标签: 茅于海

2012年是LED大规模进入室内和家庭照明的第一年，也是民用LED开始的第一年。作为民用产品对产品的性能、价格、可靠性提出了更为严格的要求。一方面要求LED的发光效率不断提高、价格不断降低。另一方面，对于LED的恒流驱动源也提出了很多要求。在一般人的心目里，LED本身的寿命已经是非常高了，但是实际的寿命却是非常低，往往是由于电源寿命低而引起。而电源的寿命往往取决于电解电容的寿命。因为通常认为电解电容的寿命是很低的。假如恒流源根本就没有电解电容，那么它的寿命就一定可以很高了。更何况拿掉电解电容以后功率因数也就可以得到改善。所以各式各样的无电解电容的恒流源就吸引很多人的关注。   一、无电解电容的简单方法 去掉电解电容是很容易的事，而且它也是可以工作的。 图一. 最简单的无电解电容电路 然而这种电路的寿命更短，因为它没有采用恒流的措施所以当输入电压升高或温度升高时，电流就会很快升高，以致很快就会烧毁LED。加电阻限流虽然可以解决一些问题，但是其效率只有52%-73%。是完全无法接受的。 所以必须加以恒流，那怕是最简单的恒流二极管。 图二. 加上恒流二极管的无电解电容电路和电流波形图 然而这个电路也是无法工作的。因为输入是半个正弦波，在低电压时LED是不能启动，虽然电压升高到一定程度时，它可以恒流，这时候电流的波形接近一个矩形波，所以它的功率因数也不能令人满意，因为只有当电流波形和电压波形一样时，功率因数才能等于1。那么能不能开发出一种电路使得它的电流波形尽可能接近于电压波形呢？   二、ExClara 的EXC100解决方案 美国硅谷的ExClara公司提出了一种方案可以接近地 解决这个问题。因为采用恒流二极管以后，电流只能是平的，所以也就只能用阶梯波来接近正弦波。 图三. 用矩形波来近似正弦波和实测图   这个看起来很简单的事，真要实现可是一件很复杂的事。为了得到这样的电流波形，就必须依次接通具有不同恒流值的LED串。其EXC100芯片具体框图如图四所示。 图四. EXC100的连接框图 它首先要测量输入电压，等到输入电压达到一定值以后，开始接通第一串恒流于比较低值的LED；到达更高一些的电压以后就开始在第一串后面再接上第二串LED并恒流于更高的电流；最后等到电压更高以后，再接通第三串LED并恒流于更高值的电流。所以它的内部结构是很复杂的。   后来美国的Supertex公司也开发了一个可接通4串LED的CL8801。采用4串以后PF可以达到0.98，谐波失真也可以小于20%。它的框图如图五所示。 图五. CL8801的框图 其实这里面还没有画出测量输入电压的电路，这个电路测量输入电压并将其和几个设定好了的四个值逐一比较，并依次接通开关1、2、3、4。而这些开关都必须是耐高压的MOS管。所以整个芯片都必须采用高压工艺来制作。其成本是很高的。EXC100的售价约为10元人民币。   台湾的AIC公司也做了类似的产品。 还有韩国、日本等很多公司也都有类似的产品，看来这种产品好像很受欢迎，就是成本比较高。   三、晶丰的BP5801 为了降低成本，最简单的办法就是把内部的高压MOS开关管拿到外面，用分立元件实现。晶丰的BP5108就是采用这种方法（图六）。 图六. BP5108连接示意图   在220V时，当整流后电压升到104.7V时，第一串40颗LED开始导通（其电压为134V）；当电压再增加34.89V时，第二串23颗LED开始和第一串LED串联并导通（其电压为76V）；当电压再增加25.21V时，第三串23颗LED再串入并导通（其电压为76V），最后三串LED都以30.8mA的最大电流导通（额定电流为20mA）。因为这时候电流的波形比较接近正弦波，而且和电压波形同相，所以功率因数可以高达0.968，效率也可以有90.6%。 其详细的电路图如图七所示。图中前面三个（两个保护，一个整流桥）是公有的，一个电感和一个电容是为了降低电磁干扰EMI所需的滤波器，因为这个本来是线性恒流源变成开关型了。再加上后面11个电阻，三个电容和三个MOS管，一共22个元器件，而且MOS管需要采用2N60，也是体积大价钱贵的器件。 图七. BP5108具体电路图   四、无电解电容线性恒流源的得失 这种无电解电容线性恒流源值所以要去掉电解电容是因为两个原因： 电解电容寿命短  其实这是一般人的误解。当然这种误解也是从大量的实例中得到的。其主要原因是中国市场上充斥着大量的劣质电解电容，这些电解电容的确寿命很短。但这并不意味着凡是电解电容其寿命就一定短。 电解电容有两种，一种是液态电解质的，另一种是固态电解质的。液态电解电容寿命比较短，那是因为液体会干枯的原因。所以新的长寿命电解电容就采用固态电解质。而固态电解电容的寿命据称可以达到23年，远远超过了LED的寿命。但是固态电解电容的价钱比较贵。 那么是不是液态的电解电容就不能做到长寿命呢？完全不是这样，业者都知道日本的红宝石电解电容的寿命在105℃时可以达到10,000小时，而温度每降低10度，寿命延长一倍，在85度的环境温度就可以有4万小时，在75度就可以有8万小时，完全可以满足LED的需要。而其价钱也不是贵到不可接受的程度。而最近红宝石公司更开发出了寿命更长一倍的小体积LLE系列的电解电容，其105℃时的寿命高达20,000小时，专门供给小体积球泡灯使用。而且国内也已经有厂家可以生产和红宝石媲美的液态电解电容了。所以电解电容的寿命本来就不是问题。 加上电解电容以后功率因数无法提高 首先让我们来看一下国家规定：根据中国室内照明LED球泡灯标准的草稿中规定功率因数不得低于0.75，但在照明用LED驱动电源通用规范中规定5W，不要求，5W-25W，一级为0.85，二级为0.7，美国能源之星对5W的球泡灯没有要求，但对于5W的LED灯具要求PF0.7 (ANSIC82. 77-2002LM -79-08), 03/22/2010。所以5W以下对功率因数都是没有要求的。这里也想说几句公道话。我们国家对15W以下节能灯的功率因数没有要求，而15W以上才有要求。 其实功率因数还应该要看是容性还是感性的。通常家里和居民区是以感性为主，因为很多白色家电像电冰箱、洗衣机、空调里都有马达，都是感性负载；甚至像电视机、音响等黑色家电里都有变压器，也是感性负载。至于日光灯电感镇流器和节能灯里的电子镇流器也都是感性负载。而电解电容则是容性负载，二者还可以补偿。从这个观点来看，对于采用电解电容的LED灯具，国家在制定标准时，不但不应该对功率因数加以限制，还应该加以鼓励和奖励才对。 不管怎样，因为LED球泡灯主要是用来取代白炽灯。最常用的白炽灯是40W和60W。按照目前LED的发光效率，5W的LED球泡灯就可以取代40W的白炽灯了。过不了1-2年，5W的球泡灯也可以取代60W的白炽灯，所以对于LED球泡灯，功率因数就根本不是问题。更何况即使采用电解电容，只要对其充电电流加以限制也很容易就能把功率因数提高到0.7以上。 由此可见，不论是寿命还是功率因数，采用电解电容都不是问题。 那么像前面那几种方法去掉电解电容以后有什么问题和缺点呢，有的： 1.  无电解电容方案会带来发光的闪烁。我们知道LED只有在有电流流过时才会发光，而从图三的电流波形图里可以看出它的发光是以电源频率的一倍（桥式整流）而间断的。在中国就是100Hz，在美国就是120Hz。人类可以感受到的最高闪烁频率是70Hz。这种闪烁，虽然人眼感觉不到，但是不等于对人类没有危害。 据报道，主要的妨碍就是头昏，眼睛劳损，而偏头痛还会增加中风的危险。 