LED吸顶灯及其电源讲解[5]

　　这个电路图是一个给24瓦吸顶灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如下：

　　它的演示版的布置图如图14所示。具体应用时当然也可以设计成圆形。

　　图14. LT3799的演示版

　　这个市电恒流源因为功率大，而且可以适应4-100W的宽功率范围(这是吸顶灯的功率范围)，所以一定是采用外置MOS开关管，而且也因为功率大，所以要求采用功率因数校正(PFC)。对于不同的功率，除了要选择不同的MOS管外，还要求选择不同大小的变压器。变压器加大了整个恒流源的体积和重量，降低了效率。但是这是为隔离市电所必需的。

　　一. LED吸顶灯的调光

　　目前全世界很多知名的LED恒流驱动芯片公司都花了很大的力气开发出了很多可以和各种可控硅调光的所谓Triac配合以进行调光的芯片。然而这也是一种相当可悲而又可笑的事。因为可控硅是上世纪六十年代的产品，本身是一种相当古老而落后的器件。它的确可以用来和白炽灯配合进行调光，可是它在调光的过程中会破坏正弦波的波形因而引起系统的功率因数降低，而且还会在线路上产生很大的干扰信号。在白炽灯调光时因为白炽灯的亮度只是由电源电压的有效值决定，所以可以跟着可控硅的导通角调光，而且对于可控硅来说，白炽灯是一个理想的纯阻负载，也不会对它的工作有什么影响。

　　可是换成LED以后就产生了一系列的问题，首先带整流器的LED是一个容性负载，对可控硅有很大影响，在低负载时就会不稳定触发，除非并联一个电阻。但会进一步降低系统的效率(增加1-2W功耗)。为了使得LED也能配合可控硅调光就必须把带整流器的整套恒流电源系统的功率因数提高到看上去接近纯阻负载。所以很多公司开发出有源功率因数校正芯片。使得LED整个系统的功率因数达到0.9以上。不少人误以为采用功率因数校正以后，连同可控硅在内的整个系统的功率因数都可以达到0.9以上。这完全是误解了， 即使是纯阻负载接上可控硅以后功率因素也会随调光而降低。

　　下面是可控硅调光过程中，带功率因数校正(达0.96)的LED球泡灯的整套系统(包括可控硅在内)的功率因数的变化(附带也有白炽灯的数据以供比较)。

　　由表中可知，不管是经过功率因数校正的LED灯，还是白炽灯，在一开始时功率因数都可以达到0.96以上。但随着可控硅的调光，其功率因数逐步降低，到无法再调光时，功率因数低至0.48和0.566。所以作为整个系统来说，其功率因素指标是不符合美国能源之星的要求的。

　　全世界的各种可控硅调光器多达几十种，上百种。很多LED灯为了和这些可控硅兼容，不知道做了多少试验和改进，但最后还是吃力不讨好。由于国外的人工很贵，所以也可以认为这是不得已的做法，但是在中国完全可以采取另一些更先进的做法。

　　为了要对LED调光，可以有很多办法，这些方法都没有可控硅的缺点。下面介绍几种最常用的方法：

　　6.1 采用脉宽调制PWM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，只要把电源改成开关恒流源，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15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15. 用改变脉冲宽度的方法来改变LED的亮度

　　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16)，这串LED的阳极用一个恒流源供电。

　　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16)，这串LED的阳极用一个恒流源供电。

　　图16. 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?

　　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。因为任何数字信号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。

　　具体获得PWM信号的方法为在墙上的PWM开关和电位器里安装一个PWM发生器。这个PWM发生器可以很容易地用一个555芯片形成(图17)。

　　图17. 用555构成一个PWM发生器

　　这个发生器的指标如下：
　　1. 输入电源：10-36V ，20mA
　　2. 输出信号：200Hz的PWM信号，0-100%，5V (也可为10V)
　　3. 控制路数：可控制5-10个可调光恒流源
　　4. 线路长度：10-20m
　　5. 开关：可直接控制220V电源开或关

　　所以，它需要三根线和灯具连接。假如还要开关灯具，就可以采用带开关电位器，不过这样一来总共需要有5根线连接到灯具。如果要利用原来墙上开关，就要再增加三根线，这是它的主要缺点。它的优点是可以用一个控制器来控制5-10个灯具。

　　6.2 分段式开关调光

　　为了利用现有的墙上开关和墙内的两根线，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，第二次快速开关为60%亮度，第三次快速开关为40%亮度，第四次快速开关为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。它实际上可以和恒流源设计在一起(图18)。

　　图18. 分段调光的恒流源GM6182

　　其指标如下：

　　6.3 红外遥控调光

　　LED吸顶灯作为一种高档商品，采用红外遥控调光更能凸显其高档性。不愧为一种理想的选择。一个红外遥控发射机电路如图19所示。

　　图191. 一个红外遥控发射机电路图

　　红外遥控接收电路如图20所示。

　　图20. 红外遥控接收电路图

　　虽然红外遥控可以实现采用PWM连续调光，但在实际使用时，也可以用作分段调光。

　　一. LED吸顶灯的指标和性能

　　一个LED灯具最重要的性能指标就是它的整体光效。所谓整体光效就是输出光通量(以流明表示)和输入电功率之比，单位是每瓦流明数lm/W。

　　它不但包括了LED本身的发光效率，也包括了恒流电源的效率和泡壳的透光率。

　　除此以外，还有它的色温、显色指数等。

　　为了测试LED吸顶灯的指标，我们通常把它放进大型的积分球中，以便测量它所发出的全部光通量。并对它所发出的光谱进行分析。

　　现在就拿图7所示的红外遥控LED吸顶灯为例，测试它的性能指标。这是一个采用168颗3014LED的红外遥控吸顶灯。

　　在不加光罩时实测的结果如下。

　　1. 整体光效

　　总流明数1383lm，输入交流功率=16.57W，所以整体光效=83.46 lm/W

　　需要说明的是其中包括了两项效率，一个红外接收器的效率，另一个是恒流电源的效率。而恒流电源的效率，单独测试的结果是89.5%(图8)。红外接收器的功耗为0.5W左右，所以实际的输入功率应该是16W。如果不用红外遥控器时，它的整体光效应该是86.43lm/W。如果再考虑电源的效率，用在LED上的电功率只有14.32W。

