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灯丝LED球泡灯特性

更新时间:2016-06-06  来源:未知  有122人阅读

核心提示:国家发展改革委员会、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》。《公告》决定从2012年10月1日起,按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。

一、概述
   国家发展改革委员会、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》。《公告》决定从2012年10月1日起,按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。

   《公告》明确中国逐步淘汰白炽灯路线图分为五个阶段:2011年11月1日至2012年9月30日为过渡期;2012年10月1日起禁止进口和销售100瓦及以上普通照明白炽灯。2014年10月1日起,禁止进口和销售60瓦及以上普通照明白炽灯。LED光源将是有效的替代光源。

   近十几年来,LED技术发展很快,高色温5000K、0.1瓦以下的小功率LED芯片组装成整灯,发光效率己达到150 lm/W以上,是白炽灯效率的十三倍,低色温2700K、0.1瓦以下的小功率LED芯片组装成整灯,发光效率己达到110 lm/W以上,是白炽灯效率的十倍以上,一般显色性指数Ra大于80。已形成各种款式的1-12瓦高效节能光源。但售价偏高,还不能得到普及应用。

   此外,用户由于长期应用白炽灯的习惯,偏爱360度发光的光源,Cree、菲利浦等国外公司研究成功大于300度发光的小功率LED光源,近期国内也已完成灯丝形式的0.8-1W LED光源,如下图1。                                                                     
二、灯丝LED的供电电路
   灯丝LED一般由几十颗小功率LED组成,功率为0.8-1W左右,工作电压在60-80伏之间,工作电流一般小于15mA,由于LED工作时产生的热量与工作电流的平方成正比,所以灯丝LED所产生的热量比工作电流为350mA瓦级LED小得多,不需要大的散热结构,可以形成1-4瓦各种不同功率的LED光源。由于它是灯丝状结构,组合后可以完全摸拟白炽灯的发光特性,发光角度接近360度,结合阻容电子镇流器,外形与白炽灯非常接近,能直接替代40瓦白炽灯泡。图2为常用阻容电子镇流器电路。

   电路中电容C1对交流降压和限流,它的容量限定了交流供电电流,确定整灯功率,交流电流经整流桥堆DB镇流后向储能电容C2充电,向LED灯丝供电并发光,C1、C2的体积和容量直接影响电子镇流器的体积和功率,图3为4瓦灯丝LED球泡:

 
   由于此类球泡结构紧凑,外形几乎与白炽灯泡相似,整灯底部较小,对标称4瓦样品进行实验测量:220V,功率3.83瓦,光通量430.5 lm,发光效率112.4 lm/W,色温2680K,一般显色性指数Ra 82,适合于室内一般照明应用,可替代40瓦白炽灯。但是,球泡底部可以容纳电子元件的空间很小,此种形式的LED灯丝球泡功率一般只能达到4瓦左右,其主要的问题是灯泡底部没有足够空间容纳大容量C1,一般只能应用容量小于390nF的常规产品电容器,此外,还需要一个过渡塑料件增大底部空间。

   替代60瓦白炽灯传统照明光源是国内外主要LED研究单位和生产厂家研究的重要方向之一,LED灯丝球泡要替代60瓦白炽灯泡需要采用C1为1.5-2μF 左右的电容。因此,研制替代60瓦白炽灯的灯丝LED球泡还有一定难度。特别是研制110V功率4瓦以上的LED灯丝球泡难度更大,它需要更大容量的C1电容。

   设计嵌入式空心的金属化聚丙稀膜电容器C1,体积小,容量大,稳定性较好,电容器C1的内径正好能容纳镇流器C2滤波电解电容,是一种电容内套装电容的结构其外径可以直接放置于球泡底部的E27螺口灯头部位。C1也可采用表面封装器件组合,容量参数的设定可满足不同LED灯丝球泡额定功率要求。图4为C2在C1内部的组装结构和C1采用表面封装器件组合的4瓦灯丝LED球泡,图2电路中R2可省略掉。

 
二、灯丝LED光源的频闪
   在图2电路中, C2的容量对出射光束的频闪和功率因数(PF)有很大影响,实际上,交流供电的电光源都会产生100Hz频闪。对于不同使用环境,可选用不同容量的C2电容,例如,在车库,楼道等照明要求不高的区域,可选择小容量C2,功率因数较高,甚至可选用如AC LED的交流供电方式。C2容量越大,频闪越小,功率因数PF越小。根据国标要求,5W以下的非定向LED灯的功率因数必需大于0.4,阻容电子镇流器电路能达到要求。应用小容量C2电容的灯丝LED球泡灯经十余万次开关试验后,工作正常,因此,它的使用寿命很长。

   对于视觉作业照明,有频闪指数性能要求,因为频闪会造成视觉疲劳,注意力分散,头痛、头晕等生理反映,采用IC逆变电路供电更为合理,它的工作频率在几十KHz到上百KHz范围,经高频变压器变换整流,输出稳流直流供电。灯丝LED球泡应用IC逆变电路供电,光输出比普通白炽灯更稳定,没有频闪效应,低色温灯丝LED球泡适用于视觉作业照明。

   图5为不同C2容量的灯丝频闪视频截图,C2容量越大,频闪越小,图a中C2为10μF,图b C2 0.2μF,图c为交流供电的灯丝LED频闪视频截图:

 
   图6为采用IC逆变电路供电的标称4瓦灯丝LED球泡(图d)和40瓦白炽灯(图e)的灯丝频闪视频截图。可以看出,采用IC逆变电路供电的灯丝LED球泡,没有频闪,性能优于白炽灯。
图6  IC逆变电路供电的标称4瓦灯丝LED球泡和40瓦白炽灯的灯丝频闪视频截图
 
三、灯丝LED光源的功率因数、功率变化率和EMC测量
   对标称4瓦灯丝LED球泡采用不同容量C2进行了功率因数PF测量,见下表1:
表1 电压220V  功率3.83瓦
 
C2容量 10μF 4.7μF 0.2μF 交流供电
功率因数PF    0.458 0.485   0.529   0.592
C2容量减小,功率因数增高。
   对应用阻容电子镇流器标称4瓦的灯丝LED球泡进行了电压220V±20V测量,功率变化率见表2:
表2
供电电压 200V  220V  240V   功率变化率
灯功率W(阻容镇流器)C2:4.7μF 3.09W 3.83W 4.58W    ±19.5%
灯功率W(阻容镇流器)C2:0.2μF 3.32W 3.7W 3.99W -10.2%-- +0.8%
灯功率W(灯丝交流供电) 3.35W 3.85W 4.42W -13% --  +14 %
40W白炽灯 36.6W 42.21W 48.4W -13.2%--+13.9%
    
   从表2看出减小C2容量(0.2μF),功率变化率稍小一些,优于白炽灯功率变化率。应用交流供电的灯丝LED光源与40W白炽灯功率变化率相同(图7)。
   
   应用IC逆变电路供电的标称4瓦灯丝LED球泡在电压220V±20V范围内功率基本稳定:
表3
供电电压 200V 220V 240V 功率变化率
IC逆变镇流器 3.75W 3.65W 3.64W 2%
功率因数PF 0.555 0.545 0.523  
 
   图8为1、2、4瓦系列灯丝LED蜡烛灯和球泡灯:

 
   对标称4瓦灯丝LED球泡灯的EMC进行了传导干扰和辐射干扰测量(图9),性能符合国标GB17743要求:

 
   根据系列灯丝LED光源的各项性能测试结果,它已能替代40瓦以下的白炽灯功能,是一种性能优良的节能光源。
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