LED節(jié)能燈鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)與材料選擇

謝意

【摘 要】因良好的發(fā)光效率和節(jié)能特性，LED節(jié)能燈已逐漸在家庭和工業(yè)照明中開始普及。本文將探討如何在保證照明質(zhì)量的前提下，通過合適的材料選取和電路設(shè)計(jì)，使制造出來的LED節(jié)能燈具工作更高效、節(jié)能、環(huán)保。

【關(guān)鍵詞】LED節(jié)能燈；材料；設(shè)計(jì)；電子鎮(zhèn)流器

【中圖分類號(hào)】TM923.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0063-01

1 LED節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

1.1 提高線路功率因數(shù)

較低的線路功率因素會(huì)有以下不良影響 ：（1）增加線路上的電壓損失，降低了電壓質(zhì)量；（2）降低發(fā)、供電設(shè)備的有效利用率；（3）增加電路的投資費(fèi)用和電能的損耗。解決辦法：采用PFC電路，如ST-6560、IR-2157電路等，形成功率因數(shù)補(bǔ)償電路，增大整流二極管的導(dǎo)通角，抑制電源電流的波形畸變，來提高線路功率因數(shù)。

1.2 降低諧波危害

諧波電流對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它會(huì)使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化：（1）使電網(wǎng)元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)、供電設(shè)備的效率；（2）啟動(dòng)時(shí)容易使浪涌電流增大，導(dǎo)致電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短 ；（3）大量諧波流過時(shí)會(huì)導(dǎo)致線路過熱，甚至引發(fā)安全事故。

解決辦法：安裝EMI濾波器，保證EMI濾波器的諧振頻率低于電子鎮(zhèn)流器的工作頻率，防止磁飽和，在此前提下，可以有效抑制干擾信號(hào)；安裝APFC濾波器，它能從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該電流同大小反方向的電流，從而降低諧波分量。

1.3 做好電子鎮(zhèn)流器與燈管的匹配

電子鎮(zhèn)流器是燈管的啟動(dòng)限流裝置，必須做好鎮(zhèn)流器與燈管二者的匹配，才能保證LED節(jié)能燈能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在最佳狀態(tài)。（1）功率要匹配。所使用的燈管的瓦數(shù)不應(yīng)超過電子鎮(zhèn)流器的標(biāo)簽上的功率范圍，以提供大小合適且穩(wěn)定的工作電流。否則容易使流過電燈的電流過大降低燈管壽命，或電流太小影響光照效果；（2）適當(dāng)選擇啟動(dòng)電容。合適的啟動(dòng)電容，能保證合適的啟動(dòng)電壓。啟動(dòng)電容太小，容易使燈絲預(yù)熱不足，會(huì)造成燈管的早期發(fā)黑，減少使用壽命；啟動(dòng)電容太大，容易使電流分流過多，影響照明效果；（3）電感元件的選取要合適。電感的品質(zhì)因數(shù)也是影響電子鎮(zhèn)流器與燈管匹配的重要因素。品質(zhì)因數(shù)過小，會(huì)影響電能的轉(zhuǎn)換效率；品質(zhì)因數(shù)過大，容易造成回路工作不穩(wěn)定。一般來說，電感的品質(zhì)因數(shù)選取在8～10較為合適；（4）工作頻率不宜過高。否則容易導(dǎo)致燈管過載，陰極過熱，光衰加快，同時(shí)也會(huì)使電子鎮(zhèn)流器的負(fù)載加重，溫度過高，降低工作效率；（5）按燈管參數(shù)（燈電壓、燈電流、冷阻等）設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流器。否則，如果鎮(zhèn)流器燈電壓、燈電流的選用限值過低，易被燈管工作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)過電流脈沖損壞。

1.4 設(shè)計(jì)預(yù)熱啟動(dòng)電路

若燈管啟動(dòng)時(shí)沒有充分預(yù)熱，在輝光放電階段，會(huì)造成燈管陰極發(fā)射物質(zhì)的大量濺射，在多次啟動(dòng)后，燈管頂部會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，影響使用壽命，因此設(shè)計(jì)預(yù)熱啟動(dòng)電路顯的很有必要。可以通過在諧振電容上并接PTC熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)椋撼叵拢琍TC阻值較小，通電后燈管兩端的電壓小于燈管的啟動(dòng)電壓，燈不能點(diǎn)亮。在預(yù)熱過程中，LC諧振電路產(chǎn)生的諧振電流流經(jīng)PTC熱敏電阻，使其阻值增大，近似開路狀態(tài)，完成了預(yù)熱過程，燈管的損耗也相當(dāng)小。選取PTC熱敏電阻時(shí)，為使預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流達(dá)到需要的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選用阻溫特性曲線較陡的電阻。

1.5 設(shè)計(jì)異常狀態(tài)保護(hù)電路

異常狀態(tài)保護(hù)電路的控制原理是：當(dāng)燈管出現(xiàn)異常時(shí)，快速、準(zhǔn)確地關(guān)閉鎮(zhèn)流器振蕩電路或切斷主電路的電源，保證電路的安全性，防止燒壞元件。可以采用繼電器作為異常狀態(tài)保護(hù)電路的控制元件。當(dāng)燈管異常時(shí)，電路中電容兩端電壓升高，使繼電器吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，切斷主電路的電源，起到異常保護(hù)作用。但應(yīng)注意選用密封式繼電器，防止繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生明火。

