LED日光燈的性能、電源、結構和壽命詳細資料

摘要：目前中國每年要生產幾十億支熒光燈，這些熒光燈廢棄以后，滲透到地下水中的水銀不知道要給我們的后代帶來多大的危害性。如前所述，LED日光燈比起傳統的熒光燈具有無可比擬的優點，而且隨著LED的發光效率的逐年提高，成本逐年降低，全面取代熒光燈的時代指日可待。

LED日光燈

　　— 性能、電源、結構和壽命 —

　　最近以來，LED日光燈成為最早進入室內的LED燈具之一，因為它相對于熒光燈來說具有很多優點。

　　一. 優點

　　相對于熒光燈來說，LED日光燈具有10大優點：

　　1.發光效率高：

　　熒光燈的發光效率大約是55-80 lm/W(Philips公司T8熒光燈的發光效率為72lm/W)，而LED的發光效率在100 lm/W以上，最近Cree公司的XLampXP-G的發光效率已經到130流明/W，而且以后還會不斷提升。二者之差現在已經將近一倍。而以后有可能達到3倍以上。

　　2.燈具效率高：燈具的效率主要是指有效光效，因為熒光燈是360度發光的，而在反方向發出的光就沒有什么用處。所以熒光燈通常采用一個白色的燈罩，可以把相當一部分的反向光反射回來，一般來說，熒光燈的燈具效率大約只有70%。而LED日光燈則是120度發光的，所以全部光都是有效光。雖然有時候也會覺得120度發光角度窄了一點，不過大多數情況下還是夠用的。而且這個發光角度也是可以根據需要來加以調整的。

　　前面提到Philips的T8熒光燈的發光效率為72lm/W，36W的熒光燈一共發出2592流明，但是燈具效率只有70%，所以有效的流明數為1814.4流明，而LED的發光效率已經超過130lm/W，假定為100lm/W，那么只要18W就可以達到1800流明，也就是只要熒光燈一半的功率就可以有相同的亮度。

　　而且LED的發光效率還在逐年升高。

　　3.電源效率高

　　因為所有燈具除白熾燈以外都是需要有專門的電源供電的，電源的效率也就影響了整個燈具的效率。

　　下面以Philips公司的36WT8熒光燈為例。它的額定輸出功率為36W，但是由于接入了電感鎮流器，實測輸入功率為42.4W，也就是鐵芯電感損耗了6.4W,效率降低為85%，大多數國產的鐵芯電感功耗在10W以上，功率因素低于0.512。而LED的電源效率通常高達90%，一個18W的LED日光燈只要20W的輸入功率。功率因素也可以達到0.9以上。

　　和熒光燈相比大約可以節省一半以上的電，也就是說采用一個18瓦的LED日光燈可以取代一個36瓦的熒光燈。

　　不僅如此，LED日光燈還有很多其他優點：

　　4.壽命長：一個仔細設計的LED日光燈的壽命可以達到5萬小時。而一個熒光燈的壽命通常只有5,000小時(有些國產的熒光燈壽命只有300小時)。二者相差將近10倍。最好的長壽命日光燈也只有10,000小時，二者也還相差5倍。

　　5.不含汞，無污染。我們知道，熒光燈都含有汞。36mm熒光燈中含有25-45mg的汞，26mm(T8)中含有20mg的汞。而熒光燈都是采用易碎的玻璃作為外殼，一旦玻璃破碎，其中的汞就會馬上就會蒸發到空氣中，瞬間可使周圍空氣中的汞濃度達到10-20毫克/立方米，超過國家規定的1000-2000倍。而汞是一種對人體十分有害的有毒物質，汞蒸氣達0.04至3毫克時會使人在2至3月內慢性中毒，達1.2至8.5毫克時會誘發急性汞中毒，如若其量達到20毫克，會直接導致動物死亡。而1mg的汞就足以污染5454.5公斤的飲用水，使之達不到飲用標準。而LED日光燈中不含任何有毒物質，是一種完全綠色環保無污染光源。