　　这样算下来可以得到96.5lm/W。这应该是LED本身的发光效率。如果改用发光效率为120lm/W的LED，那么它的整体光效就可以达到107lm/W，即使加上红外接收器的功耗，整体光效也可以超过100lm/W。

　　2. 色温：6171K，这完全是由所用的LED决定的，如果用户要求低色温，就可以改用低色温的LED。

　　3. 显色指数：Ra=76.2，这个指数相对较低。但是实际上目前所用的显色指数是在15种单色光上的显色指数加以平均的结果，它并不能完全代表它的显色能力。因此照明信息委员会(CIE)不推荐用CRI来测定白光LED的显色能力

　　如果加上光罩以后，它的整体光效当然会随之降低。而且会降低相当多。因此选用高透光率的光罩是很重要的事。但是透光率过高，也会使用户能够看到其中的光珠，这也是不希望的是。尤其是如果采用1W的大功率LED，就更加明显，所用采用小功率的LED(例如3014)，允许用透光率高的光罩，这也是很重要的。

　　国外的一些大功率吸顶灯的性能如下：

　　Sharp吸顶灯

　　一. 吸顶灯的成本和价格

　　在推广LED灯具中遇到最大的问题就是价格问题。最突出的就是在采用LED球泡灯来取代白炽灯时，二者的价格会相差20-50倍之多，普通白炽灯的零售价大约在1-2元人民币，而且和瓦数基本无关，而一个相同流明数的LED球泡灯的价钱就大约要50元到100元。例如可以取代60瓦白炽灯的LED球泡灯至少要10W以上，它的价钱大约为100元以上。然而，在LED吸顶灯中，情况就完全不同了。普及型的LED吸顶灯的价格可以做到和中档的普通吸顶灯的价格相当。

　　所以说，可以预计，在中国家庭，最快能够普及的LED灯具就是LED吸顶灯。这也说明了，LED吸顶灯的市场商机是最大的。

　　一. 吸顶灯的市场

　　各个国家的生活习惯有所不同，对吸顶灯的需求也有所不同。一般来说，美国几乎完全不用吸顶灯，美国的住房从来没有在房间中间安装灯具，很多灯具都是一种立式的大型灯具，采用插销插到墙角的插座上，有一个墙上开关来开关一个专门的墙上插座。而在洗手间则完全靠镜上灯来照明。所以可以认为吸顶灯在美国是没有市场的。而日本则和中国差不多，很多人家都采用吸顶灯。他们也称为天花灯。欧洲则比较喜欢华丽的吸顶灯，只是厨房和厕所会采用普及式的吸顶灯。

　　目前日本的市场发展最快。

　　2011年5月日本的LED吸顶灯的销售额已经超过了普通吸顶灯

　　市场预估日本吸顶灯每年有超过300万台的需求，如果以每台100元人民币计，该市场超过每年3亿人民币。但目前导入LED的比率仅2成(按数量)。东芝照明(Toshiba Lighting)在日本LED吸顶灯的市场占有率为第1大。

　　在国内，吸顶灯被广泛采用。国内普通荧光灯式吸顶灯的产量如下图所示：

　　2010年的产量已经超过6000万支，预计2011年产量将会超过7000万支。假如在2012年产量为8000万支，其中的十分之一被LED吸顶灯所取代，那么将会达到800万支。假如以每支100元计，那么其市场规模将达到8亿元。

　　LED吸顶灯的市场份额如下图所示：

　　其中LED吸顶灯还没有单独列出，可能算到其他LED灯具里，可见LED吸顶灯还是有很大的市场潜力。

　　十. 普及LED吸顶灯对节能减排的意义重大

　　采用LED吸顶灯来取代普通荧光灯式吸顶灯可以大大节约电能，从而减少二氧化碳的排放。一般来说，每节省1度电可以减少0.272公斤二氧化碳。从实测的结果可知，一个8W的LED吸顶灯大约可以取代16W的普通荧光灯式吸顶灯，所以可以节电8W。假定平均每天开灯3小时，那么每年可以节电8760度电，相当于减排2382.72公斤二氧化碳。假定2012年可以生产800万只LED吸顶灯，那么总共可以节电700.8亿度电，(相当于三峡水电站一年所发的电量847亿度电的82%)。减少了0.19亿吨二氧化碳的排放!

　　据美国国家大气和海洋管理局（NOAA）最新报告，大气中二氧化碳平均浓度已由工业革命前的280ppm（ppm：百万分之一）左右升高到了2010年的389ppm。而中国在1992年的排放量约占全球的11%，2008年则占全球的23%，位居世界第一。2010年全球二氧化碳排放量大幅增加，創下歷史新高。2010年全球二氧化碳排放量为335亿吨，比上年增加18.8亿吨，约5.9%。中国2010年二氧化碳的排放量约为75亿吨。所以中国这次在德班气候大会上承诺计划在2015年的碳排放要比2010年减少15%。如果要在2015年减少15%，就是11.25亿吨。如果到2015中国能够采用8000万只LED吸顶灯，就可以减少19万吨二氧化碳的排放。这也可以为此作出一定的贡献！

　　作者邮箱：maoyuhai@yahoo.cn