另外这种闪烁也会带来闪光效应，在摄影时会出现运动物体的多重影像，这在保安摄像机就有可能丢失重要的画面。国内使用它们的客户就反映过这样的问题。 2. 由于LED不是连续导通的，尤其是第三串只在很短时间里导通，而导通时的电流又超过额定值54%以上。这样工作会带来两个问题，一个是LED的利用率不高，会使整灯的光效降低，作者曾经亲自测试了采用同样发光效率和同样数量的的LED，一个采用上述的无电解电容恒流源，另一个采用有电解电容的线性恒流源，其结果前者的整灯光效要比后者低15%以上（都是在没有灯罩的情况下用积分球测试的）。另一个问题是其最大电流超过额定电流54%，虽然是短时间，但累计长时间这样工作，有可能会降低LED的寿命。因为LED规定的最大电流只能是比额定电流高16%-25%而已。 3. 由于采用了开关工作，从而使线性恒流源的无电磁干扰的特点丧失殆尽。甚至还要加上电磁干扰滤波器。EXC100的电磁干扰实测结果如图八所示。图中蓝色折线为美国FCC Class B的标准，虽然它的测试结果是能够满足标准的。但是作为线性恒流源本来是应该一点干扰都没有的，也根本不需要去做测试，现在还要去做测试，看是否能够满足标准，这无论如何不能看成是一个优点。 另外由于波形失真严重，因而其谐波失真也是比较严重的，如BP5108的谐波就高达25.6%。 图八 EXC100的电磁干扰   最后，还要提到这种类型驱动电源最后一个“优点”。就是可以和可控硅调光器连接。因为可控硅调光器要求纯阻负载，而现在这类驱动电源采用那么多措施以后，功率因数接近1，当然可以和可控硅调光器连接了。那么这个是不是一个“优点”呢？要知道用了可控硅调光器以后，整个系统的功率因数和效率都会变得很差，那么前面费了那么大的力气去提高驱动电源的功率因数和效率岂不是都是白费力气了吗？如果真的要进行调光，LED可以用直流或脉宽调制（PWM）调光，能够真正得到高效和节能地调光。完全不需要采用几十年前的可控硅技术。   五、结束语 实际上，LED是一种直流器件，最好是采用直流供电。而电解电容也就是能够利用它的储能效应来把半个正弦波变成接近直流的最好手段。只要用上电解电容，那么以上的问题就都不存在。至于功率因数本来就不是什么问题，我们国家至今大量应用的日光灯和最近大力推广的节能灯，都从来没有提过功率因数的要求。更何况，容性功率因数是对于大量感性功率因数的最好补偿。假如真的还是要求功率因数要满足一定值时，在用电解电容的情况下多加几个元件也是可以做到的。    

茅于海 作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能。   第一部分 采用直流电源LED的调光技术   一．用调正向电流的方法来调亮度        要改变LED的亮度，是很容易实现的。首先想到的是改变它的驱动电流，因为LED的亮度是几乎和它的驱动电流直接成正比关系。图1中显示了Cree公司的XLampXP-G的输出相对光强和正向电流的关系。 图1. XLampXP-G的输出相对光强和正向电流的关系   由图中可知，假如以350mA时的光输出作为100%，那么200mA时的光输出就大约是60%，100mA时大约是25%。所以调电流可以很容易实现亮度的调节。   1.1 调节正向电流的方法 调节LED的电流最简单的方法就是改变和LED负载串联的电流检测电阻（图2a），几乎所有DC-DC恒流芯片都有一个检测电流的接口，是检测到的电压和芯片内部的参考电压比较，来控制电流的恒定。但是这个检测电阻的值通常很小，只有零点几欧，如果要在墙上装一个零点几欧的电位器来调节电流是不大可能的，因为引线电阻也会有零点几欧了。所以有些芯片提供一个控制电压接口，改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。例如凌特公司的LT3478（图2b）只要改变R1和R2的比值，也可以改变其输出的恒流值。   图2. 输出恒流值的调节   1.2 调正向电流会使色谱偏移        然而用调正向电流的方法来调亮度会产生一个问题，那就是在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温。因为目前白光LED都是用兰光LED激发**荧光粉而产生，当正向电流减小时，蓝光LED亮度增加而**荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱的主波长增长，具体实例如图3所示。 图3.. 主波长和正向电流的关系   当正向电流为350mA时，主波长为545.8nm；当正向电流减小为200mA时，主波长为548.6nm；当正向电流减小为100mA时，主波长为550.2nm。 正向电流的改变也会引起色温的变化（图4）。 图4. 白光LED的色温和正向电流的关系   由图4可知，当正向电流为350mA时，色温为5734K，而正向电流增加到350mA时，色温就偏移到5636K。电流再进一步减小时，色温会向暖色变化。 当然这些问题在一般的实际照明中可能不算是一个大问题。然而在采用RGB的LED系统中，就会引起彩色的偏移，而人眼对彩色的偏差是十分敏感的，因此也是不能允许的。   1.3 调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题 然而在具体实现中，用调正向电流的方法来调光可能会产生一个更为严重的问题。 我们知道LED通常是用DC-DC的恒流驱动电源来驱动的，而这类恒流驱动源通常分为升压型或降压型两种（当然还有升降压型，但由于效率低、价钱贵而不常用）。究竟采用升压型还是降压型是由电源电压和LED负载电压之间的关系决定的。假如电源电压低于负载电压就采用升压型；假如电源电压高于负载电压就采用降压型。而LED的正向电压是由其正向电流决定的。从LED的伏安特性（图5）可知，正向电流的变化会引起正向电压的相应变化，确切地说，正向电流的减小也会引起正向电压的减小。所以在把电流调低的时候，LED的正向电压也就跟着降低。这就会改变电源电压和负载电压之间的关系。 图5. LED的伏安特性   例如，在一个输入为24V的LED灯具中，采用了8颗1W的大功率LED串联起来。在正向电流为350mA时，每个LED的正向电压是3.3V。那么8颗串联就是26.4V，比输入电压高。所以应该采用升压型恒流源。但是，为了要调光，把电流降到100mA，这时候的正向电压只有2.8V，8颗串联为22.4V，负载电压就变成低于电源电压。这样升压型恒流源就根本无法工作，而应该采用降压型。对于一个升压型的恒流源一定要它工作于降压是不行的，最后LED就会出现闪烁现象。实际上，只要是采用了升压型恒流源，在用调正向电流调光时，只要调到很低的亮度几乎一定会产生闪烁现象。因为那时候的LED负载电压一定是低于电源电压。很多人因为不了解其中的问题，还总要去从调光的电路里去找问题，那是徒劳无益的。   采用降压型恒流源问题会少一些，因为如果本来电源电压高于负载电压，当亮度是往低调，负载电压是降低的，所以还是需要降压型恒流源。但是如果调到非常低的正向电流，LED的负载电压也变得很低，那时候降压比非常大，也可能超出了这种降压型恒流源的正常工作范围，也会使它无法工作而产生闪烁。   1.4 长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作 一般人可能认为向下调光是降低恒流源的输出功率，所以不可能会引起降压型恒流源的功耗加大而温升增高。