LED光引擎的冷熱光效圖文解析

我們都知道LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，半導(dǎo)體是一種熱敏器件，也就是說(shuō)它對(duì)于溫度是非常敏感的。或者說(shuō)溫度會(huì)直接影響它的性能和參數(shù)。作為一個(gè)電-光轉(zhuǎn)換器件它最重要的指標(biāo)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(fā)光效率），這個(gè)指標(biāo)代表了LED的最重要的質(zhì)量指標(biāo)。用戶也就是根據(jù)他所需要的光通量（流明數(shù)）來(lái)選用瓦數(shù)最小的LED。

然而雖然LED器件本身有一個(gè)光效，但是不等于用戶就能夠直接享用這個(gè)光效，因?yàn)榘堰@個(gè)LED器件組裝成為燈具就會(huì)損失一部分光效。我們先不考慮光罩的透光率（假定為100%，實(shí)際上通常在90%左右），而主要來(lái)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?shù)人都不會(huì)注意這兩種光效的區(qū)別，所以我們?cè)谶@里要先來(lái)討論冷光效和熱光效問(wèn)題。

簡(jiǎn)單地說(shuō)冷光效就是在LED光源處于室溫（25?C）時(shí)所測(cè)得的光效，而熱光效則是等LED光源熱穩(wěn)定以后所測(cè)得的光效。具體來(lái)說(shuō)，我們通常采用積分球來(lái)測(cè)LED光源的光效，那么在接通電源以后立刻測(cè)所得的光效就是冷光效（假定那時(shí)候的室溫就是25度），這個(gè)“立刻”大約在5秒以內(nèi)。而熱光效是至少要等半小時(shí)到3刻鐘以后才能達(dá)到熱平衡（或熱穩(wěn)定）。現(xiàn)在我們通常說(shuō)的光效都是冷光效，或者說(shuō)通常我們?cè)谕鈿ど匣蛲獍b上標(biāo)明的光效指標(biāo)大多數(shù)都是冷光效。

對(duì)于絕大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，他們關(guān)心的實(shí)際上主要是熱光效。因?yàn)長(zhǎng)ED照明都是會(huì)使用超過(guò)半小時(shí)的，遺憾的是，用戶只知道這個(gè)燈具的冷光效而不知道這個(gè)燈具的熱光效，這在某種意義上說(shuō)，這是一種無(wú)意的瞞騙消費(fèi)者的行為。

不管怎樣，我建議，今后都應(yīng)該以熱光效作為光效指標(biāo)，標(biāo)明在包裝盒上。

下面我們就來(lái)看一下冷光效和熱光效到底有多大的區(qū)別。我們?yōu)榱松钊肓私飧骷抑放频腖ED的PAR燈的冷熱光效的差別，特地到美國(guó)和日本去購(gòu)買(mǎi)了幾種知名品牌LEDPAR燈來(lái)進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，所得的結(jié)果如下表所示：

其中起始值是接通電源后立刻測(cè)量，終了值是指經(jīng)過(guò)半小時(shí)等待以后的測(cè)試值。

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

實(shí)際上半小時(shí)還沒(méi)有完全到達(dá)穩(wěn)定值，可能還需要三刻鐘或一小時(shí)才能真正穩(wěn)定。

由上表可得出如下結(jié)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(shí)際上是和LED的熱特性無(wú)關(guān)。

（4） 光效的差別則主要是由于LED結(jié)溫的升高所致。

（5）結(jié)溫升高是無(wú)法避免的，因?yàn)長(zhǎng)ED本身效率只有40%左右，其他都轉(zhuǎn)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(wěn)定值。但升高值的大小是和散熱器的好壞有關(guān)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(yīng)該盡可能地采用好的散熱器。

