原创 LED吸顶灯及其电源(二)

2012-2-6 14:38 2739 26 26 分类: 采购与分销

三.           LED吸顶灯的优点

3.1 发光效率高

LED本身的发光效率已经到达130lm/W以上,所以LED吸顶灯的整体光效已经可以达到100lm/W。而且这个效率还在每年增长,据估计,到2020年,LED本身的发光效率将会达到240lm/W。光效高就意味着节能。根据实测的结果,一盏8W的LED就可以取代一盏32W的吸顶灯。电功率可以节省4倍以上。

 

3.2 寿命长

LED的寿命为10万小时,做成灯具以后,现在实际上公认的寿命为至少3万小时,高质量的可以做到5万小时,要比荧光灯长10倍以上,即使最高寿命的三基色荧光灯的寿命为1万小时,也还高出5倍以上。

 

3.3 不含汞

3.4 无紫外线辐射,无光线污染

3.5 可以根据需要提供各种色温的光线,通常有2550-3700ºK,和4700-7000ºK。

3.6 无玻璃零部件,耐冲击、振动,便于运输。

3.7 不需要铝制散热器,成本低,重量轻

 

 

四.           LED吸顶灯的构成和散热

不考虑华丽的水晶吸顶灯,普通LED吸顶灯的构造和普通吸顶灯没有什么区别。都是由底壳,外罩,电源,灯等4个部分组成。

 

4.1 LED吸顶灯的灯珠

通常对于功率大于30W以上的大多采用1W的LED灯珠,低于30W的大多采用小功率LED灯珠(例如3020,3014,3528等)。建议采用贴片式小功率LED,以便于散热,也可以提高发光的均匀度。

灯珠可以按照其外形来排列,例如假定外形为圆形,那么灯珠就排成圆形,反之,假如外形是方形,那么就排成方形。即便如此,灯珠的排列也还是有很多种方法,一个典型的LED吸顶灯的内部结构如图3所示。

 

image007.jpg

图3. LED的内部结构

 

图中圆环形的印制板上有两圈LED灯珠,它是采用23颗0.4W的5730型LED灯珠,总共功率为18W。中间的长方形为其恒流电源,方盒右下角则为遥控接收器的光敏二极管,以接收遥控亮度的红外控制信号。

需要提出的是仍然有大量的低价LED吸顶灯采用了小功率草帽灯,然而由于草帽灯的热阻很大(450℃/W),很难把热导出,因而光衰严重,寿命很短。

 

4.2 LED吸顶灯的灯罩

灯罩通常采用PC板,其性能如下:

(1)透光性:P C板透光率最高可达89%,可与玻璃相妣美。UV涂层板在太阳光下爆晒不会产生黄变,雾化,透光不佳,十年后透光流失仅为6%,PVC流失率则高达15%—20%,玻璃纤维为12%-20%。   
  (2)抗撞击:PC板撞击强度是普通玻璃的250-300倍,同等厚度亚克力板的30倍,是钢化玻璃的2-20倍,用3kg锤以下两米坠下也无裂痕,有“不碎玻璃”和“响钢”的美称。   
  (3)防紫外线:PC板一面镀有抗紫外线(UV)涂层,另一面具有抗冷凝处理,集抗紫外线、隔热防滴露功能于一身。可阻挡紫外线穿过,及适合保护贵重艺术品及展品,使其不受紫外线破坏。   
  (4)重量轻:比重仅为玻璃的一半,节省运输、搬卸、安装以及支撑框架的成本。   
  (5)阻燃:国家标准GB50222—95确认,PC板为难燃一级,即B1级。PC板自身燃点是580摄氏度,离火后自熄,燃烧时不会产生有毒气体,不会助长火势的蔓延。   
  (6)可弯曲性:可依设计图在工地现场采用冷弯方式,安装成拱形,半圆形顶和窗形。最小弯曲半径为采用板厚度的175倍,亦可热弯。   
  (7)温度适应性:PC板在-100℃时不发生冷脆,在135℃时不软化,在恶劣的环境中其力学,机械性能等均无明显变化。    