殊不知当降低正向电流时所引起的正向电压降低会使降压比降低。而降压型恒流源的效率是和降压比有关的，降压比越大，效率越低，损耗在芯片上的功耗越大。图6是SLM2842J的效率和降压比的关系曲线。 图6. 降压型恒流源的效率和降压比的关系   图中的输入电压为35V，输出电流为2A，当输出电压为30V时，效率可以高达97.8%。但是当输出电压降低到20V时，效率就降为96%；当输出电压降低为10V时，效率就降低为92%。在这三种情况下，尽管其输出功率依次为60W，40W和20W，但是其损耗功率却依次为1.2W，1.6W，1.6W。后两种情况下功耗增大了33%。假如恒流模块的散热系统设计得非常临界，增加33%的耗散功率就有可能会使芯片的结温升高，以致发生过温保护而无法工作，严重时也有可能使芯片烧毁。   1.5 调节正向电流无法得到精确调光 因为正向电流和光输出并不是完全正比关系，而且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线。所以用调节正向电流的方法很难实现精确的光输出控制。   二．采用脉宽调制（PWM）来调光        LED是一个二极管，它可以实现快速开关。它的开关速度可以高达微秒以上。是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。图7表示这种脉宽调制的波形。假如脉冲的周期为tpwm，脉冲宽度为ton，那么其工作比D（或称为孔度比）就是ton/tpwm。改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED的亮度。 图7.. 用改变脉冲宽度的方法来改变LED的亮度   2.1 如何实现PWM调光 具体实现PWM调光的方法就是在LED的负载中串入一个MOS开关管（图8），这串LED的阳极用一个恒流源供电。 图8. 用PWM信号快速通断LED串 然后用一个PWM信号加到MOS管的栅极，以快速地开关这串LED。从而实现调光。也有不少恒流芯片本身就带一个PWM的接口，可以直接接受PWM信号，再输出控制MOS开关管。那么这种PWM调光方法有那些优缺点呢？ 2.2脉宽调制调光的优点        1．不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。      2．可以有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。        3．可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM信号。        4． 即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件（升压比或降压比），更不可能发生过热等问题。   2.3 脉宽调光要注意的问题        1． 脉冲频率的选择 因为LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于100Hz，最好为200Hz。        2． 消除调光引起的啸声： 虽然200Hz以上人眼无法察觉，可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法，一是把开关频率提高到20kHz以上，跳出人耳听觉的范围。但是频率过高也会引起一些问题，因为各种寄生参数的影响，会使脉冲波形（前后沿）产生畸变。这就降低了调光的精确度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上，主要的发声器件是输出端的陶瓷电容，因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成，这类陶瓷都具有压电特性。在200Hz的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方法是采用钽电容来代替。不过，高耐压的钽电容很难得到，而且价钱很贵，会增加一些成本。   第二部分 采用交流电源的LED调光   三．用可控硅对LED调光        普通的白炽灯和卤素灯通常采用可控硅来调光。因为白炽灯和卤素灯是一个纯阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，因为它的电流波形永远和电压波形一样，所以不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。其电原理图如图9所示。虚线部分就是安装在墙上的可控硅调光开关。a-b之间的电阻就是白炽灯负载。所以负载是和可控硅开关串联的。 图9. 可控硅调光的电路图和波形图 改变可变电阻的分压比就可以改变其导通角，从而实现改变其有效值的目的。通常这个电位器带一个开关，接在n的输入端，用于开关灯。除了可控硅以外，还有晶体管后沿调光技术等等，因为它们的基本问题是相同的，就不在此介绍了。   3.1 可控硅调光的缺点和问题 然而，可控硅调光存在一系列问题。 1．    可控硅破坏了正弦波的波形，从而降低了功率因素值，通常PF低于0.5，而且导通角越小时功率因素越差（1/4亮度时只有0.25）。 2．    同样，非正弦的波形加大了谐波系数。 3．    非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号（EMI） 4．    在低负载时很容易不稳定，为此还必须加上一个泄流电阻。而这个泄流电阻至少要消耗1-2瓦的功率。 5．    在普通可控硅调光电路输出到LED的驱动电源时还会产生意想不到的问题，那就是输入端的LC滤波器会使可控硅产生振荡，这种振荡对于白炽灯是无所谓的，因为白炽灯的热惯性使得人眼根本看不出这种振荡。但是对于LED的驱动电源就会产生音频噪声和闪烁。 3.2 可控硅调光的优势 可控硅调光虽然有那么多的缺点和问题，但是，它却有着一定的的优势，那就是它已经和白炽灯卤素灯结成了联盟，占据了很大的调光市场。如果LED想要取代可控硅调光的白炽灯和卤素灯灯具的位置，就也要和可控硅调光兼容。 具体来说，在一些已经安装了可控硅调光的白炽灯或卤素灯的地方，墙上已经安装了可控硅的调光开关和旋钮，墙壁里也已经安装了通向灯具的两根连接线。要更换墙上的可控硅开关和要增加连接线的数目都不是那么容易，最简单的方法就是什么都不变，只要把灯头上的白炽灯拧下，换上带有兼容可控硅调光功能的LED灯泡就可以。这种战略就像LED日光灯一样，最好做成和现在的T10、T8荧光灯尺寸大小完全一样，不需要专业电工，普通老百姓就可以直接更换，那就可以很快普及。因此国外很多生产LED驱动IC的厂商都开发出了可以兼容现有可控硅调光的IC来。   3.3 兼容可控硅调光的LED驱动IC 目前市场上主要有恩智浦的SSL2101/2，国半的LM3445，iWatt的iW3610和OnSemi的NCL3000四种兼容可控硅调光的驱动IC。其特点如下 和一般反激式的IC不同之处在于它们都可以检测出可控硅的导通角来确定LED的电流以进行调光，我们不准备来详细介绍它们的工作原理和性能，因为我们并不认为这是LED调光的方向。   3.4 兼容可控硅调光的问题和缺点 尽管多个跨国大芯片公司都推出了兼容现有可控硅调光的芯片和解决方案。