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【行業動態】LED光引擎的熱光效解析
文:sunlit 來源:中國LED網 時間:2016-04-30 點擊:2807

我們都知道LED是一種半導體發光器件,半導體是一種熱敏器件,也就是說它對于溫度是非常敏感的;蛘哒f溫度會直接影響它的性能和參數。作為一個電-光轉換器件它最重要的指標就是輸入多少瓦的電功率,輸出多少光通量(流明),我們稱之為光效(發光效率),這個指標代表了LED的最重要的質量指標。用戶也就是根據他所需要的光通量(流明數)來選用瓦數最小的LED。

  然而雖然LED器件本身有一個光效,但是不等于用戶就能夠直接享用這個光效,因為把這個LED器件組裝成為燈具就會損失一部分光效。我們先不考慮光罩的透光率(假定為100%,實際上通常在90%左右),而主要來考慮LED光源本身的光效。這種光效我們也分為冷光效和熱光效兩種?赡艽蠖鄶等硕疾粫⒁膺@兩種光效的區別,所以我們在這里要先來討論冷光效和熱光效問題。

  1. 什么是冷光效什么是熱光效

  簡單地說冷光效就是在LED光源處于室溫(25C)時所測得的光效,而熱光效則是等LED光源熱穩定以后所測得的光效。具體來說,我們通常采用積分球來測LED光源的光效,那么在接通電源以后立刻測所得的光效就是冷光效(假定那時候的室溫就是25度),這個“立刻”大約在5秒以內。而熱光效是至少要等半小時到3刻鐘以后才能達到熱平衡(或熱穩定),F在我們通常說的光效都是冷光效,或者說通常我們在外殼上或外包裝上標明的光效指標大多數都是冷光效。

  對于絕大多數用戶來說,他們關心的實際上主要是熱光效。因為LED照明都是會使用超過半小時的,遺憾的是,用戶只知道這個燈具的冷光效而不知道這個燈具的熱光效,這在某種意義上說,這是一種無意的瞞騙消費者的行為。

  不管怎樣,我建議,今后都應該以熱光效作為光效指標,標明在包裝盒上。

  2. 冷光效和熱光效有多大的區別

  下面我們就來看一下冷光效和熱光效到底有多大的區別。我們為了深入了解各家知名品牌的LED的PAR燈的冷熱光效的差別,特地到美國和日本去購買了幾種知名品牌LEDPAR燈來進行實際的測試,所得的結果如下表所示:

  其中起始值是接通電源后立刻測量,終了值是指經過半小時等待以后的測試值。

  例如飛利浦公司的432195型球泡燈的輸出流明,在半小時后,從1860lm降低至1680lm,降低至92%。具體流明下降過程如下圖所示。

  實際上半小時還沒有完全到達穩定值,可能還需要三刻鐘或一小時才能真正穩定。

  由上表可得出如下結論:

 。1)所有各品牌LED燈具的光效起始值和終了值都是不同的。

 。2) 其差異最小為0.97,最大為0.86

 。3) 輸入功率的差別實際上是和LED的熱特性無關。

 。4) 光效的差別則主要是由于LED結溫的升高所致。

 。5)結溫升高是無法避免的,因為LED本身效率只有40%左右,其他都轉化為熱量,所以加電以后熱量逐漸增加,最后從室溫升到熱穩定值。但升高值的大小是和散熱器的好壞有關的。散熱器越好溫升越低。所以,為了減小熱光效和冷光效的差別,應該盡可能地采用好的散熱器。

  3.LED光引擎的冷熱光效

  我們為什么要特別研究LED光引擎的冷熱光效呢,這是因為光引擎有其特殊之處。所謂光引擎實際上就是把LED電源也放到LED光源所在的鋁基板上,這樣一來,LED電源所消耗的電能也都釋放在鋁基板上,這就增加了鋁基板所要散發的熱量,也就會提高LED在熱穩定以后的結溫。下面舉一個例子來說明,目前市面上最常見的是一種無電解電容光引擎,它的電源效率通常只有85%左右,這就意味著將會有15%的輸入功率轉換為熱量而加到鋁基板上。假定總的輸入功率為10瓦,剩下的8.5W加到LED,假定LED本身的發光效率為40%,也就是只有3.4W的功率轉變為有用光,還有5.1W的功率變成熱。本來鋁基板只要散這個5.1W的熱量,現在要加上電源的15%也就是1.5W的熱量,總共需要散去6.6W的熱量,增加了29.4%的熱量,接近30%。而鋁基板的熱阻都沒有變化,功率加大就意味著溫度升高,鋁基板的溫度升高,意味著在同一個鋁基板上的LED的環境溫度升高,結溫也隨著升高,其結果就是光效降低。

