就用什么样的方式，自己没有定位，总之，用什么样的方式都有。现在我们来概括一下LED照明常用的几种驱动方式。第一种，阻容式降压驱动。现在很多LED灯具生产厂家，用阻容式降压方法来驱动LED。这种方法多用于护栏管、LED灯杯、小功率球泡灯、玉米灯、LED小夜灯等上面。这种驱动方法的缺点是：阻容降压只能起到一个大概的恒流作用，而不是绝对的，稳压性能差，无法保证LED工作在设计电流范围内。随着市网电压的波动，LED的亮度也会跟着变化，还有功率。再一点就是没有功率因数。优点是：阻容降压的效率很高，最能体现LED的节能效果，驱动光效高达90LM/W以上，另一点就是成本低。在设计这样的LED灯具时，预留好LED的电流上升空间，以保证LED不受高压波动而损坏，这种设计方法是，以牺牲LED亮度为代价，来换取产品的质量稳定性。另外，要适当选取CBB电容和放电电阻的阻值。不然，可能会引起CBB电容的爆炸性损坏。第二种：恒压驱动，根据LED电流、电压的线性变化，实验证明，采用恒压驱动是可以的。但是恒压电源的恒压精度一般都比较差，有点不稳定，前面说到过，LED对电压的要求极其敏感，电压只要有0。1V的变化，电流就会产生很大的变化，甚至倍增。但是有些特定的LED照明产品却因为使用场合的不同，而不得不采用这种方法。比如LED柜台灯条、LED防水灯条、LED软灯条等，这是其它驱动方式无法取代的。也有少数人把这种驱动方法用在LED日光灯管上。为了防止恒压源的不稳定因数，在设计LED灯串时，一般都采用串并结构，然后在每一串LED的中间加一个电阻进行降压和限流。虽然这种驱动方法不错，但降低了整个灯具的光效，突显不了LED的节能效果。大家都知道，电阻的作用只是限流，不会产生光效。但所消耗的能量和一个LED是同等的。这种驱动方式的优点是应用空间大，性能比较稳定。缺点是光效率低。第三种：恒压加恒流的方式，先把市电转换为低压后，再加以恒流的作用进行输出。这种方式目前多用于LED大功率路灯上面。这种驱动方式的设计思路是这样的，在同一块电源驱动板上，前部分是将市电转换成直流12V或24VDC，然后再分路加以恒流输出。这几路输出可以是共零位或高位，每一路单独驱动一串大功率LED，数量由六个或七个大功率灯珠组成。这样设计，主要是防止每一串灯珠的故障不会影响其它灯串，也就是防止故障扩大化。那么这种驱动方式的优点是：在原本低压的情况下，再加以分路恒流输出，这样，恒流精度更高，更稳定，同时，DC/DC的恒流器件所承担的功耗低，热阻也低，使得这一部分的元器件不担提升了使用寿命，性能也更稳定。同时，因为后面的LED灯串负载都是独立驱动的，更加保证了LED通过的电流精度，而且几乎不会产生纹波电流，最大程度上提升了LED的使用寿命。因为后面的负载都是独立驱动设计，能防止故障的扩大化，这样也提升了整个灯具的使用寿命。缺点是：成本太高。第四种，隔离式恒流驱动电源。在LED灯具应用里边很常见。广泛应用于LED球泡灯、LED日光灯、LED台灯、LED射灯、天花灯等上面。这种设计方案的电性特点是：输出电流强大，纹波小，效率高，但电压一般都低于36VDC，对负载要求多并少串。这种方式很适合球泡灯、天花灯、台灯、射灯等作为驱动之选。因为这类照明灯具的光源多采用大功率LED灯珠，单颗LED灯珠电流在300-900ma，比较符合这种驱动特性。至于LED日光灯，本人不建议采用这种方式，原因将在下面的LED日光灯专题中论证。第五种，非隔离驱动电源，那么在非隔离驱动电源里面分两种设计方法，一种是纯恒流驱动，就是只对电流有着严格的恒定精度，电压的输出范围比较宽，可以随着负载的的自身压降而拉低。另一种是恒功率电源，也有人叫既恒流又恒压，有这样的叫法。在这里我稍加解释一下，这种电源的输出特性是：其输出的电流和电压都是根据负载的需求设计的，以输出功率来定一个值。也就是说输出的功率是恒定的，不管负载发生什么样的变化，它输出的功率不变。如果负载出现被软击穿的话，那么就会加大其它LED的电流冲击，导致快速老化或直接死灯。而纯恒流驱动是不会发生这种情况的，即便有灯短路，也不会加大其它灯珠的工作电流。非隔离电源驱动效率高、恒流精度准，质量稳定，成本适宜。适合于LED日光灯驱动之首选。也有人用于球泡灯，射灯、天花灯、帕灯等。第六种，恒流二极管驱动。