但是这类解决方案是不值得推荐的，主要原因如下： 1．            可控硅技术是具有半个多世纪的陈旧技术，它具有很多如前所述的缺点，是一种早该淘汰的技术。它应该和白炽灯、卤素灯同时退出历史舞台。 2．            很多这类芯片自称具有PFC，可以改善功率因素，实际上，它只改善了作为可控硅负载的功率因素，使它们看上去接近纯阻的白炽灯和卤素灯，而并没有改善包括可控硅在内的整个系统的功率因素。 3．            所有兼容可控硅的LED调光系统的整体效率都十分低下，有些还没有考虑为了稳定工作而需要的泄流电阻的损耗，完全损坏了LED的高能效。 4．            所有的可控硅LED调光系统也都是调节LED的正向电流，存在着前面所述的色谱偏移等缺点。 5．            安装可控硅调光的白炽灯和卤素灯所占的比例不到万分之一，而在墙里安装可控硅开关的比例在可控硅调光的灯具里连万分之一都不到，因为绝大多数安装可控硅调光的都是台灯、床头灯、立灯。更何况市面上有几十种不同规格的可控硅和晶体管调光开关，实际上所开发的IC根本不可能兼容所有的可控硅开关，而只能兼容其中的一小部分。 6．            LED是一种全新的创世纪的技术，它有着无可比拟的优越性。完全没有必要为了照顾落后的可控硅而牺牲LED的优点。更不应该去新安装墙上的可控硅开关来实现LED的调光。   四．未来的LED调光系统 那么LED究竟应该采用什么样的调光系统呢？ 4.1 PWM调光： 前面已经说过LED调光最好是采用PWM调光，采用PWM调光时，可以在墙上开关里安装一个简单的PWM发生器，然后利用电位器来控制PWM的工作比从而实现调光。但是如果还要开关灯的亮灭，那么就需要再加一对线。所以无法兼容原来墙里的的可控硅开关的引线。原来的可控硅开关的引线只有2根，就可以又能调光又能开关。这个优点是很难兼容的。不过实际上真正最常用的调光灯具是台灯或立灯，那些调光开关都是安装在电源线上不是墙里，那也就无所谓要利用墙里的两根引线了。也就是说，PWM调光是可以直接应用于调光型台灯的。   4.2 分段式开关调光 台湾有一家公司推出了一种称之为EZ-Dimming的GM6182的四段开关调光不失为一种好方案。它只利用墙上的普通电灯开关就能实现4段调光，第一次开为全亮，第二次开为60%亮度，第三次开为40%亮度，第四次开为20%亮度。这种系统的优点是可以利用普通的墙上开关实现调光。而且其功率因素高达0.92以上。没有产生干扰信号之虑。缺点是无法连续调光。还有操作麻烦一些。   4.3 遥控式调光 采用红外遥控器对LED实现调光。这当然是最理想的解决方案。可以实现开关灯，和用PWM连续调光。缺点是成本高，没有统一规格，只能用于高档住宅。   其实我们应当回过来想一想我们要调光的主要目的应当是什么。前面所有提到的调光目的都是为了满足居家的人们在不同场合下需要不同的光强。例如看电视的时候可能要暗一些，看书的时候可能要亮一些。这些大多是在住宅里。很少有办公室、商场、工厂、学校安装调光灯的。而且这些地方绝大多数安装的是荧光灯、节能灯，也不可能进行调光或者很难实现连续调光。   五．划时代的为节能而调光 自从人类意识到一定要千方百计节能减排，才能解决大气变暖的迫切问题后，如何减少照明用电就作为一个重要的问题提到日程上来。因为照明用电占总能耗的20%。幸好出现了高效节能的LED，LED本身比白炽灯节能5倍以上，比荧光灯、节能灯也要节能一倍左右，还不像荧光灯、节能灯那样含汞。如果还能够利用调光来节能，那么也是非常重要的节能手段。但过去所有光源都很不容易实现调光，而容易调光正是LED的一个很大的优点。因为在很多场合其实不需要开灯或者至少不需要那么亮，可是灯却开得很亮，例如半夜到黎明时段的路灯；地铁车厢从地下开到郊区地面时车厢里的照明灯；更常见的是在阳光明媚时靠近窗口的办公室、学校、工厂等的荧光灯都还开在那里。这些地方每天不知道要浪费多少电能！过去因为高压钠灯、荧光灯、吸顶灯、节能灯根本无法调光，也只能算了。现在改用LED以后，可以自如调光了，这些电能完全可以节省下来！ 所以对于灯具调光来说，家庭壁上调光不是主要的应用场合，市场也很小。反而是路灯、办公室、商场、学校、工厂的按需调光才是更重要的场合，不但市场巨大，而且节能可观。这些场合需要的不是手动调光而是自动调光、智能调光！   5.1路灯的调光 一般来说，路灯到半夜以后就没有什么用处了，所以通常的做法是12点以后关灯或者开一半亮度。但是最合理的做法是根据交通流量来控制路灯的亮度，甚至是完全自适应地控制亮度。图10就是根据当地交通流量的统计值来调节路灯亮度的一个例子。 图10. 根据交通流量的统计值来智能地调节路灯的亮度   而为了实现这种智能调光，实际上也是十分简单的。只要把这个地区的交通流量统计值的曲线输入到一个单片机，根据这个曲线给出PWM的调光信号到恒流驱动源就可以实现。 5.2 光敏自动调光LED灯 为了减小在强日光下不必要的照明，可以采用光敏自动调光LED日光灯（或任何其他LED灯具）。它的方框图如图11所示。   图11. 光敏自动调光LED灯具的方框图和实物图 光敏元件的作用是感受周围的日光，如果日光越强那么就输出一个PWM信号到所有靠近日光的LED灯具（例如LED日光灯），把它们的亮度调暗。一个调光信号发生器可以调节很多LED灯具，只要这些灯具的恒流驱动源带有PWM调光控制接口。这种调光系统本身的效率高达92%以上。而且不存在任何和墙上可控硅调光线路的兼容性问题。这种全自动的自适应节能调光是任何荧光灯、节能灯、高压钠灯等气体放电管根本无法实现的，而却是LED灯具最擅长的。   结束语 目前全国安装的日光灯和节能灯的数量之大是十分惊人的，据工信部统计，我国2008年荧光灯的生产量超过40亿支，其中出口就高达38.6亿支。而据中国照明协会统计，国内每年消耗荧光灯数量大约为4亿支。假定中国荧光灯的实际使用量为10亿支（大多数安装在办公室、商场、工厂）。假定每支每天平均开灯4小时，每支平均功率25W（1.2米T8荧光灯额定功率为36W，功耗为40W以上。但国产荧光灯实际功率较低，故假定为25W），每天耗电0.1度，每年耗电36.5度。除去节假日为30度。10亿支就是300亿度。换成LED日光灯以后至少可能节能一半，就是150亿度。再采用自动调光可以至少再节能10%以上。那就是15亿度。按每度电0.7元计算，就是节约10.5亿元。这是十分可观的数字！这个数字还没有包括即将被LED替换的节能灯和白炽灯的节能调光在内。所以大力发展可节能的自适应调光才是LED调光的重点方向！

