AC LED 照明的效能分析111

ACLED照明的效能分析作者：李云霄云永利王继学Authors:1.LiYunxiaoWangjixueYunYongli李云霄：华北电力大学（保定）硕电力116班云永利：河南腾龙信息工程有限公司王继学：新视野光电（郑州）有限公司LiYunxiao:PowerClass116ofMasterCandidates,NorthChinaElectricPower摘要：ACLED以灯具结构简单和无电源驱动的优势而受到各国的重视。但是近年开发的ACLED光效低是的推广受到限制；本文通过分析现有ACLED的结构，电路原理，工作特性找出现有ACLED光效低的原因，并提出高效ACLED的封装方案。一问题的提出近年来,随着发光二极管(LED)制造工艺的不断进步和新材料的开发和应用,各种颜色的大功率LED取得了突破性进展,高亮度白光LED的发光效能已超过了200lm/W,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,特别是功率白光LED的出现,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场。传统LED是以直流电(DC)作为驱动电源,当其使用一般交流电源(AC)供电时,还必须进行AC/DC转换。同时由于LED电流电压的特此固有的特性，往往需要在转换过程中增加稳压和恒流，在AC/DC转换的过程中,大约有10%~30%的电力耗损,特别是小功率转换转换装置，效能更低，同时AC/DC的转换过程中大量使用的电解电容是的电源转换的寿命无法与LED同步，为充分发挥LED照明的寿命优势，减小灯具的体积。在电源转换寿命无法满足LED照明的情况下，许多科技公司投入巨资开发直接用于AC电源的ACLED,来进一步降低了灯具的成本，延长灯具的使用寿命。二现有ACLED的结构分析ACLED是利用了LED的二极管特性在结构上直接用LED进行整流，最初的方案是用多个两个相同的LED正反焊接构成简单的ACLED，如图一。图1图2这种方案LED的利用率只有50%，在LED管芯价格极高的时代，显然无法进入商业应用，为了提高整个管子的芯片使用率,部分科技工作者利用惠斯通电桥设计如图2的结构设计芯片,使得AC�LED在正反向工作时大多数的芯片均处在点亮状态,但是由于LED反相击穿电压有限，这种方案在110伏电源上使用时，桥臂上的LED也需要8--10个LED，通常用9个，根据LED的VF值，桥上只能安装16个，因此这种结构的ACLED内部共有52。半个周期内只有34个LED发光，LED的亮灯率也只有65%，这种方案在220伏电源上使用时，桥臂上的LED也需要16---20个LED，通常用18个，桥上只能安装32个，因此这种结构的ACLED内部在220伏电路上使用共有104，由于ACLED内部没有恒流控制电路，在实际使用过程中必须增加限流措施，以防由于电源电压波动引起的LED过流灾难。三星公司的4瓦ACLED在220伏电源使用时规格书中推荐使用如下图3电路。图中PTC为常温下为470的热敏电阻，R1R2R3在不仅规格不同阻值也不同，同样在不同电源电压使用阻值也不同，以B规格220伏使用的阻值计算，其等效电阻为1.951K。在220电压驱动下的电流电压波形如图4.从波形图中可以看出，电流波形图3123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Aug-2012SheetofFile:L:\ACLED\BackupofSheet5.DDBDrawnBy:电流电压DR图4图5占空比仅0.5.也就是说在一个周期内，电流只有一半时间，按规格书中的平均20MA电流计算，电流占空比为0.5，因此有电流时的平均幅度为40MA.以此电阻上的功率消耗为0.04*0.04*1.951/*0.5=1.5608，（式中的0.5为占空比）（其实功率消耗远大于计算值，因为峰值电流为40*1.414=56.6MA，式中的40只是按有电流是的均值）按规格书中的。ACLED上消耗4瓦，电阻和光源消耗合计5.560.电源转换效率小于72%。也就是说大于28%的能量被电阻消耗，没有发光。同样对于电压230伏使用效率仅68%。三现有ACLED的光效分析由现有的ACLED发光管,是在现有的直流LED发光管,通过网络结构不同组合而成的。其每个管芯发光的特性没变,由于LED发光管光电转换的瞬时特性，及有电流发光，没电流不发光，其相应的速度为纳秒级，所谓的余晖效应只是发光管中的荧光粉和眼视觉效应。最好的荧光粉也不能增加LED的发光量，只能将光延时。最近成都新力光源用特殊的荧光粉在LED发光管通电时储存部分光能，在LED断电后的10个微秒释放出去，可以解决ACLED发光频闪问题，但是不能解决光效低的问题.图5是发光LED的电压电流曲线，图中可以看出LED发光管可以看成一个理想的发光管二极管和电阻的串联，由于VF值不变，发光的是二极管，其发光量和消耗的能量与电流基本成正比（随着电流增大比例逐渐变小）。但是电阻上消耗的功率与电流的平方成正比。在额定电流工作时电阻消耗为标准1，在电流大于一倍时，发光不到2倍，但消耗功率为4倍，同样在电流为额定电流的0.5倍时，发光为0.55倍，消耗功率为额定时的0.25.通过实验测定与理论计算基本相同。表123为三种不同规格的LED在不同功率状态下的总光通量和光效率测定数值。