(8)耐候性: PC板可以在-40℃至120℃范围保持各项物理指标的稳定性。人工气候老化试验4000小时,黄变度为2,透光率降低值仅0.6%。

 

4.3 LED吸顶灯的散热

采用小功率的LED灯珠,排列分散一些,可以有助于散热。

吸顶灯在结构上的特点也是有利于散热的。

1.      内部空气无阻挡自由流通。这是吸顶灯相比于其他灯具最大的优点。密闭而不流通的空气是一种绝热性能很好的绝热体,反过来,能够自由流通的空气却是最好的散热体。世界上所有的发热物体最后都是把热量散发到空气中去的。因为吸顶灯的底板有很多小孔,所以在吸顶灯的灯罩里,LED灯珠所产生的热量可以通过空气立刻传递到外边去。


2.      灯罩能够很好散热。我们知道对流和辐射散热主要和面积及材料有关,而塑料的辐射散热的效果是很好的,而且灯罩的厚度很薄,所以塑料的导热不好的影响可以忽略。这可以从图4中加以说明。
 

image008.jpg

图4. 较薄的厚度减小了导热系数的作用


吸顶灯的泡壳厚度只有1-2mm。所以虽然它的导热系数只在0.1-1W/mk,但还是能够很快地把热量从一边传到另一边。


而且塑料的辐射能力是很强的,见下表:

材料

黑色塑料

抛光未氧化

0.02-0.1

0.06

 

0.8-0.9

粗加工轻微氧化

0.3-0.4

0.5

严重氧化

0.4-0.45

0.8


所以泡壳可以很好地辐射散热。
因为在吸顶灯的内部空气的流通很好,很容易把热量带到泡壳上。所以灯罩起了主要的散热作用。

3.  面积大:根据圆形的面积计算公式:S=πr2,或S=π(d/2) 2,对于一个直径为45cm的圆形吸顶灯,它的底板面积就是1590cm2。因为吸顶灯通常安装在室内,没有过高室温,所以可以采用40cm2/W的经验数据,那样也可以散去40W的功率。但是由于底板靠近天花板,不易散热,所以底板的实际散热效果会差很多。


而灯罩因为是曲面形,其面积要比圆形更大,而且它的安装朝下,没有任何阻挡,所以散热效果要比底板更好。


4.      关键的问题是要把安装LED灯珠的铝基板或印制板的铜箔面积做得足够大。

实验证明,对于小于30W的吸顶灯采用普通的印制板就可以很好地散热,而且为了利用自由流通的空气。在印制板的两面把热量带走,所以也不需要把铝基板或印制板通过导热胶紧贴底板来散热,反而要把印制板垫高离开底板5mm,以便空气流通。


5.      底板上多打一些通风孔会对散热有很大的好处。这些通风孔应当打在外圈,以免被阻挡。但也可能带来小虫钻入的可能性。

采取以上措施以后,LED吸顶灯并不需要很重的鳍片式散热器也可以满足散热的要求。可以说LED吸顶灯是唯一不需要特制的铝散热器的LED灯具。
 

 

五.           LED吸顶灯的电源

现在让我们先来看一下普通吸顶灯的电源。

普通吸顶灯通常采用电子镇流器,或者称为高频变压器。但是市面上的电子镇流器的质量都比较差。例如,作者就测试了一款普通吸顶灯安装了飞利浦的32W环形灯管。实测的结果如下:Pin=16W,PF=0.62。所以它只用到环形灯管50%的功率,而且功率因数也很差。作者也测试了一个9W节能灯的参数,测得Pin=8.4W,PF=0.563

二者的功率因数都不能满足>0.7的要求,但仍然在市面上大量流通。

 

对于LED吸顶灯的电源可以分为非隔离式和隔离式两大类:

5.1 非隔离恒流源,由于LED吸顶灯不像球泡灯那样容易被用户用手触摸到,而且由于不需要接触式导热,它的内部结构很容易把铝基板或印制板和金属底板绝缘起来,所以采用非隔离电源是可以很容易通过CE、UL等安全认证。再加上它的安装通常是由专业的电工来安装,也减小了用户触电的危险。

 

我们知道LED必须采用恒流源来驱动,否则由于它的负温度系数,而会使电流急剧上升导致结温升高,寿命缩短。恒流源分为线性和开关式两种。线性恒流源的优点是不会产生电磁干扰(EMI),简单,成本低。它的缺点是效率比较低。

 

1.      采用恒流二极管的非隔离恒流源

恒流二极管是一种线性恒流源,它的恒流作用可以用来驱动LED。最简单的方法就是把恒流二极管直接和LED串联。但是我们在用于LED驱动时必须注意选择恰当的电流和耐压。

 

l        最低电压

由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流,所以太低的电源电压是无法工作的。通常这个Vk大约在5-10V左右。

l        最高电压

由于恒流二极管必须能吸收掉电源电压的变化,对于同样的百分比,220V就要比110V的变化范围大一倍。例如对于+10%~-20%的变化范围,对于220V就意味着22+44=66V的变化范围,经过桥式整流以后这个变化还会加大1.2倍,变成79.2V。而对于110V电源,同样的变化范围只相当于39.6V的变化范围。电压越低,就意味着功耗越小,效率越高。所以可以说恒流二极管更适用于110V市电的国家。

l        最大电流

由于恒流二极管的功耗受到限制,所以过大的电流也是不合适的。例如1W的LED通常需要350mA,恒流二极管就很难提供。即使能够提供,它的功耗也过大而使整体效率大为降低。

l        恒流二极管最适用的使用场合就是交流市电供电的LED灯具,采用很多小功率LED串联,也就是高压小电流的情况是最为合适。

图4就是一种用于吸顶灯的恒流二极管驱动源。其负载是80颗3022串联,总功率为16W。所用的恒流二极管也是恒流在60mA。假如手头的恒流二极管只有30mA的,就需要2串并联。

 

image009.jpg

图5. 采用恒流二极管作为LED驱动电源

 

在这里,恒流二极管的作用就是要在输入市电电压变化时,保持输出电流不变,当然也可以消除由于LED负温度系数所引起的电流增大。但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制,所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。就拿100V耐压的CRD来说,它的工作电压范围还要减去它的最小工作电压10V,可用的电压范围也就只有90V。用在220V市电电源里, 如果市电变化+10%,~-20%,就相当于整流后为290~211V,电压变化79V,在其耐压范围内。假如所用的LED为80颗,如果正向电压为3.3V,那么总电压为264V,正好相当于220V经过桥式整流以后的值。这时候恒流二极管上没有压降,但是这时候它是不能工作的而至少需要10V压降,也就是要求整流后电压为274V,市电电压为228VAC。那时候恒流二极管压降为最小,功耗也最小,只有0.03Ax10V=0.3W,整体效率为最高可达96%(当然还要考虑整流器的效率,实际上还会低一些)。如果市电增高至242VAC,那么恒流二极管电压就增高为26.4V,其功耗也增加到0.79W,这时候效率就等于91%。

 

如果市电电压低于228V,是不是恒流二极管就不工作呢?并不是,但的确是不恒流了,这时候它和LED就会达到一个新的平衡点,那就是二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。因为LED伏安特性的非线性,所以很难用公式来表示。总之,当市电电压降低时,LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变暗。但是这时候恒流二极管的压降不大所以并不消耗很多功率。所以效率还是很高的。

前面假定了LED的正向压降为3.3V,实际上即使其额定为3.3V,在开机一段时间以后,由于结温的升高,正向压降就会降低至3.1V甚至3.0V。

 

 

 

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LED吸顶灯及其电源(一)

LED吸顶灯及其电源(二)

LED吸顶灯及其电源(三)

LED吸顶灯及其电源(四)

 

 

 

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