最近以来， LED 日光灯成为最早进入室内的 LED 灯具之一，因为它相对于荧光灯来说具有很多优点。   一.     优点 相对于荧光灯来说， LED 日光灯具有 10 大优点： 1． 发光效率高： 荧光灯的发光效率大约是 55-80 lm/W （ Philips 公司 T8 荧光灯的发光效率为 72lm/W ），而 LED 的发光效率在 100 lm/W 以上，最近 Cree 公司的 XLampXP-G 的发光效率已经到 130 流明 /W ，而且以后还会不断提升。二者之差现在已经将近一倍。而以后有可能达到 3 倍以上。   2． 灯具效率高：灯具的效率主要是指有效光效，因为荧光灯是 360 度发光的，而在反方向发出的光就没有什么用处。所以荧光灯通常采用一个白色的灯罩，可以把相当一部分的反向光反射回来，一般来说，荧光灯的灯具效率大约只有 70% 。而 LED 日光灯则是 120 度发光的，所以全部光都是有效光。虽然有时候也会觉得 120 度发光角度窄了一点，不过大多数情况下还是够用的。而且这个发光角度也是可以根据需要来加以调整的。 前面提到 Philips 的 T8 荧光灯的发光效率为 72lm/W ， 36W 的荧光灯一共发出 2592 流明，但是灯具效率只有 70% ，所以有效的流明数为 1814.4 流明，而 LED 的发光效率已经超过 130lm/W ，假定为 100lm/W ，那么只要 18W 就可以达到 1800 流明，也就是只要荧光灯一半的功率就可以有相同的亮度。        而且 LED 的发光效率还在逐年升高。 3． 电源效率高 因为所有灯具除白炽灯以外都是需要有专门的电源供电的，电源的效率也就影响了整个灯具的效率。 下面以 Philips 公司的 36WT8 荧光灯为例。它的额定输出功率为 36W ，但是由于接入了电感镇流器，实测输入功率为 42.4W ，也就是铁芯电感损耗了 6.4W, 效率降低为 85% ，大多数国产的铁芯电感功耗在 10W 以上，功率因素低于 0.512 。而 LED 的电源效率通常高达 90% ，一个 18W 的 LED 日光灯只要 20W 的输入功率。功率因素也可以达到 0.9 以上。 和荧光灯相比大约可以节省一半以上的电，也就是说采用一个 18 瓦的 LED 日光灯可以取代一个 36 瓦的荧光灯。 不仅如此， LED 日光灯还有很多其他优点： 4． 寿命长：一个仔细设计的 LED 日光灯的寿命可以达到 5 万小时。而一个荧光灯的寿命通常只有 5,000 小时（有些国产的荧光灯寿命只有 300 小时）。二者相差将近 10 倍。最好的长寿命日光灯也只有 10,000 小时，二者也还相差 5 倍。 5． 不含汞，无污染。我们知道，荧光灯都含有汞。 36mm 荧光灯中含有 25-45mg 的汞， 26mm （ T8 ）中含有 20mg 的汞。而荧光灯都是采用易碎的玻璃作为外壳，一旦玻璃破碎，其中的汞就会马上就会蒸发到空气中，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到 10-20 毫克 / 立方米，超过国家规定的 1000-2000 倍。而汞是一种对人体十分有害的有毒物质， 汞蒸气达 0.04 至 3 毫克时会使人在 2 至 3 月内慢性中毒，达 1.2 至 8.5 毫克时会诱发急性汞中毒，如若其量达到 20 毫克，会直接导致动物死亡 。而 1mg 的汞就足以污染 5454.5 公斤 的饮用水，使之达不到饮用标准。而 LED 日光灯中不含任何有毒物质，是一种完全绿色环保无污染光源。 6． 色温范围广，几乎可以提供任意色温，而且还可以提供红绿蓝以至任何一种颜色的灯光。 7． 显色指数高，白炽灯的显色指数为 95 ，荧光灯为 65-80 ，而 LED 日光灯则可以 80 。 8． 没有紫外线辐射。 9． 非玻璃制品，不易破损，耐冲击，耐振动。 10 ．外置隔离电源的 LED 日光灯，在灯管两端都接触不到市电高压，只有低于 36V 的直流安全电压，不存在触电的危险，完全是一种安全的灯具。   二．价格 目前 LED 日光灯唯一的缺点就是价格高。 不过尽管目前 LED 日光灯的价格大约是荧光灯的十倍左右，如果联系到它的寿命、节电和无污染来看，仍然是合算的。因为如果和寿命为 5,000 小时的荧光灯相比，那么寿命为 5 万小时的 LED 日光灯就已经值得花 10 倍的价钱去买，而在其间所节省的电能就完全是纯收益了。在日本，因为荧光灯含汞，所以坏掉的荧光灯还要付出和买一个新的日光灯同样的钱作为有毒物质处理费。所以，在日本即使采用长寿命（ 10,000 小时）的荧光灯，所付出的钱也相当于贵 10 倍的 LED 日光灯。   在一些 24 小时连续工作的场地，例如地下停车场、 24 小时加班生产的工厂等地方。节电也是十分重要的。如上所述，一根 T8 的 LED 日光灯大约可以节省 20 瓦电，一年下来就可以节省 20x365x24/1000=175.2 度电。假如以每度电 0.7 元计算，那么一年下来，可以节省电费 122.64 元，两年下来，就可以节省出这根 LED 日光灯的成本。以后所节省的电费就成为纯收益了。   所以现在国外有一种称之为 EMC （能源管理合同 Energy Management Contract ）作法。就是由一家财团或银行出资。替一个地下停车场或商场免费安装 LED 日光灯，但是要向业主收取所有节省下来的电费，协议有效期可能为 5 年。只要 2 年以后，就可以回收所有投资，第三年开始，所有节省下来的电费就变成是纯收益了。这是一个十分有利的投资项目。国内也开始有人这样做了。 更何况按照 Haitz 定律， LED 的价格每十年将降低十倍！   三． LED 为了得到比较均匀的发光和把热量分散开， LED 日光灯通常都是采用很多个小功率的 LED 灯珠串并联而构成。小功率 LED 有两种，一种是插针式，俗称草帽管，还有一种是贴片式。早期 LED 日光灯大都用草帽管，但是这种插针式 LED 因为热阻大（高达 450 ° C /W ） ，光衰严重，所以现在已经很少人用，而大多数采用贴片式的了。各种 LED 的主要指标为发光效率，小功率 LED 通常直接以其发光的流明数表示，寿命（通常以在多少结温时的寿命来表示），和热阻 Rjs 。   几种常用的贴片式 LED 的指标如下所示： 厂家 型号 发光 mcd 发光 lm 热阻 º C/W 寿命 70%, hrs   X 公司 3020 1500-2100   135   G 公司 3020 1800-2600 5.6 (20mA) 160 20,000(Ta=60 º C ， 20mA ） L 公司 3014 2100-3600 9 (30mA) 45 50,000(Ta=45 º C ， 30mA ）   （ a ）                                               （ b ） 图 3. 3020 （ a ）的散热和 3014 （ b ）的底板散热机构   由于 3020 只有两端电极焊接散热，而 3014 采用了底板散热，所以二者的热阻相差 3 倍多，二者的寿命也相差两倍多。 3014 工作于 30mA ，所以它的发光也高达 9 流明。相当于 90 lm/W 的发光效率。 在日光灯里所用的 LED 数目通常在 200 颗以上，显然不可能全部串联，而必须串并联。一般来说，希望串得少的，并得多，这样，一旦某一串中有一个 LED 开路，只会使这一串不亮，而这一串的电流将分摊到剩余的几路中去。例如，总数为 200 个的 LED ，假如连结成 8 串 25 并，每串 30mA ， 25 串的总电流 750mA ，有一串坏了，每一串的电流只增加了 1.25mA 。反过来，假如连成 25 串 8 并，每串 30mA ， 8 串总电流 240mA ，一串开路， 30mA 就分到剩下的 7 路中，每路就要平均增加 4.28mA 。 不过有的 LED 每个都有一个并联的稳压二极管保护，即使有一个 LED 开路，这一串也不会都不亮，而只是这一个 LED 不亮而已。上述问题就不存在。 此外，假如串联的 LED 数目少于 10 个，那么它所需要的电源电压低于 35V ，也就低于国际安全电压。   究竟串多少并多少，还和电源的可能性有关。