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        去電源化是大勢所趨?莫要繼續誤導LED照明電源行業!

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        什么是AC-LED

          我們知道LED是一種發光二極管,它本質上是一個直流器件。如果我們采用交流市電供電那就至少要有交流變換為直流的電源。那么能不能完全不用這種變換呢,也是可以的,那就是把LED本身當作是整流二極管來用,這就是所謂的“AC-LED”,這是7、8年以前就有人提出來的,而且韓國的首爾半導體業曾經大肆宣揚過的。我們可以來看一下它的原理:

        圖1. 把LED連接成為全波整流橋

          只要整流橋的每個臂串聯足夠的LED就可以承受高壓。為了要讓每個臂能都流通,就必須加上中間這個臂,這樣問題就來了,無論在正弦波的正半周還是負半周,中間這一個臂是一直都導電的,而其他四個臂就只在上半周或下半周導通,所以它的LED利用率不高發光效率不高。

          恒流驅動源

          更大的問題在于如果把這個AC-LED直接加到市電上,就一定會把LED全部燒毀,因為LED是必須采用恒流電源驅動的,就是不管所加的電壓如何變動,其驅動電源必須是電流恒定,否則LED就會燒毀。這是由于其伏安特性的負溫度系數決定的。

          圖2是LED伏安特性的負溫度系數曲線示意圖。一個LED如果在25°C時,加3.3V電壓時的電流是20mA,那么當結溫升高到85°C(通常加電以后就會升高到至少85°C)后,即使電壓還是3.3V,電流就會升高到37mA左右,而電流的升高會帶來結溫的進一步升高。

        圖2. LED伏安特性的負溫度系數

          也就是說當LED的結溫升高時,由于其伏安特性的負溫度系數的特點,其伏安特性會整體左移。如果采用恒壓電源供電,其電流就會增加而形成正反饋,最后會導致LED燒毀。所以在AC-LED中,假如直接接到交流電源器結果一定是燒毀。為了解決這個問題就必須串聯限流電阻和一個正溫度系數的保護電阻PTC。

        圖3. AC-LED必須串聯限流電阻以防燒毀

          串上限流電阻以后,其結果是耗費更多無用功率,而使得其效率更低,這種AC-LED要使用比普通LED多一倍的LED數目,再加上效率極低,所以是根本沒有實用價值的!推出來就沒有市場!

          HV-LED 這只是把一定數量的LED串聯起來,所以它的規格有限,例如45V等。過去還曾經說這是LED的新方向,其實完全不是這樣,因為用戶有各種不同的應用,就要求用不同的串聯個數,所以串聯的數目不容易確定,例如下面的無電解電容系統就很難采用HV-LED。

          不要把去電解電容說成是去電源化!

          現在有不少人把無電解電容恒流驅動源說成是去電源化,這是十分錯誤的。因為無電解電容恒流驅動源只不過是在恒流驅動源里拿掉了電解電容而已,其他的很多元器件都在,怎么就變成了去電源了呢?去電解電容不等于去電源!

          我們先來了解一下什么是無電解電容恒流驅動源吧。

          無電解電容電源的最早創始人是美國硅谷的ExClara公司,他們開發的芯片是EXC100。它的工作原理如圖4(圖中采用了Supertex的CL8801的原理圖)。

        圖4. 無電解電容電源系統

          這種系統是把整流橋后面的電解電容去掉,使得其輸出電壓保持為半個正弦波的樣子,后面接的全部串聯的LED串分為幾個小串,然后在半個正弦波期間按照電壓的變化依次點亮這些小串。

        圖5. 無電解電容時各串LED的導通時間

          由圖中可見,第一串最早導通,導通的時間最長,但導通的電流最??;第二串稍晚導通,導通時間其次,電流也稍大。第三串最晚導通,導通時間最短,電流也最大。這種無電解電容系統后來發展了很多版本,基本原理都是一樣,只是分的段數有所不同,例如圖4的原理圖里就是分成4段。國內還有分成23段的。不管怎樣,它們都有同樣的缺點和問題。

          每串都不是全時間點亮,所以其LED的利用效率低。

          各串的電流各不相同,有的低于其額定值,有的高于額定值,所以低于額定值的沒有充分發揮LED的作用,而高于額定值的就有過負荷的危險,壽命明顯低于正常驅動。

          前兩項加在一起,使得其總的發光效率降低,經過測試大約低15%左右。

          最大的缺點是電流形狀也是半個正弦波,所以其發光有100Hz的閃爍(在美國為120Hz),這種閃爍對于人眼和人腦都有損害,根據醫學研究結果認為要更高的頻率才沒有影響,所以美國能源之星明確規定,LED光源的閃爍頻率必須高于150Hz,這也就意味著這種產品根本就無法通過美國能源之星,只好拿到中國和第三世界來用。

