LED日光灯的性能和电源和结构和寿命（三）

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。

性能指标
 内置式非隔离

电源本身
 内置式加上

镇流电感
 内置式加上

电子镇流器
 外置式（每根灯管）
 
总功率
 25.6W
 26.85W
 30.5W
 22.18W
 
效率
 78％
 74％
 65%
 92％
 
功率因素
 0.946
 0.51
 0.916
 0.99
 

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

五.结构

按说，LED日光灯既然称为日光灯那么它的结构一定就是荧光灯的模样，连长短、粗细也都一样，甚至称呼也是T10、T8、T5，也都一样，也就没有什么可以讨论的了。其实则不然。LED日光灯在这方面走了很多弯路，是值得大书特书的。

1．            全塑灯管，早期的LED日光灯采用的是全塑灯管，因为主要采用非隔离式电源，为了避免触电问题，所以更希望采用全塑灯管。里面采用的是φ5的草帽管LED。但是很快就证明了这种日光灯的光衰很严重，寿命非常短，不到1000小时就坏了。这才发现，最大的问题是散热问题。由于把热量全部封死在管内，根本无法散出去，再加上草帽管本来寿命就短，当然不可能长寿命。

2．            半塑半铝管，在发现了散热问题以后，就想到采用半塑半铝的方案（图8）。

图8. 半塑半铝灯管

在需要透光的那一半采用塑料，在不需要透光而需要散热的那一半就采用铝合金。电源当然是放在铝管里面。看来问题似乎是解决了。然而因为LED日光灯的功率通常在20W左右，它的发热量还是相当大的。半根铝管并不能解决它的散热问题。所以又提出另一种散热的铝管结构。

3．            扇骨形铝管（图9）。

它把电源放到管外，从而可以把半边铝壳完全做成散热器。扇骨形铝管采用扇骨形状的散热结构，大大增加了散热器面积。相对于半圆形的铝管来说，它的散热面积至少增大了3倍以上。再加上电源不放在管内，又可以减少热量，这就大大延长了LED的寿命。

(a)普通半铝半塑管  （b）扇骨形铝塑管       （c）二者的实物照片

图9. 扇形灯管

六．寿命

我们知道小功率LED指示灯的寿命是非常之长，只是当LED作为照明器件以来，LED的寿命问题才被提出来。其实LED的寿命完全取决于它的结温。只要结温够低，LED的寿命提高到十万小时以上是没有问题的。

但是由于LED本身的发光效率目前还是比较低，大约还有70%的输入功率要转化为热能，如果这些热不能很好地散发出去，LED的结温就会升高，于是LED的寿命就会随之降低。所以延长LED寿命的根本办法就是改进其散热。改进散热要从LED本身做起。前面提到的3014，就是靠增加底板金属面积二改善了散热，使其热阻降低到只有51°C/W.。只要散热器做得足够好，可以保证接脚温度在60°C以下，那么其寿命可以保证在5万小时以上。

我们实测的结果也证明了这点，在25度室温下，我们测得铝散热器的表面温度为35度左右，如果在45度环境温度时，那么散热器表面温度就应当是55度，因为采用了扇骨形铝塑管，铝基板和铝散热器的热阻大约50°C/W。所以到LED底板温度大约是60度。因此可以保证其寿命为5万小时以上。

最后我们可以给出各种结构和电源的综合优缺点比较表：

内置式非隔离电源
 内置式隔离式电源
 外置式非隔离

电源
 外置式隔离式电源
 外置式集中供电电源
 
可直接替换铁芯电感荧光灯
 可直接替换铁芯电感荧光灯
 无法直接替换需拆去镇流器
 无法直接替换需拆去镇流器
 无法直接替换需拆去镇流器
 
不易通过CE、UL认证
 容易通过CE、UL认证
 不易通过CE、UL认证
 容易通过CE、UL认证
 容易通过CE、UL认证
 
存在触电隐患
 无触电隐患
 存在触电隐患
 无触电隐患
 无触电隐患
 
效率低：67%
 效率低：67%
 效率高：88%
 效率高：90%
 效率极高:93%
 
功率因素差：0.51
 功率因素差：0.51
 功率因素高：>0.9
 功率因素高：

>0.9
 功率因素极高：>0.99
 
电解电容温升高,电源寿命低
 电解电容温升高,电源寿命低
 电解电容温升低,电源寿命高
 电解电容温升低,电源寿命高
 电解电容温升低,电源寿命高
 
散热差、LED寿命低：<10,000hrs
 散热差、LED寿命低：<10,000hrs
 散热好，LED寿命高: >50,000hrs
 散热好，LED寿命高 : >50,000hrs
 散热好，LED寿命高: >50,000hrs
 
电源成本低：<19元
 电源成本高：

>35元
 电源成本略高:>20元
 电源成本略高:>36元
 电源成本高:>50元
 
LED或电源损坏时都要一起丢弃
 LED或电源损坏时都要一起丢弃
 LED或电源损坏时不必一起丢弃
 LED或电源损坏时不必一起丢弃
 LED或电源损坏时不必一起丢弃
 
无法调光
 无法调光
 无法调光
 无法调光
 可以调光