表1GT-P04W54101100测试记录（额定功率1瓦）电流（MA）100160220280320360400460520580620660电压（伏）2.852.973.083.193.253.323.383.463.553.673.743.77消耗功率瓦0.2850.4750.6780.8921.041.21.351.61.852.132.32.49发光量LM36.555.1672.4388.298107115125134146150153光效LM/W12811610799949085787368.76561.4与额定功率光效比1.361.221.121.05.980.950.9.82.77.72.68.65表2GS1-WB11120MY11-13测试记录（额定功率1瓦）电流（MA）100160220280320360400460520580620660电压（伏）2.762.853.933.03.043.093.143.2.3.273.333.373.4消耗功率瓦0.2770.4560.6440.840.9751.111.2551.471.71.932.092.25发光量LM37.858.9778.797109120131146161175184192光效LM/W136129122115112108104.599.695918885与额定功率光效比1.231.161.1.1.041.01.970.940.90.850.810.790.76表3长运通3258测试记录（额定功率0.35瓦）电流（MA）1020253035电压（伏）16.417.517.81818.3消耗功率瓦0.1640.350.4450.530.64消耗功率与额定功率比0.4511.271.511.82发光量LM24.243.2350.45558.5光效LM/W143.112311310391.4与额定功率光效比1.161.00.920.840.74通过上表可以看出LED的内阻越大，功效随功率消耗的变化越大，同时在小于额定功率工作时，其光效大于额定功率时的光效，在额定功率一半时光效是额定功率时的115---125之间。在大于额定功率工作时，其光效小于额定功率时的光效。在额定功率两倍时，它的光效只有额定功率时的80%--70%之间。现有ACLED的工作平均电流是其额定电流，但占空比只有0.5。瞬时电流是额定电流的2倍在额定功率的2.1-2.5倍下工作。如用100LM/W的晶圆封装的ACLED其最大出光量只有70LM/W。交流线路中还有电阻消耗。其综合，交流电源到光的效率为72%*70%=50.4%（理论计算值实际仅48%）这也是韩国三星AX3211每瓦交流光效只有48LM的原因。通过以上分析可以看出要提高ACLED的光效必须在两个方面下功夫1是提高LED工作时的电流占空比，减小通过LED的最大电流。2是减少线路电阻的功率消耗提高从AC到LED的电效率。四光效更高的ACLED结构分析。为了更好的提高ACLED的效率韩国三星LED株式会社于2011.08.22向中国专利局提交的申请号201110242079.5的发明专利；名称AC驱动发光装置。提出一个新的结构概念。其电路结构图6；电路中102为限流电阻，103为发光二极管，104105106107为由发光二极管组成的矩阵网络，108为电子开关。当电源电压低时108为短路，电压高时断开。这种电路的实质就是分段驱动电路的翻版。只是整流电路不用普通整流二极管，用发光LED替代说明书中没有给出108的具体控制方法，只是提出电压高时关闭，低时导通，矩阵网络和108可有多个不等的特征。当108只有一个时其电流电压波形如图7所示。图6图7这样的电流电压波形电流占空比图4相比大幅度提高，大约可提高到60%--65%，电流均峰值将由原来的2倍下降到1.8倍峰值功率将由原来的2.2倍下降到1.7倍。其工作时LED的光效将由70%提高到86%。由于没有恒流源设计限流用电阻，线路的电阻消耗功率仍将达到28%的水平安装到交流线路的综合光效将达到86%*72%=61%。比原来的结构提高11%的效率。当108开关控制两个LED网络时占空比更大，驱动LED的均峰电流可进一步降低，光效比图4结构更高。综合光效可达到65%的水平。比原来的结构提高15%的效率。同时电路的功率因数更高将由原来的0.8提高到0.9的水平。同样上述这样的电路结构，其实质就是分段驱动电路的翻版。只是整流电路不用普通整流二极管，用发光LED替代。说明书中没有给出108的具体控制方法，只是提出电压高时关闭，低时导通，矩阵网络和108可有多个不等的特征，要控制108的关断必须增加必要的控制电路，其控制电路在交流上实现并不简单。成本不会太低。这种ACLED芯片中共有108多个LED管芯。笔者认为多用20—30颗价格不菲的LED芯片代替4个价格低廉的1N4007管芯，。得不偿失。同样电路中没有恒流源设计，线路中LED电流无法有效控制，在电压波动较大地区仍将无法使用。五分段驱动方法封装的ACLED将有更高的光效和电压适应能力；5.1分段驱动的电路结构图8是3段控制的ACLED驱动电路图图中可以看出电路中有2个开关管2个控制上述开关管的比较三极管6个电阻和一个恒流源，每组有26--28个LED发光管3组。4个耐压1000伏电流0.1A的二极管，由于没有电容电感变压器的大型元件和电流小123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-Aug-2012SheetofFile:L:\ACLED\BackupofSheet5.DDBDrawnBy:1234D1AC220LED2LED1N2N1LED3R4R3R6N4N3R2R1R5线性恒流源图8123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Aug-2012SheetofFile:L:\ACLED\BackupofSheet5.DDBDrawnBy:1234D1LED1线性恒流源R3R2R1P1-1P5P2P4P3P1LED3LED2LED4LED5LED6AC220P2-2P3-3P4-4P5-5图9于50MA时的原件发热量极小与发光LED封装在一起，实现AC电源下的直接驱动。图9分6组6段投入的另一种结构；5.2分段驱动工作原理220V交流电通过桥式整流电路整流为峰值电压为311V、100HZ的脉冲直流电，由R1R2R3R4组成的分压检测电路控制N1N2的栅极，当电压较低时N1N2关断，控制的N3N4导通，当电压上升到LED1的导通电压时,电流通过LED1N4恒流源构成回路。电压继续上升，L