这将在下一节中讨论。   四．电源 LED 日光灯的电源分为内置式和外置式两种。所谓内置式就是指电源可以放在灯管内部。这种内置式的最大优点就是可以做成直接替换现有的荧光灯管，而无需作任何改动。所以内置式的形状都是做成长条形，以便塞进半圆形的灯管中去。 下面先介绍两种内置式，非隔离型和隔离型。 1． 非隔离式恒流电源： 非隔离是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就有触电的危险。 目前用得最多的是非隔离直接降压型电源。也就是把交流电整流以后得到直流高压，然后就直接用降压（ Buck ）电路进行降压和恒流控制。其电原理图如下图所示： 图 1. 非隔离恒流源的电原理图 这种非隔离式电源 的主要技术特点：从 18V 到 450V 的宽电压输入范围，恒流输出；采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度；可用线性及 PWM 调光，支持上百个 0.06W LED 的驱动应用，工作频率 25KHz-300KHz ，可通过外部电阻来设定。 非隔离恒流源的优点是简单、指标高，它的输出电流可以按 LED 串并联的个数决定。但是大多数情况下，它的输出电流不能太大，输出电压也不能太高。例如 264 个小功率 LED 连接成 22 个串联， 12 串并联，每串 20mA ，一共 240mA 。体积也可以做得很小，通常是做成长条形的，以便放进 T10 或 T8 的管子里。假如每串的电流是 30mA ， 12 并就是 360mA 。在有些非隔离的电源中就无法实现，为了保持总电流 240mA 不变，就只能改成 8 串并联。但假如 LED 的总数不变，就要求串联的数目增加到 33 个。这时候总电压就会增加到 108.9V 。但是通常这种非隔离恒流源的允许的最高输出电压是 80V 。只能维持原来的 22 串，这样 LED 的总数就只能是 176 颗，即使采用 30mA ，其总流明数有可能不能满足要求。   图 2. 非隔离降压式恒流源的外形照片   通常其效率大约在 88-90% 之间，功率因素大约在 0.88-0.92 之间。   然而这种非隔离电源也有一些局限性，因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常 LED 和铝散热器之间的绝缘也就靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐 2000V 高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象，使得难以通过 CE 论证。   2． 隔离式恒流电源：隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来。可以避免触电的危险。这种隔离式的日光灯电源原理图如图 3 所示。   图 3. 隔离式 LED 日光灯电源原理图   这种隔离式 LED 日光灯电源外形照片如下图所示，   图 4 隔离式 LED 日光灯电源的照片   一般来说，由于加入了变压器，所以隔离式电源的效率会有所降低，通常大约在 88% 左右。而且变压器的体积也比较大。放进 T10 灯管还可以，但是放进 T8 的灯管就比较紧张。   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 φ 5 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   展望 目前中国每年要生产几十亿支荧光灯，这些荧光灯废弃以后，渗透到地下水中的水银不知道要给我们的后代带来多大的危害性。如前所述， LED 日光灯比起传统的荧光灯具有无可比拟的优点，而且随着 LED 的发光效率的逐年提高，成本逐年降低，全面取代荧光灯的时代指日可待。 但是现在全国每年顶多生产几十万支 LED 日光灯，而且大部分是出口，国内使用寥寥无几。 实际上，应该说即使现在它在经济上已经是完全值得取代现有荧光灯，再加上它的无毒，环保， … ，等等优点，现在就值得大力推广。尤其是作为政府和各种非盈利绿色环保组织和机构，从现在开始就应该大力宣传各种 LED 灯具的优越性，对广大人民群众进行宣传教育，宣讲其优越性。各个银行、金融机构更应该全力参加 EMC 合同，减少人们的顾虑，使得其更容易推广。尤其是节能环保是关系到减缓大气变暖、拯救地球的重要措施。是人人都要积极行动起来的头等大事。希望我们推广 LED 日光灯也能在这个过程中贡献我们一份微薄的力量。  

现在大多数人都已经知道，LED是一种节能减排的新光源。但是还有一个很大的优点却经常被忽略，那就是无污染和环保。 我们知道汞是一种极其有毒的物质，然而几乎大多数目前采用的高效电光源中都含有汞，各种电光源的含汞量如下表所示： 26mm日光灯 金卤灯 高压钠灯 节能灯（10mm） 各种LED 25-45mg 20-25mg 12-14mg 10-15mg 0 而汞的沸点很低，在常温下可蒸发。一支废旧丢弃光源破碎后，立即向周围散发汞蒸气，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10-20毫克/立方米，超过国家规定的汞在空气中最高允许浓度（为0.01毫克/立方米）的1000至2000倍。，根据美国斯坦福大学对汞的研究指出，1毫克汞足以污染5454.5公斤饮用水，使之达不到安全的饮用标准。汞所造成空气和水质污染的后果非常严重，被水中生物食用以后就会生成CH3Hg，这是一种剧毒物，只要半耳勺就能致人于死命。汞本身会破坏中枢神经系统，它所造成生殖缺陷的效应也是十分严重的，汞也可以损害肾脏和肝脏，在剂量足够的条件下甚至可以导致死亡。汞能够以不同的方式在泥土中、水流中、甚至大气层、食物链中转移。因此，持久性、易迁移性和高度的生物富集性，使得汞成为目前全球最引人关注的环境污染物之一。历史上最严重的汞中毒事件要算是日本的水俣病事件了，当时因为水俣湾的水被汞污染而死去数百人之多。现在日本政府吸取了教训，要求把所有的废弃日光灯必需进行有毒物质的处理，从而要求购买普通日光灯的人必需多付一倍的价钱来预支这种有毒物质处理费。 最近中国政府免费发放了1亿支节能灯，虽然最近国外特制的低汞节能灯的含汞量可以降低到5mg以下（还不知道中国政府发的是不是这样的低汞节能灯），但是丝毫也没有降低其危害性，因为一支这样的低汞节能灯的含汞量就足以污染27.27吨饮用水。而1亿支节能灯足以污染27亿吨水，相当于全国人民好几年的饮水量。 因为中国没有专门的回收机构和回收法规，所以大多数日光灯和节能灯都是和普通垃圾一样掩埋，而不论日光灯还是节能灯都是采用极其易碎的玻璃作为外壳的，所以其中的汞一定是会跑出来的，而且由于汞的比重很高，很容易下沉而渗透到地下水中，然后被人畜饮用。其后果是不堪设想的。尤其是广大人民群众对汞的危害性几乎都一无所知。下面一张照片是作者在上海徐家汇闹市区的一个公交车站所拍摄的，图中是一个被打碎了的广告牌，日光灯的玻璃碎片一大堆，而且作者每天走过那里，居然2个多星期无人处理。可见有关部门对于日光灯破碎后的危害性也是一无所知。   此外，所有利用汞蒸汽发光的电光源中，都是利用电子轰击汞蒸汽而产生紫外线。这种紫外线也是一种环境污染。其主要波長 2537 埃 =2537x10-10m =253.7nm，称为 UV-C紫外线。