2 LED節(jié)能燈關(guān)鍵器件的選用2.1 毛管玻璃的選用

首先，要選用光通維持率高的毛管玻璃。光通維持率是毛管的重要技術(shù)指標(biāo)，是燈在壽命期間內(nèi)一特定時(shí)間的光通量與該燈的初始光通量之比，在很大程度上決定了LED節(jié)能燈的效能和壽命長(zhǎng)短。根據(jù)美國(guó)“能源之星”的標(biāo)準(zhǔn)，要求LED節(jié)能燈燃點(diǎn)至有效壽命40%時(shí)，其光通量不得小于額定值的80%。從用材上來看，好的毛管采用的是低鈉無鉛玻璃，比常用的含鉛玻璃更環(huán)保，光通維持率高。也應(yīng)考慮燈管的耐寒耐熱的性能，防止出現(xiàn)低溫時(shí)啟動(dòng)困難，高溫時(shí)發(fā)熱燒壞電子鎮(zhèn)流器的現(xiàn)象。

其次，在選取熒光粉時(shí)，應(yīng)選擇稀土三基色熒光粉（即俗稱的三基色粉），避免選擇鹵磷酸鈣熒光粉（即俗稱的鹵粉）。因?yàn)辂u粉的熱穩(wěn)定性差，光效低，光衰大，實(shí)際上根本達(dá)不到“節(jié)能”的效果；三基色粉則具有抗紫外線老化、高光效、高顯色性等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于三基色粉的品質(zhì)分選，則可以通過選取驗(yàn)鈔照射下發(fā)光度強(qiáng)的品種實(shí)現(xiàn)。

第三，積極開發(fā)無汞毛管。目前我國(guó)大部分LED節(jié)能燈屬于低壓汞蒸汽放電燈，燈內(nèi)含有氣態(tài)汞，一旦發(fā)生泄漏，可能會(huì)污染環(huán)境，危害人體。因此，在大力提倡回收廢棄燈具的同時(shí)，也應(yīng)積極發(fā)展無汞燈具，從源頭保證綠色無害。

2.2 電子鎮(zhèn)流器主要材料的選用

磁性元件在LED節(jié)能燈的應(yīng)用主要有EMI濾波電感器、脈沖變壓器等。為了減少磁性元件磁芯的損耗，選用的磁性材料的電阻率應(yīng)較大，可以降低磁性工作時(shí)的損耗；居里溫度應(yīng)該較高，可以防止工作時(shí)出現(xiàn)磁飽和和過熱現(xiàn)象。錳鋅鐵氧體的電阻率為10～108Ω·cm，超過普通鐵磁材料107～1014倍，初始磁導(dǎo)率從為2500～15000，居里溫度在110～230之間，工作頻率最高可以達(dá)到1MHz。因此錳鋅鐵氧體材料適合作磁芯。

對(duì)EMI濾波電感器和脈沖變壓器來說，要求其磁導(dǎo)率或線圈電感量隨溫度升高而下降，與晶體管的正溫度系數(shù)相抵消后，可以保證電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)定工作，因此選用負(fù)溫度功率損耗的磁性材料較好；而正溫度損耗的材料，如TP類材料適合用于扼流圈，因?yàn)槎罅魅Φ碾姼须S著溫度升高而增加，從而使LED節(jié)能燈的功率隨溫度升高而減小。

2.3 安全性能材料的選用

（1）溫度保險(xiǎn)絲。在電路電流過大、短路等情況下，溫度保險(xiǎn)絲可以迅速將電路和電源斷開，防止元件過熱造成燃燒。在首次使用LED節(jié)能燈時(shí)，電源對(duì)電容的充電電流相當(dāng)大，因此，一般要選用慢斷型保險(xiǎn)絲。

（2）塑料外殼。一般情況下，應(yīng)保證外殼的良好散熱性，可以通過在塑殼上加工部分細(xì)縫來實(shí)現(xiàn)。另外，外殼應(yīng)采用具有阻燃性能，耐熱溫度達(dá)120℃以上的塑件、電感骨架等，杜絕意外事故的發(fā)生。塑料外殼在長(zhǎng)時(shí)間的工作后會(huì)產(chǎn)生發(fā)黃的現(xiàn)象，其最主要的原因是由于紫外線的影響。因?yàn)樵跓艟唿c(diǎn)燃的過程中，燈管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生部分紫外線，塑料部分在紫外線的輻射影響下會(huì)產(chǎn)生色變（發(fā)黃）。雖然目前很難徹底杜絕這種現(xiàn)象，但可以通過在塑料中加入抗紫外線的材質(zhì)形成改性塑料，如PBT型，能一定程度上緩解其發(fā)黃的現(xiàn)象。

（3）燈頭部分。普通廉價(jià)的LED節(jié)能燈一般采用鐵鍍鎳或鋁鍍鎳燈頭，但其硬度和抗腐蝕能力不如銅鍍鎳材料的燈頭。銅鍍鎳的燈頭硬度高，不易生銹，使用壽命長(zhǎng)，即使在潮濕的地區(qū)長(zhǎng)期使用也不容易導(dǎo)致漏電事故。現(xiàn)在也逐漸趨向使用帶瓷帽的環(huán)保型銅鍍鎳燈頭。

3 結(jié)束語

通過合理選材，精心布線等科學(xué)照明設(shè)計(jì)，制造性能優(yōu)良的LED節(jié)能燈具，提高LED節(jié)能燈的照明質(zhì)量，保護(hù)照明環(huán)境，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，真正實(shí)現(xiàn)傳輸效率高、電能損耗小、性能安全可靠的“綠色照明”，對(duì)社會(huì)科學(xué)的發(fā)展具有重大積極的意義。