恒流二极管目前的封装形式有几种，一种是普通二极管外形，一种是MOS管外形，也就是说有三个控制脚。还有一种象IC外形，分好几路输出。不管它们的外形如何，但这些模块都有一个共同的电性特点，即二极管特征，都具有一个PN结。而输出的电流比较小，VF值也不高。所以应用中必须多串几个相同的模块用来分担多余的电压或防止电网电压漂高等因素。这种方法应用简单，成本低，且效率也高。但是性能不是很稳定，而且亮度上也会随电压的高低出现明显的亮暗变化。目前用于LED日光灯、球泡灯等比较多。关于LED驱动的方式比较多，在此，就只介绍以上几种。比如还有一些因安规条件比较高的场所，有些厂家就采用低压驱动的方式。这种方式的应用也是很广的，比如矿井，仓库、化学品生产场所等，这些场所防火防爆要求都比较高，相对来讲，低压供电比较安全。另外，用于汽车照明是最理想的驱动方法。接下来具体讲一讲几种常见的LED照明灯具的设计思维吧。LED日光灯，大家都知道，是用来取代传统荧光日光灯管的。所以在设计外形和光效时，要达到同样的效果，这才叫取代。有些厂家在设计LED日光灯外形时，为了追求时尚或美观，不惜成本，把日光灯的外壳做得实在漂亮，让人一见就有爱不释手的感觉，甚至惊叹。其实LED日光灯管的外壳最大作用是散热，其次就是LED灯珠的载体，另外就是与传统荧光日光灯外形一样，方便替代传统日光灯的安装规格。所以，我们在设计外形时要注重的是作用。要追求成本浪费率，提高产品的实用性，这样的产品才是唯美的。顺着这话题，我们接下来就详细说说LED日光灯要注意的几个设计点吧。LED日光灯一 外形结构设计现在很多厂家为了追求LED日光灯的表面光照效果，设计外壳套件时也是挖空心思。下面我们来举例说明如下几种T8铝管+PC罩的管件结构。 以上三个示意图为LED日光灯铝管截面图，其结构分配是比较常见的类型。至于个中优劣，各有说法。LED应用起来可以不拘一格，所以，有的厂家为了感观效果，把灯管外形做成椭圆形等。但是，不管怎么做，其实都是有得有失的一面的。现在我来说说这三种结构的优、缺点吧。第一种：首先，我们从结构上就能看出，LED发出来的光能会在这个PC材料做的乳白扩光罩内进行一次混光，混合后的光通量低于LED光通量之和，因为在光能混合时，有些光分子产生相互抵消作用，通过积分球可以测量出这种变化。为了能让LED日光灯发光面接近荧光日光灯，很多厂家想到了用PC罩进行扩光。第一种结构为二分之一式的分配方式，这种结构分配的好处是：铝管内置驱动电源的空间大，对驱动电源的高度要求不大，能满足各种驱动电源的安装空间。同时，因为灯珠与PC罩的中心点相隔比较近，光能透过PC罩的比例增高。这样也就提高了LED灯管的光通量值。缺点是：灯管表面会出现雾状似的亮点，两边会出现黑带。总个感观效果是，灯管表面黑斑多，两边有暗区，光效不均匀。第二种：灯板的散热隔板比第一种要低3个mm左右，但铝管的空间就小了，从上图很明显就可以看出。这种做法是，尽量拉高灯珠与PC罩中心点的距离，因为灯珠与PC罩中心点的距离高度越高，灯管的表面光效就越好。但透光率会比第一种稍低一点，而且铝管置放驱动电源的空间也小了，需要针对性地设计驱动电源，这对一些技术门槛较低的生产厂家可能会带来一定的难度，因为市面上的一些成熟驱动电源不一定符合这个空间，所以需要自己设计开发。另外，从上图可以看出，灯珠的高度与铝管和PC罩的结构对接缝基本一致，这样就可以减少灯管两边的暗区面积，提高暗区亮度。因为灯珠的发光角度是120度，如果接缝线和灯珠的高度处于一条水平线上的话，那么光照就会产生夹角，理想的状态是，散热隔板必须再下沉2mm，但如果那样的话，驱动电源就没空间置放了。这种结构的优点是：灯管的表面光效良好，无黑斑等，两边暗区基本消失。发光面与荧光灯管相比，基本一致。本人推荐T8灯管尽量使用这种结构。第三种：从上图明显看出，散热隔板下沉得比较多，铝管内已经没办法放置驱动电源了。灯珠离PC罩的高度也高了很多，这样混合出来的表面光效可想而知是很均匀的了。那么这种结构的优点是：灯管的表面光效均匀，发光角度也很大程度上提高，实现了同一水平面上发光无夹角。另外就是电源采用外置驱动方式，这样可以降低灯管内部的热量，提升灯珠的使用寿命。还有就是驱动电源工作在常温下，工作寿命也会相对提高。