消耗的电能約 60% 可以转换为紫外线，其他的能量（約 40%）則转换为热能。藉由灯管內表面的螢光物質吸收紫外光后释放出可見光。不同的螢光物质会发出不同的可見光。一般「紫外光」转换为「可見光」的效率約为 40% 。因此日光燈的效率約为 60% x40% = 24% 大約为相同功率鎢絲电灯的三～五倍。也就是说还有100%-(40% ＋ 24%)=36% 的紫外线未被转換成其他能量而直接輻射在玻璃管壁。 36% 的紫外線通過玻璃灯管壁大約衰竭 94% ，所以可能會有 36 % x6%=2.16% 的 UV-C通過玻璃灯管。 UV-C 对人体已经算是 Deep UV，伤害極大。美国GE 奇異公司建议人类曝晒于日光灯下不要超過 16 小時。紫外线对于人体的伤害是終生累积的总量。这对于那些爱美的女孩子是至关重要的。 不仅如此，节能灯和日光灯还有微波辐射。有一位台湾学者实测了他家里节能灯的微波辐射。结果如下，在不开灯时，在0.5-3GHz频宽范围内，屋里测出的微波辐射为每平方公分0.011微瓦（0.011μW/cm2），开一盏60W的白炽灯后，微波值不变；换成一盏15W的节能灯以后，微波值高达每平方公分50微瓦（50μW/cm2），是白炽灯的5000倍。再换成一盏26W的节能灯，其微波辐射值高达每平方公分100微瓦（100μW/cm2），是白炽灯的10000倍，几乎比手机还要高。而国家的微波卫生标准为50微瓦/cm2，所以已经超过了国家的微波卫生标准。而15瓦节能灯的电磁波强度约为70毫高斯，26瓦节能灯的电磁波强度为80毫高斯。60瓦白炽灯则几乎为0。因为日光灯和节能灯的机构是完全一样的，所以日光灯的微波辐射只会高于节能灯，而决不会低于节能灯。而这种微波辐射会引起头昏脑涨的感觉。至于还会引起什么疾病还不得而知。日本人的研究表明长期在电脑前工作的人，得青光眼的概率要比其他人高一倍，要知道电脑的液晶显示器也是用类似于日光灯的冷阴极荧光灯作为背光的。 而LED灯是一种完全不含汞的全环保产品，而且也没有紫外线辐射，只是其驱动电源有极低的微波辐射。采用这种新光源完全杜绝了各种污染，因此可以称为真正的“绿色光源”。    

上海龙茂微电子有限公司    茅于海 一. 人类对大气变暖带来严重的后果还无动于衷 大气逐渐变暖已经是不容争辩的事实，然而人们对它的严重性还是远远认识不足的。近200年来大气中的二氧化碳的浓度增加了25%，使得地球平均温度上升了0.5ºC（图1）。   图1. 200年来全球平均气温的上升   而且进入上世纪80年代中叶以后，上升速度加快，这可以说主要是中国的贡献，因为中国已经是全球二氧化碳排放最多的国家。今后几十年内，二氧化碳的浓度倍增将引起地球平均温度上升3 －5度，两极地区将会升高10度。温室效应将消耗5％－20％的国民经济；北冰洋的冰层正在按每十年减少8％的速度消失，一年之内就缩小200万平方公里，2040年以后将会完全消失，北极熊也将要灭绝。而且还会使： 1）  海平面上升6公尺；2050年一些沿海城市（如纽约、上海）将会淹没 2）  气候反常，海洋风暴增多； 3）  土地干旱，沙漠化面积增大（北京将被沙漠化）； 4）  地球上的病虫害增加； 5）  冰冻亿年的病毒会激发出来   联合国秘书长在最近的讲话中指出：地球的温室效应已经威胁到人类的生存，其威胁程度不亚于恐怖主义，因为恐怖主义的威胁只限于特定国家和地区，如果不采取积极措施，温室效应将在不久以后就会影响到全球人类，而和国家无关。《京都议定书》规定，从２００８到２０１２年期间，主要工业发达国家的温室气体排放量要在１９９０年的基础上平均减少５．２％，其中欧盟将６种温室气体的排放量削减８％，美国削减７％，日本削减６％。 最近在哥本哈根召开的国际气候会谈想要达成一个包括所有国家在内的国际协议来减少二氧化碳的排放，但是已经演变成为穷国和富国之争，穷国认为这是富国种下的因，却要穷国来吃这个苦果。 实际上中国每年的二氧化碳和二氧化硫的排放量早在2006年就已经居世界第一位。我们过去一直争辩说你们发达国家已经排放了几百年，我们只不过最近几十年才开始大量排放。可是现在不是来讨论排放的权利问题，而是如何来拯救全世界和全人类的问题，更何况中国自己早已蒙受了极大的威胁和损失。中国62%的城市二氧化硫日平均浓度超过国家三级标准，全国酸雨区面积已占国土面积的30%，因酸雨和二氧化硫污染造成的损失1100多亿元/年。 每年都会发生冰冻灾害、台风灾害、旱灾甚至汶川抵制都有可能是大气变暖的结果。更不用说，今后很可能会发生的天津地区，上海地区和珠江三角洲的海水侵入了（珠三角已经发生了由海水侵入的饮水危机）。   二. 太阳能是最好的可再生能源 中国70％发电靠燃煤，排放大量二氧化碳和二氧化硫，是温室效应首要原因。所以彻底改变中国的能源结构是当务之急。所有人都知道，当今的可再生能源最重要的两种就是太阳能和风能，实际上风能也是一种太阳能，而且有很大的地区性和季节性，所以最基本的就是太阳能。太阳能是取之不尽用之不竭的最大的可再生能源，太阳光线照耀地球40分钟就相当于全球一年的能源消费。 美国已提出宏伟计划，到2050年使太阳能发电提供美国电力的69%和其总能源（包括运输业）的35%。如果风能、生物质能和地热能也被开发，则到2100年可再生能源可提供美国电力和其它能源的90%。2008年美国的太阳能发电装机容量已经达到35.7万千瓦。近景目标中，到2012年可再生能源产量占发电比例将提高到10％。2012年美国太阳能发电的装机容量会增加1,600万千瓦，是2007年全年增量的5.8倍。 中国国家发改委公布了可再生能源中长期发展规划，提出到2010年，光伏发电累计装机达到30万千瓦，只占前年火力发电的0.05％。2020年达到180万千瓦，最近计划把2020年的产能计划提高到2000万千瓦，也只占前年火力发电的3.6％。中国太阳能发电设施的实际部署是2009年达到350兆瓦（35万千瓦），占全球的5%。但中国生产的太阳能电池板产量已经达到全球的40%以上。也就是说中国生产的太阳能电池板的86%都出口了。因为太阳能发电是一个新兴产业，而且目前还是一个亏本产业，所以不论中外，这还是一个属于计划经济的产业，还没有进入到市场经济。假如政府不订货，那就卖不出去。所以中国不是没有太阳能电池板产业，而是没有太阳能发电产业。是政府不肯买单。   不过，太阳能发电本来是一个亏本的产业，现在常规太阳能发电是4元/度，薄膜太阳能发电可以到1元/度。而且政府不去大力发展太阳能发电产业也是有他的苦衷。让我们来看一下问题出在哪里吧！   三，中国很难按国外模式快速开展太阳能发电事业 现在国外快速发展太阳能发电主要有两种模式，一是在沙漠地区建设大型太阳能发电站，二是大规模展开太阳能屋顶计划。然而这两种计划都不适合中国的国情。 1．  大型太阳能电站需要占很大地面，只能在沙漠地区，而中国的沙漠大多数远离大城市，不像美国的拉斯维加斯就在沙漠里，中国离开兰州最近的敦煌太阳能发电站也有好几百公里的距离，更不用说沿海的大城市了。 2．  大型太阳能电站需要极大的投资，例如最近在呼和浩特签订的另一个大型太阳能电站，总功率为2万千瓦，投资10亿元，10个月后于2010年完工。所以发改委计划的30万千瓦，就需要150亿投资。 3．  根本问题是大型太阳能电站的技术还不成熟，现在世界上最大的太阳能发电站也只有4.6万千瓦，其中还有一系列问题要解决。可以说目前的所有太阳能电站都只具有示范作用，而还没有具有大规模推广的经济价值。 