探索LED灯具：过去、现在和未来

在美国，传统的 100W 和 75W 白炽灯已很少见，60W 和 40W 的白炽灯也将在今年逐渐停售。卤素灯、紧凑型荧光灯 (CFL) 和 LED 灯等技术产品均争先恐后要取代白炽灯。其中，卤素灯和 CFL 已被使用了一段时间，LED照明设备则只是在最近五年才因技术效率显著提高而变得非常实用。发光效率被定义为光通量(流明或 lm)与输入功率(瓦特或 W)的比率或写做lm/W。与汽车燃油经济性类似，它是对一种光源发光效率的计量。表 1展示了相当于 60W 的常见光源的比较情况。

表 1. 各种光源的发光效率比较。

图 1.进入灯具(带或不带 TRIAC 调光器)的 AC 电压和电流。

显然，CFL 与 LED 都是高效光源的上好选择，而以现在的市场价格看，CFL 似乎最经济划算。但是 CFL 存在一些环保问题，因为它们含有微量的汞，需要特殊的处理方法。此外，安装标准 TRIAC 调光器后 CFL 的调光效果通常(或根本)不佳。公平地说，早期的 LED 灯具并非十全十美。有些产品发出的光不够柔和悦目，有些使用寿命没有广告上说的那么长，还有些调光效果不太好。不过，目前这已在很大程度上得到了改进，因为灯具制造商和电子产品供应商为了达到能源之星 (EnergyStar) 标准，已解决了许多这样的问题。

那么，为什么 LED灯具还那么贵呢?和任何新技术一样，初始成本往往很高，但随着商品化程度的提升，成本就会迅速降低。白炽灯已经存在了 100 多年，而照明级 LED 问世尚不足 10 年。虽然白炽灯和 LED 灯的外观可能相似，但它们的内部却有很大的不同。白炽灯将灯丝通电产生光。灯丝是电阻性负载，加热到白炽状态即可产生可见光。当 P = I2R 时，增加或减少到灯丝的 RMS 电流就可以增加或减少亮度，从而形成了一个非常简单的光源，该光源的亮度很容易通过简单的相位切换技术(如 TRIAC 调光器采用的技术)进行控制。

另一方面，LED 灯则是包含电子和机械零部件的一个复杂组合：LED、光扩散板、散热片和一个开关模式的电源 (SMPS)，该电源可将 50Hz 至 60Hz 的交流电 (AC) 转换成适合 LED 使用的恒定直流电 (DC)。无需多费脑筋就能想到这会比白炽灯更贵 —— 而且贵得多。

当前的挑战是如何在不影响质量的前提下降低 LED灯具的生产成本。LED 组件制造商正在尽自己的一份力量。每一代新型 LED 芯片的出现都使 LED 的发光效率有所提高。与此同时，LED芯片的价格却在下降。更低的功耗即可发出同样的光量，这意味着 LED 中被转化成热量浪费掉的能量减少了。次要影响是，更高效的 LED 还可降低散热要求，减小灯具内热管理所需的导热材料体积。更少的材料意味着更少的成本。最后是 LED 灯具电子产品。而今，要把电源 AC 电流转化为 LED 所需要的恒定 DC 电流，可用 SMPS 来实现。常见的拓扑结构有反激式结构和降压式机构。图 2 展示了一个简化的降压 SMPS。基本元件包括：一个整流器、能量缓冲级器件、一个电感器、一个 MOSFET 和一个由脉冲宽度调制器 (PWM) 组成的 IC。对于低功率级应用，可将 PWM 和 MOSFET 组合成一个单一的 IC 封装，以减小体积从而节省空间。为基于 LED 的灯具设计一个合适的 SMPS 要考虑的一些因素包括：功率因数 (PF)、低总谐波失真 (THD)、低电磁干扰 (EMI) 和相位调光能力。