缺点是：灯珠离PC罩的距离越远，其透光率也会降低。另外就是驱动电源只能采用外置的方式，安装起来有点不方便，而且安装成本也会提高，不适合普通用户的安装。比如家居照明这一类。总体来说，LED日光灯管外观上的设计一定要符合安装方便，适用性强，安全可靠。铝管的厚度建议1mm，表面为细条纹状，以增强灯管表面的散热面积，细小的条纹等同于一条条散热风槽。不过，也有些厂家为了感观美，把铝管的表面设计成一个光滑的镜面。那么这种镜面的散热铝管和条纹式散热铝管哪种效果更好呢？本人做了个试验，用这两种不同的外壳各做一支18W的灯管，里面的驱动配置是一样的。同时点亮48小时以后，用红外温度测试仪测试灯管的表面温度，发现镜面式的要比条纹灯管高出3-5摄氏度。那么其中的利弊关系在此就不说了，你懂的。PC罩最好也用1mm的厚度，这样扩出来的光效会均匀一点，另外就是增强质感。灯头要用PC材料制作，针脚与铝管的距离越远越安全，使用镙丝固定的方式比较省时，也方便灯管日后的维修工作。因为LED日光灯不象荧光灯，不具备维修价值。二驱动电源与灯板设计：1驱动电源设计首先我们要考虑驱动LED的方式，然后就是结合有关国家安规认证标准来进行设计，比如传导幅射这是最基本的要求。另外就是转换效率，转换效率越高，就越能体现LED的节能性。再者就是功率因数的问题，什么叫功率因数呢？交流电路中当前输入电压值与输入电流的乘积为无功功率，那么有功功率只是其中的一部分。功率因数是有功功率与无功功率的比。 功率因数低，那么电流中的谐波含量就越高，会破坏电网的平衡度，而且会增加无功损耗。国际电工委员会（IEC）对小于60W的用电器，视其功率小，对电网影响不大，所以没有制定功率因数要求。只要求电流中的三次谐波小于等于80%。顺着这个话题，我们再谈回LED日光灯。我们国家也是采用的这个标准，所以，传统荧光日光灯没有做功率因数效正修补。LED日光灯规格一般都在20W以内，虽然功率是减小，但如果同类产品集中使用时，也会对电网造成污染，同时也是浪费电网资源的一部分。基于这些情况，LED照明生产厂家尽量对照明灯具增加功率因数效正电路。PF值标准在0.85-0.95的区间即可。对于5W以下的（含5W）的LED照明灯具，则可以忽略功率因数校正。LED灯板的驱动方式尽量采用非隔离纯恒流驱动，这种驱动的输出特性是：输出的电压范围宽，可以随LED灯板的VF值拉低，但电流不变，适应性强。LED灯板是由很多个LED组成的，一般非隔离以12并为主，至于几串，则视设计功率来定。当负载中的某一串LED在使用中出现短路的情况下（这种情况的出现：使用时间长,随着灯珠自身的老化程度,对瞬间电压的冲击承受性能降低,以至击穿短路）,不至于把故障扩大,只是该组的灯不亮,功率相对减小,但不影响其它灯珠的正常工作.因为驱动电源输出的电流是恒定的。这点来说，是恒功率电源无法控制和替代的。同时，因隔离电源输出电流大，因为他输出电压低，一般在38VDC以内，所以并的灯珠要求多并少串，但这种看似一样的设计，但因为并的灯珠多了，串数少了，一出问题就是一大片的灯珠不亮不说，还有就是如果同一支灯管里面有三串短路的情况下，该灯管就会很快损坏，因为他电压输出的范围小。灯具本身历来就是非隔离的，在这点上，我们不必太在意是用隔离还是非隔离的，重要的是怎样提升灯具的性能稳定和转换效率。因为灯具本身外面有PC罩做为安全隔离，而且不易破碎。要做好一支灯管，那么灯板的设计也是有很深学问的。要注意怎样降低热阻温度，这点很重要。有的人在做灯板设计时，非常简单，就是用几条不足0.5mm的铜箔线，只要把灯珠串并起来，能亮灯就好。我不能说这样设计是错的，但是，我们应该做更大的优化。在设计时，加宽加大焊盘之间的走线，有多大的空间，就用多大的铜箔。铜是最好的导热材料，灯珠产生的热量，就会通过这些铜箔迅速均匀导开。这样，LED灯珠的工作环境改善了，性能会更好，寿命会更长。不管你用的是玻纤板还是铝基板，做为一个设计师，一定要养成这种做优化的习惯，才会设计出性能稳定的产品。外行看热闹，内行看门道，所以，一样的产品，如果是两个人去设计，其内涵是不一样的。一个产品的质量好坏，不能以用什么材料去区别，其中大部分还是来自设计师的设计水平，也就是产品灵魂。这个道理不用我说了，我想大多朋友会懂的。作者：刘文斌 2011-9-27