另一个最为成功的德国太阳能屋顶计划，的确是发动群众来办太阳能发电的好方法。它的基本计划是这样的，由个人出资在自家屋顶上建造太阳能发电装置，所发出的电由国家高价收买全部输回电网，几年下来就可以收回全部成本。所以美国加州也提出了同样的太阳能屋顶计划。计划一旦完成，素有“阳光之州”称呼的加州每年将获得３００万千瓦的清洁电能，同时将减少排放３００万吨温室气体，这相当于１００万辆汽车排出的废气。   但是中国就很难推动这种太阳能屋顶计划，这是因为中国有能力建造太阳能屋顶的中产阶级大多数居住在大城市高层公寓中，大多数没有自己的屋顶，少数更有钱的阶层，虽然有别墅，但也大多数不是长期居住在那里，不大可能去投资建造太阳能发电装置。至于农村虽然大多数农民都有自己的屋顶，但是顶多有能力建造自己的太阳能热水器，而不大有可能建造太阳能发电装置。   所以，也许这些原因可以解释，为什么中国无法大规模推广太阳能光伏发电。   四. 太阳能LED路灯是一个举足轻重的大市场 我们知道全球照明用电占全部用电的20%，而其中的很大一部分又是用在户外照明。中国也不例外。据统计中国已经安装的路灯大约有2亿盏之多。路灯的平均功率大约是200瓦，假定每天开启时间为10小时，那么每天就是2度电，365天就是730度电，2亿盏就是1460亿度电。而中国最大的水电站长江三峡水电站的26台机组完全投产以后每年的发电量才847亿度电。所以所有路灯所用电量大约为2个三峡电站的发电量。这决不是一个小数字。 更何况现在的路灯还在以每年2000万盏的速度增加。只是目前几乎90%以上都是采用高压钠灯。虽然它的发光效率还是很高，但是它的寿命短，耗电大，色温低，显色性差，而且还含有汞等有毒物质，将来迟早要被淘汰。 自从科技部提出了大力发展LED路灯的“十城万盏”计划以后。现在LED路灯正在以如火如荼的速度高速发展。可惜的是，“十城万盏”中的90%以上都还是采用交流电的LED路灯，或者说是改造现有高压钠灯为LED路灯。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过200万盏，但也只不过是每年新增路灯总数的十分之一而已。就像前面所说那样，假如每年新增的2000万盏都采用太阳能，那么其总功率将达到400万千瓦，其实还远不止此数，因为通常太阳能LED路灯所采用的的太阳能板功率是实际路灯功率的3-4倍。假定为3倍，那么总的太阳能板的装机容量将会达到1200万千瓦。而中国2008年太阳能电池板总产量为178万千瓦（1780兆瓦）。还远远不能供给太阳能路灯的需要。由此可见太阳能LED路灯的市场，决不是一个可有可无的市场，而是一个举足轻重的大市场。   五. 发展太阳能LED路灯的疑虑 那么为什么现在还是没有在大规模发展太阳能LED路灯呢，普遍存在着几点疑虑： 1．  太阳能LED路灯的成本太高。本来LED路灯的成本就很高了，而太阳能LED路灯的成本就更高了。这主要是因为太阳能电池板的成本过高的原因。实际上，太阳能电池板的单价正在逐年快速降低。例如，现在的单价大约为10元/瓦（目前实际为12元/瓦，不过明年就有可能降为10元/瓦，为计算简单起见，假定为10元/瓦），大约是两年前的一半。对于一个100瓦的LED路灯，就算它需要300Wp的太阳能电池板，那么它的成本也只不过是3000元。而100瓦的LED路灯大约可以取代250瓦的高压钠灯，250瓦的路灯，假定每天开灯10小时，那么一天用电2.5度电，一年用电912.5W。若以每度0.8元计，全年需交付电费730元。4年下来，所省下的电费就可以补偿太阳能电池板的成本。实际上，情况还远非如此。太阳能LED路灯所节省的开支主要不是电费，而是电缆成本和埋电缆的施工费。就拿10公里（666盏）交流电路灯来说，其电缆的成本就是150万元，分摊到每一盏灯上就是2252元。还要加上埋电缆的铺设费用30万元，分摊到每一盏就是450元，因为每过一段距离电缆有压降而需要采用变压器升压的输配电等设备200万元，分摊到每一盏就是3003元，所有这些费用加起来就是5705元，还没有计算检查井300元/盏，等费用。所有这些加在一起，早就超过了太阳能LED路灯的初始投资，所以太阳能LED路灯所节省的电费完全是一种纯收益。 从上面的分析完全不用担心太阳能LED路灯的成本过高的问题。   2．  在大多数阳光不充足的地方需要加大太阳能板的面积，可能要采用x5的太阳能板，就是500Wp的太阳能电池板，从而提高了成本，降低了抗风力。 这的确是一个问题。然而并不是不能解决的问题。 一般的太阳能路灯的设计是考虑每晚要工作10小时以上所需的太阳能板功率。但是在绝大多数情况下，并不需要每晚照亮10个小时，在半夜和后半夜以后，过往的车辆行人都很少很少，在种情况下完全可以降低功率运行。过去在采用高压钠灯时，要任意改变钠灯的功率是很难做到的，而现在采用LED以后，改变功率和亮度是很容易做到的事，所以就可以采用一种称之为程序自动智能调亮的控制器来调亮。这种亮度调节完全是根据当地的交通流量的统计值来设定，通常在有些地区可以节省70%的太阳能电池板的面积，所以是非常合情合理的一种智能调光方法。这种智能调光控制器已经批量生产。 图2.程序自动智能调光可以节省70%的太阳能板面积 这样原来需要500瓦的太阳能电池板，现在只要150瓦就够了。有一家公司已经在上海市的崇明岛上安装了这种系统，采用x2的太阳能板，可以连续7个阴雨天气而照常工作。   不仅如此，太阳能电池板的面积还可以进一步减小。那就是采用最大功率跟踪（MPPT）技术。我们知道，在不同的太阳照度下，太阳能电池具有不同的输出功率和输出电压特性，其典型的特性如图3所示。但是，在太阳能电池板直接向蓄电池充电时，太阳能电池板的电压必须高于蓄电池的电压（例如12V），显然，从图中可以看出，这时它的输出功率并不是最大。为了充分利用太阳能电池板的功率，在充电控制器中加进了一 图3. 不同太阳照度时，太阳能电池板的输出功率和输出电压的关系   种称之为最大功率跟踪装置，它可以在任何（照度）时候，都可以工作在输出功率曲线的最大值上。这样，大约又可以得到30%的好处，也就是说，太阳能电池板的面积又可以减小30%，在前面的例子中，就只需要105Wp的太阳能电池板，这就大大减小了太阳能电池板的尺寸，也提高了抗风力。更重要的是降低了成本，将其成本从5000元降低到了1050元。完全是可以接受的程度。   3．蓄电池的问题 目前大多数太阳能LED路灯系统都是采用铅蓄电池，而一般的铅蓄电池的确存在寿命短，对环境污染等问题。而寿命短的问题已经可以采用胶体铅蓄电池或卷绕式铅蓄电池解决。它们不仅使用安全，还有自放电小、耐深放电性，性能优良、循环使用寿命长、浮充电压低、浮充电流小、可靠性高等优点。然而仍然存在铅污染问题。最近磷酸锂铁电池有了很快的发展，它的充放电次数可达2000次以上，为普通铅蓄电池的6倍以上。而且不存在环境污染问题，只是目前价格还比较贵，随着大量采用，价格也会下降。   所以认为太阳能LED路灯成本太高、续航力差、抗风力差、电池寿命短已经是老概念了，现在的新技术完全解决了这些问题，也为高速发展太阳能LED路灯扫清了障碍。   大力发展太阳能LED路灯是一种符合中国国情的快速发展我国的可再生能源的大事，也是快速实现节能减排的头等大事。而且这完全可以发动各级地方政府和各家从事太阳能LED路灯的企业来完成的工作。完全不需要像在建设三峡大坝时兴师动众，耗资几千亿，移民上百万就可以轻松完成的事。这样的多快好省的方法，我们何乐而不为？