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电路荧光灯光源电子技术推动照明产业进入崭新阶段

与现代电子产业不同,照明是一个十分古老而又传统的行业。大约1万5年前,法国Lascaux岩洞中出现了利用动物油脂燃烧照明的方法,标志着人类开始有意识的照明。而在1879年美国发明家托马斯•爱迪生发明真空白炽灯后,人类社会正式进入电气照明时代。


时至今日,照明方案已经非常多元化。中国照明行业的发展根据照明方案出现的时间大体可以分为四个阶段,第一阶段为最早出现的真空或惰性气体保护的金属高温辐射发光照明,以白炽灯为代表;第二阶段为低压气体放电照明,如荧光灯,霓虹灯等;第三阶段为高强度气体放电照明,如高压汞灯,高压钠灯、金属卤化物灯等;第四阶段为半导体固体照明,如LED和OLED等。


白炽灯历经辉煌,最终由于光效无法提高,被各国列入计划逐渐淘汰。低压气体放电和高强度气体放电方案由于光效不断提高或具有显色性好、单位流明成本低等优势成为近几年照明的主流。而LED和OLED固体照明方案的出现又将人类的照明水平提升至一个新的阶段。照明方案不断发展演变的过程就是人们不断提高光效率、改善显色性、提高使用寿命的过程,也是人类不断创新和挑战极限的过程。


20世纪80年代末期以前,我国的照明灯具需求基本处于白炽灯阶段。随着电子元器件产业发展,从20世纪90年代初期开始,对照明灯具外观造型与光源颜色多样化,以及节能意识增强,具有更高光效和光色的低压气体放电等(如荧光灯和节能灯)在家庭和公共场所广为应用,而高强度气体放电灯(高压汞灯、高压钠灯等)由于光效高、功率大等特点在室外(路灯,广场照明)得以普及。21世纪初,随着半导体技术发展,人们对环境保护意识增强,新型光源,节能、长寿命、无污染的LED照明渐渐成为一种趋势。


电子技术推动几代照明方案进步


第一代白炽灯采用工频电源供电,不需要驱动电路,因此对电子元件的依赖性较弱。低压气体放电灯、高强度气体放电灯及LED发光方案均需要驱动电路提供电源管理,因此对驱动IC及电子元件非常依赖。而不同的驱动方式也严重影响各种照明方案的使用效果。


对于典型的低压气体放电灯如荧光灯,传统的驱动方式采用电感整流器,存在明显频闪、功率系数低等问题;在采用电子镇流器的驱动方式后,不仅彻底的消除频闪,而且大幅度提高功率系数、延长灯管使用寿命并提高灯管的光效,同时还可以方便光通量调节,镇流器自身的能耗降低50%以上。


在此过程中,微芯、恩智浦等许多IC厂家提供的诸如IRS2530D、UBA2014等驱动IC起到重要的作用。这些驱动IC促进着传统的荧光灯的进步。近些年,荧光灯的光效和寿命不断提高,例如飞利浦T5荧光灯结合驱动电路,已经能够达到103Lm/W的光效,寿命达到1.5万小时,加之荧光灯好的显色性和低成本,这些进步大大提高荧光灯的竞争力,延长了荧光灯生命周期。当然分离器件也扮演者重要的角色,如延时启动PTC有效的提高了荧光灯管的使用寿命,而高分子PTC也常用在电子整流器电路中防止灯管去激活时整流器被烧毁。


高强度气体放电灯如高压钠灯和金卤灯具有高的点火电压(4~5KV)和负电阻特性,因此需要适当的电源管理方案才能正常工作,传统的电感整流器不能满足使用要求。如国际整流器公司和飞利浦半导体等公司提供的IRS2453D好、UAB2032等IC就是比较好的驱动模块。