我們?yōu)槭裁匆貏e研究LED光引擎的冷熱光效呢，這是因?yàn)楣庖嬗衅涮厥庵?。所謂光引擎實(shí)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(lái)，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(fā)的熱量，也就會(huì)提高LED在熱穩(wěn)定以后的結(jié)溫。下面舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，目前市面上最常見(jiàn)的是一種無(wú)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(huì)有15%的輸入功率轉(zhuǎn)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(fā)光效率為40%，也就是只有3.4W的功率轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉猓€有5.1W的功率變成熱。本來(lái)鋁基板只要散這個(gè)5.1W的熱量，現(xiàn)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(méi)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(gè)鋁基板上的LED的環(huán)境溫度升高，結(jié)溫也隨著升高，其結(jié)果就是光效降低。

我們測(cè)試了一家深圳公司生產(chǎn)的60W無(wú)電解電容光引擎，以及埃菲萊公司生產(chǎn)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(wú)電解電容60W光引擎 埃菲萊公司有電解電容60W光引擎

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

 深圳某公司的無(wú)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(kāi)機(jī)的5780lm，在半小時(shí)以后下降到5120lm，大約下降了11.4%，而且從下降趨勢(shì)來(lái)看，還應(yīng)該會(huì)隨時(shí)間進(jìn)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?yàn)檫€采用了功率補(bǔ)償（見(jiàn)上圖），它的輸入功率在30分鐘內(nèi)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(wěn)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(biāo)稱光效是100lm/W，如果從冷光效來(lái)看，還是達(dá)到的，但是如果從熱光效來(lái)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(nèi)從62.53W下降到60.354W（更接近額定值60W），所以它的光效從一開(kāi)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(dāng)于LED的結(jié)溫從25度室溫上升到設(shè)計(jì)的額定值85度左右的結(jié)溫而引起的正常光效下降。這是因?yàn)榘７迫R公司的恒流源效率高達(dá)99%。所以把這么高效率的恒流源集成到鋁基板上是不會(huì)增加熱穩(wěn)定以后LED的結(jié)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(shuō)一下，我們?cè)谶@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(wú)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(gè)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(dá)595mil2，而且還是前者為大。而埃菲萊的熱光效的絕對(duì)數(shù)值也是高達(dá)107.48lm/W，遠(yuǎn)比該公司的86lm/W要高出25%之多。

雖然我們只測(cè)了某一家公司、某一種產(chǎn)品的冷熱光效的區(qū)別?？赡苡腥藭?huì)提出這是以點(diǎn)代面，不夠全面的意見(jiàn)。假如從數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度來(lái)說(shuō)的確是這樣，然而如果用數(shù)據(jù)的大致結(jié)果來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果是有很大代表性的。其實(shí)道理很簡(jiǎn)單，造成冷熱光效的區(qū)別的主要原因就是因?yàn)榘训托实暮懔髟醇傻搅撕凸庠丛谝黄鸬匿X基板上，這樣就造成了LED的結(jié)溫比沒(méi)有恒流源的結(jié)溫要高，所以它的熱光效就一定低。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，它的效率是有可能達(dá)到95%的，可是由于開(kāi)關(guān)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(dāng)然線性電源的種類(lèi)也有不少，現(xiàn)在用得最多的就是一種分段點(diǎn)亮的無(wú)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(wú)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(shí)都是在85%左右（見(jiàn)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(yīng)智能調(diào)節(jié)技術(shù)（埃菲萊的電源芯片稱為AICS，就是“自適應(yīng)智能電流源”的縮寫(xiě)），使得其效率高達(dá)99%（見(jiàn)下圖）。

埃菲萊恒流源的效率（藍(lán)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(hù)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(méi)有恒流源時(shí)一樣。

從這里我們得出一個(gè)重要的結(jié)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?yàn)楹懔髟吹牡托侍岣週ED的結(jié)溫而降低其熱光效。把效率低的恒流源集成到鋁基板的結(jié)果是提高了LED的結(jié)溫，從而降低了它的熱光效，而且這種冷熱光效的差別遠(yuǎn)大于普通LED燈具的差別，上面例子中差別高達(dá)15%以上。

所以我們更應(yīng)該要求所有使用光引擎的LED燈具生產(chǎn)廠家都應(yīng)該把熱光效標(biāo)明在產(chǎn)品的外包裝上。以免誤導(dǎo)消費(fèi)者。