           可以看到還有一段時間是完全不亮的,如果用數碼相機或是手機照相的時候就會產生明顯的斑馬條紋。

        無電解電容 有電解電容

        圖6. 采用手機拍攝的無電解電容和有電解電容的照片

          更為嚴重的是如果用到安防攝像機就有可能在黑暗的瞬間拍攝而遺漏了最重要的場景。所以,在安防監控攝像區的照明是嚴禁采用無電解電容燈具照明的。

          這種無電解電容的恒流驅動源仍然只是普通的線性恒流源(例如恒流二極管),所以它的效率是十分低下的。當輸入交流市電電壓變化時。

        圖7. 無電解電容SU1203的電源效率和輸入電壓關系

          其實所有的線性恒流源的效率曲線都是一樣的,也就是說都是和這條曲線完全一樣,在195-255Vrms從98%變到70%,220V的時候是84%。

          無電解電容光引擎

          把上面所說的無電解電容恒流源用到光引擎上就成為無電解電容光引擎,光引擎就是光源和電源一體化的產品。實際上無電解電容光引擎的最大特點就是去掉了體積最大的電解電容,而其他所有的元器件都是體積很小的貼片式元器件,所以把這些元器件都放在LED鋁基板上做成光引擎以后,給人產生了一種好像不需要電源的錯覺,最早首爾半導體就用這種辦法來使人以為AC-LED又復活了。他們也仍然把它稱為模塊化的AC-LED。

          例如他們的光引擎Acrich2,從它的電路圖可以看出,它就是采用了無電解電容方案的線性恒流源,只是把所有電路都做到一個模塊里。

        圖8. 首爾半導體的Acrich2光引擎 9. Acrich2的電路

          我們實測了它的參數:在220V時,其輸入功率為4.489W,總光通量為297.7 lm,發光效率只有66.3 lm/W,顯色指數為83.1,功率因數為0.975??梢娖涔庑值拖?。而且隨著輸入電壓的增高,其效率還會進一步降低)。

        圖10a 輸入功率和輸入電壓的關系 10b 輸出流明和輸入電壓的關系

          當輸入電壓從220V增加到255V時,輸入功率增加1.2倍,而輸出流明只增加1.1倍。也就是光效會降低1.1倍。也就是降低為60.3lm/W。根據Acrich2的數據表,它的電源芯片的功率耗散為1W,而輸入功率為4.5W,所以它的電源效率只有78%。而且這個1W的功率加到LED鋁基板上,肯定會增加鋁基板的熱量,提高LED結溫,從而降低LED的壽命!

          國產的無電解電容光引擎更是多如牛毛,不計其數。

          例如芯片采用韓國Login-digital的LID-PC-F103A,LID-PC-R101B的光引擎,采用臺灣AIC的DS6602芯片的光引擎,采用臺灣昌旸SQ9920芯片的光引擎,采用臺灣達鑫DS6622芯片的光引擎,采用國產晟碟集成SDS3101,SDS3108芯片的光引擎,采用明微電子SM2087芯片的光引擎,Zonopo 8260芯片的光引擎等等。

          實際上所有采用無電解電容的光引擎除了上述的缺點以外,還都具有另一個更為嚴重的問題,就是把一個低效率的線性電源放到了鋁基板上,其結果就是增加了鋁基板的溫度降低了LED的壽命。究竟降低了多少,可以舉一個例子來說明。

          假定一個10W的LED燈,就是說其燈板上有9W的LED?;蛘哒f它需要9W的供電。采用無電解電容方案以后它的效率為70%-98%,平均值為84%。也就是它在供給8.4W的功率給LED燈板時,本身要消耗16%的功率,也就是消耗了1.6W的功率。那么如果這個電源也安裝到燈板上去,勢必要增加燈板的熱量,但是燈板增加了不止16%的熱量!為什么?

          因為供給8.4W給LED并不是這8.4W全部變成了熱,而是有一部分變成了光發出去。當前的LED的發光效率在40%左右,也就是有60%的能量都變成了熱量,也就是有5.04W的熱量需要散發出去?,F在又增加了1.6W,變成6.64W。也就是增加了31.7%的熱量。雖然本來的散熱器也需要把這部分熱量散發出去,但是現在把這部分熱加到了LED燈板。因為電源是放在燈板的電路面,而電路面要傳到散熱器需要通過兩個絕緣介質,一個是印制板的絕緣介質,另一個是鋁基板和散熱器之間的絕緣介質,所以電路面的溫度和散熱器的溫度是不同的,而LED是放在鋁基板的電路面的。也就是說由于電源放到了電路面就會使鋁基板的電路面熱量增加了31.7%,這會導致LED的結溫也升高31.7%。假如原來的結溫是85°C,現在就變成了111.9°C。而結溫增加對壽命的影響到底有多大呢?這可以參看Cree公司給出的結溫和壽命的曲線。

        圖11. 結溫和壽命的關系

          也就是假如原來結溫是85度,壽命是31,000小時,那么現在結溫是112度,壽命就降低到10,000小時。 所以,凡是采用無電解電容恒流源的光引擎其壽命都在10,000小時左右,也就是說,無電解電容光引擎的壽命要比其他LED燈具的壽命縮短3倍!

          現在無電解電容光引擎在市面上大行其道,然而他們的生產廠家都沒有告訴消費者這些真實的情況。

          把“去電源化”作為口號來提倡是不恰當的!

          首先,去電解電容根本不等于去電源,而只是恒流驅動源的一種形式而已,而且它具有很多缺點和問題,根本就不值得提倡。其次,LED是必須要有恒流驅動源來驅動的,如果去掉了恒流驅動而直接用初級電源驅動,不論是市電還是大功率電池,都是內阻很小的恒壓源,很容易就把LED燒毀,更是不應該去提倡的。所有的LED都是需要有恒流驅動源驅動的,不管是開關恒流源還是線性恒流源都是一種電源,所以去電源化是根本不可能實現的!

         

        2020年2月8日 21:20
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