  4. LED光引擎冷光效和熱光效的實際測試結果

  我們測試了一家深圳公司生產的60W無電解電容光引擎,以及埃菲萊公司生產的60W有電解電容光引擎。二者的外形照片如下:

  深圳某公司無電解電容60W光引擎                  埃菲萊公司有電解電容60W光引擎

  在測試時采用了同樣的散熱器,以免由二者散熱的不同而影響測試的結果。這兩種光引擎的總光通量隨時間的變化結果如下:

  深圳某公司的無電解電容光引擎光通量                埃菲萊的有電解電容光引擎光通量

  前者的總光通量從剛開機的5780lm,在半小時以后下降到5120lm,大約下降了11.4%,而且從下降趨勢來看,還應該會隨時間進一步下降到5000lm。而埃菲萊公司的光引擎光通量從7233.8lm下降到6486.8lm。

  兩者的輸入功率變化曲線如下圖所示:

  深圳某公司60W光引擎電功率變化                      埃菲萊公司60W光引擎電功率變化

  深圳某公司的光引擎因為還采用了功率補償(見上圖),它的輸入功率在30分鐘內從57.81W上升到59.53W。所以它的光效是從100lm/W降低到86lm/W,降低了14%。如果采用最后穩定后的熱光通量為5000lm,它的最后光效只有84lm/W,下降了16%。而它的標稱光效是100lm/W,如果從冷光效來看,還是達到的,但是如果從熱光效來看,那就差了16%。

  而埃菲萊光電公司的60W有電解電容光引擎,它的功率在30分鐘內從62.53W下降到60.354W(更接近額定值60W),所以它的光效從一開始的115.68lm/W,下降到107.48lm/W,只下降了7.1%,和一般燈具下降范圍差不多。這相當于LED的結溫從25度室溫上升到設計的額定值85度左右的結溫而引起的正常光效下降。這是因為埃菲萊公司的恒流源效率高達99%。所以把這么高效率的恒流源集成到鋁基板上是不會增加熱穩定以后LED的結溫的。所以冷光效和熱光效的差別還是屬于正常值的范圍。

  順便說一下,我們在這里比較的兩種光引擎的差別也絕不是由于LED本身的光效不同而引起的,前者某公司的無電解電容光引擎所采用的LED是很大的晶片3535,其面積為1225mil2,而那個埃菲萊的有電解電容的光引擎所采用的LED是3518,其面積只有630mil2,相差高達595mil2,而且還是前者為大。而埃菲萊的熱光效的絕對數值也是高達107.48lm/W,遠比該公司的86lm/W要高出25%之多。

  5.各種無電解電容光引擎的差別

  雖然我們只測了某一家公司、某一種產品的冷熱光效的區別?赡苡腥藭岢鲞@是以點代面,不夠全面的意見。假如從數據的準確程度來說的確是這樣,然而如果用數據的大致結果來說,這些結果是有很大代表性的。其實道理很簡單,造成冷熱光效的區別的主要原因就是因為把低效率的恒流源集成到了和光源在一起的鋁基板上,這樣就造成了LED的結溫比沒有恒流源的結溫要高,所以它的熱光效就一定低。對于開關電源來說,它的效率是有可能達到95%的,可是由于開關電源元件多,體積大,是不可能集成到鋁基板上去的。所以目前所有集成到鋁基板上去的都只能是線性電源。當然線性電源的種類也有不少,現在用得最多的就是一種分段點亮的無電解電容光引擎,還有就是直接采用恒流二極管的有電解或無電解電容的光引擎,但是不管是哪一種線性電源,它的效率曲線都是完全一樣的,都是隨著市電電壓的增加而直線降低,在220Vac時都是在85%左右(見下圖)。

所有線性恒流源的效率

  而埃菲萊公司的恒流源雖然也是一種線性恒流源,但是由于采用了自適應智能調節技術(埃菲萊的電源芯片稱為AICS,就是“自適應智能電流源”的縮寫),使得其效率高達99%(見下圖)。

埃菲萊恒流源的效率(藍線為恒流源本身的效率,紅線為包括整流器的總效率)

  埃菲萊的光引擎為了去掉整流器的影響,通常把整流器和所有保護元件放在鋁基板外面,在鋁基板上只有效率為99%的恒流源。所以它的冷熱光效就能保持和沒有恒流源時一樣。

  結束語

  從這里我們得出一個重要的結論,就是:只有效率極高的恒流源才能夠集成到鋁基板上做成光引擎,才不至于因為恒流源的低效率提高LED的結溫而降低其熱光效。把效率低的恒流源集成到鋁基板的結果是提高了LED的結溫,從而降低了它的熱光效,而且這種冷熱光效的差別遠大于普通LED燈具的差別,上面例子中差別高達15%以上。

 
 
 
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