LED是一种新型非线伏安特性元件,对驱动电路要求较高。通常在电路设计过程中要考虑恒流输出电路、发热散热平衡、驱动电路的功率因数、效率、电路的过流和浪涌及静电过压防护等要求。由于电压波动会导致流经LED的电流快速变化,而光通量与电流接近成正比,电流不稳定将直接影响发光亮度的稳定性,因此LED通常需要恒流驱动。


LED节温与发光效率和温度密切相关,由于电能转化效率偏低(在20%左右),因此容易产生节温偏高的问题。在节温偏高或环境温度偏高时,驱动或保护电路最好能够有补偿措施减少流过LED的电流,以降低发热功率,保证LED寿命。同样浪涌或静电放电均会破坏LED,使LED光强发生变化或直接报废。


广大IC制造商,如意法、美安森、恩智浦、国家半导体、德州仪器和ST微电子等都推出自己的LED驱动IC,让LED驱动电路的设计有了更大的选择余地。这些公司的介入使LED的潜能得以充分发挥,并把固体照明快速推向市场前沿。


未来照明发展离不开电子产业支持


完全靠高温辐射发光的第一代照明光源已经没落,无法改变被淘汰的命运。而低压气体放电照明正向小管径/高驱动电压的方向发展,这即可节约材料降低成本,同时还可以提高光效。同时由于发光材料及驱动IC的不断改进,使得这类光源的光效不断提高,T5等的综合光效已可达到100Lm/W以上,加之显色性好、成本低的特点,3~5年内在室内照明等领域仍然有很强的生命力。


高强度气体放电照明光源也不断推陈出新,如高压钠灯和金卤灯已开始替代卤素灯。这类光源具有功率大,色温高(在雨雾天气穿透性强),光效高的特点(可到120Lm/W以上),配合驱动IC后寿命可达1万小时以上,因此在广场照明/汽车大灯等领域有竞争优势。


固体照明光源理论上具有节能/寿命长/无污染/耐震动等优点,但目前白光LED的光效并不突出(一般在80~100Lm/W),电能利用率也不高(转化率在20%左右),驱动电路复杂/功耗偏高,单位流明成本过高等缺点,因此要想大范围推广还要时间。但我们已经看到,在所有照明光源的发展进程中,LED的光效及寿命的提高速度是最快的,预计在接下来的几年中商用白光LED的光效可达到150Lm/W或更高,成为光效最高,寿命最长的光源之一。


要充分发挥LED的潜能,灯具和驱动电路是必不可少的两个支撑,而IC的设计将成为驱动电路的核心。LED作为一种新型光源,节能、长寿命、无污染将成为未来照明产业的发展趋势,半导体/电子元器件产业的发展将直接带动LED芯片、驱动电源及线路保护器件等产品与技术的发展。


实用的电路温度保护方案


在低压气体放电照明中,PTC热敏电阻元件常被用在荧光灯电子整流器中,保证灯管去激活时整流器不会损坏。在高压气体放电照明电路中,PTC常用于电源模块,防止过载或过热时电源模块损坏。对于固体发光LED来说,温度是影响LED使用寿命的关键要素。


当LED采用恒压驱动模式时容易产生电流过大或环境温度过高使LED节温高于设计温度的问题,在这样的设计中串联PPTC热敏电阻可以起到限制电流的作用。当LED中的电流过大或温度过高时,PPTC电阻可以限制电流的增加并降低LED节温,提高LED的使用寿命,这是非常实用和廉价的方案。


科特公司是电路保护元器件及电路保护方案的供应商,产品可划分为过流防护和过压防护元件两个方向。目前科特主要提供过流/过温保护PTC热敏电阻和PESD静电抑制器,另外PESD静电抑制器也可以与LED并联,保护LED不受脉冲电流的损害。未来,科特公司将开发更多系列温度敏感元件,可帮助荧光灯和LED等照明电路更精准的根据工作温度调整输出功率或提供电路保护功能,以延长光源的使用寿命,避免提前损坏。

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