　　6.色溫范圍廣，幾乎可以提供任意色溫，而且還可以提供紅綠藍以至任何一種顏色的燈光。

　　7.顯色指數高，白熾燈的顯色指數為95，熒光燈為65-80，而LED日光燈則可以>80。

　　8.沒有紫外線輻射。

　　9.非玻璃制品，不易破損，耐沖擊，耐振動。

　　10.外置隔離電源的LED日光燈，在燈管兩端都接觸不到市電高壓，只有低于36V的直流安全電壓，不存在觸電的危險，完全是一種安全的燈具。

　　二.價格

　　目前LED日光燈唯一的缺點就是價格高。

　　不過盡管目前LED日光燈的價格大約是熒光燈的十倍左右，如果聯系到它的壽命、節電和無污染來看，仍然是合算的。因為如果和壽命為5,000小時的熒光燈相比，那么壽命為5萬小時的LED日光燈就已經值得花10倍的價錢去買，而在其間所節省的電能就完全是純收益了。在日本，因為熒光燈含汞，所以壞掉的熒光燈還要付出和買一個新的日光燈同樣的錢作為有毒物質處理費。所以，在日本即使采用長壽命(10,000小時)的熒光燈，所付出的錢也相當于貴10倍的LED日光燈。

　　在一些24小時連續工作的場地，例如地下停車場、24小時加班生產的工廠等地方。節電也是十分重要的。如上所述，一根T8的LED日光燈大約可以節省20瓦電，一年下來就可以節省20x365x24/1000=175.2度電。假如以每度電0.7元計算，那么一年下來，可以節省電費122.64元，兩年下來，就可以節省出這根LED日光燈的成本。以后所節省的電費就成為純收益了。

　　所以現在國外有一種稱之為EMC(能源管理合同Energy Management Contract)作法。就是由一家財團或銀行出資。替一個地下停車場或商場免費安裝LED日光燈，但是要向業主收取所有節省下來的電費，協議有效期可能為5年。只要2年以后，就可以回收所有投資，第三年開始，所有節省下來的電費就變成是純收益了。這是一個十分有利的投資項目。國內也開始有人這樣做了。

　　更何況按照Haitz定律，LED的價格每十年將降低十倍!

　三.LED

　　為了得到比較均勻的發光和把熱量分散開，LED日光燈通常都是采用很多個小功率的LED燈珠串并聯而構成。小功率LED有兩種，一種是插針式，俗稱草帽管，還有一種是貼片式。早期LED日光燈大都用草帽管，但是這種插針式LED因為熱阻大(高達450°C/W)，光衰嚴重，所以現在已經很少人用，而大多數采用貼片式的了。各種LED的主要指標為發光效率，小功率LED通常直接以其發光的流明數表示，壽命(通常以在多少結溫時的壽命來表示)，和熱阻Rjs。

　　幾種常用的貼片式LED的指標如下所示：

(a)

(b)

圖3. 3020(a)的散熱和3014(b)的底板散熱機構

　　由于3020只有兩端電極焊接散熱，而3014采用了底板散熱，所以二者的熱阻相差3倍多，二者的壽命也相差兩倍多。3014 工作于30mA，所以它的發光也高達9流明。相當于90 lm/W的發光效率。

　　在日光燈里所用的LED數目通常在200顆以上，顯然不可能全部串聯，而必須串并聯。一般來說，希望串得少的，并得多，這樣，一旦某一串中有一個LED開路，只會使這一串不亮，而這一串的電流將分攤到剩余的幾路中去。例如，總數為200個的LED，假如連結成8串25并，每串30mA，25串的總電流750mA，有一串壞了，每一串的電流只增加了1.25mA。反過來，假如連成25串8并，每串30mA，8串總電流240mA，一串開路，30mA 就分到剩下的7路中，每路就要平均增加4.28mA。

　　不過有的LED每個都有一個并聯的穩壓二極管保護，即使有一個LED開路，這一串也不會都不亮，而只是這一個LED不亮而已。上述問題就不存在。

　　此外，假如串聯的LED數目少于10個，那么它所需要的電源電壓低于35V，也就低于國際安全電壓。

　　究竟串多少并多少，還和電源的可能性有關。這將在下一節中討論。

四.電源

　　LED日光燈的電源分為內置式和外置式兩種。所謂內置式就是指電源可以放在燈管內部。這種內置式的最大優點就是可以做成直接替換現有的熒光燈管，而無需作任何改動。所以內置式的形狀都是做成長條形，以便塞進半圓形的燈管中去。

　　下面先介紹兩種內置式，非隔離型和隔離型。

　　1.非隔離式恒流電源： 非隔離是指在負載端和輸入端有直接連接，因此觸摸負載就有觸電的危險。

　　目前用得最多的是非隔離直接降壓型電源。也就是把交流電整流以后得到直流高壓，然后就直接用降壓(Buck)電路進行降壓和恒流控制。其電原理圖如下圖所示：

圖1. 非隔離恒流源的電原理圖

　　這種非隔離式電源的主要技術特點：從18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出;采用頻率抖動減少電磁干擾，利用隨機源來調制振蕩頻率，這樣可以擴展音頻能量譜，擴展后的能量譜可以有效減小帶內電磁干擾，降低系統級設計難度;可用線性及PWM調光，支持上百個0.06W LED的驅動應用，工作頻率25KHz-300KHz，可通過外部電阻來設定。

