LED：重新定義照明的基本假設(shè)

在過去大約150年的時間里，照明行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個基于標(biāo)準(zhǔn)化燈泡的大規(guī)模生產(chǎn)行業(yè)，燈泡的設(shè)計具有內(nèi)在的過時性。消費者發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常要用相同的新產(chǎn)品來更換短壽命的在用產(chǎn)品。這種趨勢與一小部分大型制造商密不可分，它們通過以低成本制造數(shù)以億計的同一種產(chǎn)品來滿足市場需要。

隨著照明行業(yè)向LED技術(shù)的轉(zhuǎn)型，這種商業(yè)模式是否還能繼續(xù)維持其最大利益？而且它是否能利用固態(tài)照明的基本優(yōu)勢？

顯然，LED在能效和工作壽命方面具有非常顯著的優(yōu)勢。LED燈泡只需要消耗三分之一的電量，就能提供與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈幾乎相同的發(fā)光量。與基于更成熟技術(shù)的產(chǎn)品相比，LED燈泡的使用壽命還有望高出20多倍。而且，LED燈泡中的固態(tài)元件較相對脆弱的傳統(tǒng)照明技術(shù)而言，可提供更好的機械損傷保護(hù)?？傊?，這些特性可為LED照明產(chǎn)品用戶提供極具吸引力的投資回報(ROI)，特別是對于維護(hù)和燈泡更換比較困難和/或昂貴的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。

可能與該項技術(shù)的更長工作壽命同樣重要的是，更高的效率和更穩(wěn)固的設(shè)計是LED所具有的架構(gòu)靈活性。例如，照明設(shè)計師可以選擇利用LED燈的點光源，使其圍繞某個形狀進(jìn)行分布，而不是將光源集中在一起，使用漫射器和遮罩將其分布到需要的地方。這些特性可賦予照明設(shè)計師無限的設(shè)計自由，以創(chuàng)新的方式設(shè)計光源。產(chǎn)品開發(fā)人員可將LED照明產(chǎn)品制作成任意形狀，或?qū)⒄彰鳠艟咔度虢ㄖ牧稀Ρ诨蚣揖邇?nèi)。他們可以更準(zhǔn)確的定向光源，或者更容易控制其強度或顏色，從而營造出動態(tài)的照明環(huán)境。有些制造商已經(jīng)開發(fā)出窗戶原型，它們在白天是透明的，通過巧妙地使用LED和不同折射率的材料，它們會在夜晚發(fā)光。

照明電器

通過利用LED更長工作壽命的優(yōu)勢以及能夠形成各種創(chuàng)新形狀和尺寸的技術(shù)，設(shè)計師可以將照明行業(yè)從大規(guī)模生產(chǎn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模定制業(yè)務(wù)。這種新行業(yè)不是建立在標(biāo)準(zhǔn)化的、需要頻繁更換的燈泡和燈具基礎(chǔ)之上，它將為產(chǎn)品開發(fā)人員提供廣泛的參考設(shè)計選擇方案，此類設(shè)計往往利用LED技術(shù)一種或多種特有的屬性。借助智能化的自動設(shè)計工具，制造商將能夠快速開發(fā)高度定制的照明方案，以滿足每個客戶的個性化需要。在這種照明不再是一次性用品、而是可持續(xù)使用十年以上的新型業(yè)務(wù)模式中，富有美感的光源可以嵌入商業(yè)或工業(yè)建筑的墻壁中，或嵌入住宅家具內(nèi)，并且它們將作為電器進(jìn)行銷售，可以在建筑或住宅裝修改造前一直使用。

為實現(xiàn)此目標(biāo)，設(shè)計師必須采取系統(tǒng)的設(shè)計方法。第一代LED照明系統(tǒng)所出現(xiàn)的過早故障已證明一點：任何LED照明產(chǎn)品的使用壽命都取決于工作壽命最短的單個元件。盡管通常的LED電路都能滿足能源之星SSL V 1.1 L70所規(guī)定的約45,000小時工作壽命的要求，但為該電路供電的普通兩級電源的使壽命周期僅為20,000小時左右。實際上，電源設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)破壞了LED技術(shù)的長使用壽命優(yōu)勢和高ROI。

消除故障點

為什么要這樣做呢？如今的許多LED照明系統(tǒng)都使用典型的兩級電源，這種電源將用于提高功率因數(shù)的第一級升壓式轉(zhuǎn)換器與第二級高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)合在了一起。這些電源中最常見的故障點是用于在兩級之間進(jìn)行大容量儲能的電解電容。由于需要在滿載下連續(xù)工作，并且通常放置于鎮(zhèn)流器的一次成型外殼或燈泡底座等密閉的狹小空間內(nèi)，加上其中高發(fā)熱量的電源和高亮度LED，這些大容量電解電容必須要耐受嚴(yán)酷的高溫條件。而實際上，電容介質(zhì)材料的性能會逐漸降低，器件會因失去電容容量而導(dǎo)致失效。盡管LED照明方案中的控制器和其他半導(dǎo)體的使用壽命可達(dá)到100,000小時以上，二極管、晶體管和陶瓷電容也具有同樣長的使用壽命，但目前照明行業(yè)中大多數(shù)兩級電源所采用的電解電容的使用壽命都僅有20,000小時左右。

鑒于LED技術(shù)存在一項明顯的弱點，以下熱管理問題顯得特別重要：雖然使用傳統(tǒng)技術(shù)的燈泡可以紅外線形式耗散過多的能量，但LED必須將過多的熱量傳遞到它們的散熱片。這些熱量很容易達(dá)到過高水平，尤其是在照明方案被壓縮到較小的燈泡底座時。對這些熱問題進(jìn)行精心管理在LED設(shè)計中尤為重要，因為過高的環(huán)境溫度不僅會提高LED結(jié)溫，從而影響光輸出，而且還會縮短LED的工作壽命。

解決此問題的一種方法是，在開發(fā)LED照明方案時采用這樣的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：可以同時消除隔離反激式設(shè)計中脆弱的電解電容和不可靠的光隔離器。新一代的單級功率LED驅(qū)動器可以通過消除這些潛在的故障點來滿足這種需要。通過將電解電容替換為具有高穩(wěn)定性的陶瓷電容，這些電源的使用壽命可非常接近LED。此外，通過在90%以上的頻率下工作，同時超出能源之星的PF及THD要求，這些高度集成的轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生更少的熱量，并且在此過程中有助于簡化高度緊湊型照明設(shè)計的熱管理問題。

結(jié)論

很顯然，LED技術(shù)在靈活性、能效及使用壽命方面具有獨特的設(shè)計優(yōu)勢，同時為照明制造商提供了徹底改變行業(yè)模式的良好機會。然而，為使這些優(yōu)勢達(dá)到最大化，設(shè)計師必須將LED及其電源作為單個電器進(jìn)行研究和設(shè)計。通過認(rèn)真考量各個設(shè)計元件對熱量分布的影響以及如何更好地控制環(huán)境條件，照明開發(fā)人員可以將其行業(yè)過渡到一個新的階段，讓LED解決方案成為樓宇及住宅建筑中真正的有機組成部分。 電能表相關(guān)文章:電能表原理