　　非隔離恒流源的優點是簡單、指標高，它的輸出電流可以按LED串并聯的個數決定。但是大多數情況下，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，12串并聯，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，為了保持總電流240mA不變，就只能改成8串并聯。但假如LED的總數不變，就要求串聯的數目增加到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的總數就只能是176顆，即使采用30mA，其總流明數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生所謂的爬電現象，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。可以避免觸電的危險。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.內置式電源的優點和代價

　　內置式電源的最大優點就是能夠直接替換現有采用電感鎮流器的熒光燈，而不需要拆去任何東西。現有熒光燈的電源分兩種，如圖5所示：

　　(b)電子鎮流器

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的鐵芯電感和一個并聯的起輝器(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在電路中，所以它仍然帶來將近6.4-10W的損耗，結果使得這部分的額外損耗大大降低了LED的節電功效。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的節電效能大打折扣。不僅如此，由于電源內置，電源的熱量也就加入到管內，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，現在還要再加上內置電源的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產生的很高的環境溫度，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構不能最佳化。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流器(圖5b)，那么直接替換所產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動LED。這時候的效率將變成前面電子鎮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。

　　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、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開關電源，統一供電，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

　　現在大功率的AC/DC開關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，假如采用非隔離內置式電源，直接用220V供電和外置式集中供電比較，實測的結果如下。

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

圖6. 手動調光日光燈方框圖

圖7. 光敏調光日光燈的方框圖

五.結構

　　按說，LED日光燈既然稱為日光燈那么它的結構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。這才發現，最大的問題是散熱問題。由于把熱量全部封死在管內，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，在發現了散熱問題以后，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。看來問題似乎是解決了。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構。

　　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構，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，又可以減少熱量，這就大大延長了LED的壽命。

(a)普通半鋁半塑管

(b)扇骨形鋁塑管

(c)二者的實物照片

圖9. 扇形燈管

六.壽命

　　我們知道小功率LED指示燈的壽命是非常之長，只是當LED作為照明器件以來，LED的壽命問題才被提出來。其實LED的壽命完全取決于它的結溫。只要結溫夠低，LED的壽命提高到十萬小時以上是沒有問題的。

　　但是由于LED本身的發光效率目前還是比較低，大約還有70%的輸入功率要轉化為熱能，如果這些熱不能很好地散發出去，LED的結溫就會升高，于是LED的壽命就會隨之降低。所以延長LED壽命的根本辦法就是改進其散熱。改進散熱要從LED本身做起。前面提到的3014，就是靠增加底板金屬面積二改善了散熱，使其熱阻降低到只有51°C/W.。只要散熱器做得足夠好，可以保證接腳溫度在60°C以下，那么其壽命可以保證在5萬小時以上。

　　我們實測的結果也證明了這點，在25度室溫下，我們測得鋁散熱器的表面溫度為35度左右，如果在45度環境溫度時，那么散熱器表面溫度就應當是55度，因為采用了扇骨形鋁塑管，鋁基板和鋁散熱器的熱阻大約50°C/W。所以到LED底板溫度大約是60度。因此可以保證其壽命為5萬小時以上。

　　最后我們可以給出各種結構和電源的綜合優缺點比較表：

　　展望

　　目前中國每年要生產幾十億支熒光燈，這些熒光燈廢棄以后，滲透到地下水中的水銀不知道要給我們的后代帶來多大的危害性。如前所述，LED日光燈比起傳統的熒光燈具有無可比擬的優點，而且隨著LED的發光效率的逐年提高，成本逐年降低，全面取代熒光燈的時代指日可待。

　　但是現在全國每年頂多生產幾十萬支LED日光燈，而且大部分是出口，國內使用寥寥無幾。

　　實際上，應該說即使現在它在經濟上已經是完全值得取代現有熒光燈，再加上它的無毒，環保，…，等等優點，現在就值得大力推廣。尤其是作為政府和各種非盈利綠色環保組織和機構，從現在開始就應該大力宣傳各種LED燈具的優越性，對廣大人民群眾進行宣傳教育，宣講其優越性。各個銀行、金融機構更應該全力參加EMC合同，減少人們的顧慮，使得其更容易推廣。尤其是節能環保是關系到減緩大氣變暖、拯救地球的重要措施。是人人都要積極行動起來的頭等大事。希望我們推廣LED日光燈也能在這個過程中貢獻我們一份微薄的力量。