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【摘 要】因良好的发光效率和节能特性，LED节能灯已逐渐在家庭和工业照明中开始普及。本文将探讨如何在保证照明质量的前提下，通过合适的材料选取和电路设计，使制造出来的LED节能灯具工作更高效、节能、环保。
【关键词】LED节能灯；材料；设计；电子镇流器
【中图分类号】TM923.3 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0063-01
1 LED节能灯电子镇流器的设计
1.1 提高线路功率因数
较低的线路功率因素会有以下不良影响 ：（1）增加线路上的电压损失，降低了电压质量；（2）降低发、供电设备的有效利用率；（3）增加电路的投资费用和电能的损耗。解决办法：采用PFC电路，如ST-6560、IR-2157电路等，形成功率因数补偿电路，增大整流二极管的导通角，抑制电源电流的波形畸变，来提高线路功率因数。
1.2 降低谐波危害
谐波电流对公用电网是一种污染，它会使用电设备所处的环境恶化：（1）使电网元件产生附加的谐波损耗，降低了发、供电设备的效率；（2）启动时容易使浪涌电流增大，导致电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短 ；（3）大量谐波流过时会导致线路过热，甚至引发安全事故。
解决办法：安装EMI滤波器，保证EMI滤波器的谐振频率低于电子镇流器的工作频率，防止磁饱和，在此前提下，可以有效抑制干擾信号；安装APFC滤波器，它能从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该电流同大小反方向的电流，从而降低谐波分量。
1.3 做好电子镇流器与灯管的匹配
电子镇流器是灯管的启动限流装置，必须做好镇流器与灯管二者的匹配，才能保证LED节能灯能长期稳定地工作在最佳状态。（1）功率要匹配。所使用的灯管的瓦数不应超过电子镇流器的标签上的功率范围，以提供大小合适且稳定的工作电流。否则容易使流过电灯的电流过大降低灯管寿命，或电流太小影响光照效果；（2）适当选择启动电容。合适的启动电容，能保证合适的启动电压。启动电容太小，容易使灯丝预热不足，会造成灯管的早期发黑，减少使用寿命；启动电容太大，容易使电流分流过多，影响照明效果；（3）电感元件的选取要合适。电感的品质因数也是影响电子镇流器与灯管匹配的重要因素。品质因数过小，会影响电能的转换效率；品质因数过大，容易造成回路工作不稳定。一般来说，电感的品质因数选取在8～10较为合适；（4）工作频率不宜过高。否则容易导致灯管过载，阴极过热，光衰加快，同时也会使电子镇流器的负载加重，温度过高，降低工作效率；（5）按灯管参数（灯电压、灯电流、冷阻等）设计镇流器。否则，如果镇流器灯电压、灯电流的选用限值过低，易被灯管工作时产生的瞬时过电流脉冲损坏。
1.4 设计预热启动电路
若灯管启动时没有充分预热，在辉光放电阶段，会造成灯管阴极发射物质的大量溅射，在多次启动后，灯管顶部会出现发黑现象，影响使用寿命，因此设计预热启动电路显的很有必要。可以通过在谐振电容上并接PTC热敏电阻来实现，这是因为：常温下，PTC阻值较小，通电后灯管两端的电压小于灯管的启动电压，灯不能点亮。在预热过程中，LC谐振电路产生的谐振电流流经PTC热敏电阻，使其阻值增大，近似开路状态，完成了预热过程，灯管的损耗也相当小。选取PTC热敏电阻时，为使预热时间和预热电流达到需要的标准，应选用阻温特性曲线较陡的电阻。
1.5 设计异常状态保护电路
异常状态保护电路的控制原理是：当灯管出现异常时，快速、准确地关闭镇流器振荡电路或切断主电路的电源，保证电路的安全性，防止烧坏元件。可以采用继电器作为异常状态保护电路的控制元件。当灯管异常时，电路中电容两端电压升高，使继电器吸合，常闭触点断开，切断主电路的电源，起到异常保护作用。但应注意选用密封式继电器，防止继电器触点动作时产生明火。
2 LED节能灯关键器件的选用2.1 毛管玻璃的选用
首先，要选用光通维持率高的毛管玻璃。光通维持率是毛管的重要技术指标，是灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，在很大程度上决定了LED节能灯的效能和寿命长短。根据美国“能源之星”的标准，要求LED节能灯燃点至有效寿命40%时，其光通量不得小于额定值的80%。从用材上来看，好的毛管采用的是低钠无铅玻璃，比常用的含铅玻璃更环保，光通维持率高。也应考虑灯管的耐寒耐热的性能，防止出现低温时启动困难，高温时发热烧坏电子镇流器的现象。
其次，在选取荧光粉时，应选择稀土三基色荧光粉（即俗称的三基色粉），避免选择卤磷酸钙荧光粉（即俗称的卤粉）。因为卤粉的热稳定性差，光效低，光衰大，实际上根本达不到“节能”的效果；三基色粉则具有抗紫外线老化、高光效、高显色性等优点。关于三基色粉的品质分选，则可以通过选取验钞照射下发光度强的品种实现。
第三，积极开发无汞毛管。目前我国大部分LED节能灯属于低压汞蒸汽放电灯，灯内含有气态汞，一旦发生泄漏，可能会污染环境，危害人体。因此，在大力提倡回收废弃灯具的同时，也应积极发展无汞灯具，从源头保证绿色无害。
2.2 电子镇流器主要材料的选用
磁性元件在LED节能灯的应用主要有EMI滤波电感器、脉冲变压器等。为了减少磁性元件磁芯的损耗，选用的磁性材料的电阻率应较大，可以降低磁性工作时的损耗；居里温度应该较高，可以防止工作时出现磁饱和和过热现象。锰锌铁氧体的电阻率为10～108Ω·cm，超过普通铁磁材料107～1014倍，初始磁导率从为2500～15000，居里温度在110～230之间，工作频率最高可以达到1MHz。因此锰锌铁氧体材料适合作磁芯。
对EMI滤波电感器和脉冲变压器来说，要求其磁导率或线圈电感量随温度升高而下降，与晶体管的正温度系数相抵消后，可以保证电子镇流器稳定工作，因此选用负温度功率损耗的磁性材料较好；而正温度损耗的材料，如TP类材料适合用于扼流圈，因为扼流圈的电感随着温度升高而增加，从而使LED节能灯的功率随温度升高而减小。
2.3 安全性能材料的选用
（1）温度保险丝。在电路电流过大、短路等情况下，温度保险丝可以迅速将电路和电源断开，防止元件过热造成燃烧。在首次使用LED节能灯时，电源对电容的充电电流相当大，因此，一般要选用慢断型保险丝。
（2）塑料外壳。一般情况下，应保证外壳的良好散热性，可以通过在塑壳上加工部分细缝来实现。另外，外壳应采用具有阻燃性能，耐热温度达120℃以上的塑件、电感骨架等，杜绝意外事故的发生。塑料外壳在长时间的工作后会产生发黄的现象，其最主要的原因是由于紫外线的影响。因为在灯具点燃的过程中，灯管内会产生部分紫外线，塑料部分在紫外线的辐射影响下会产生色变（发黄）。虽然目前很难彻底杜绝这种现象，但可以通过在塑料中加入抗紫外线的材质形成改性塑料，如PBT型，能一定程度上缓解其发黄的现象。
（3）灯头部分。普通廉价的LED节能灯一般采用铁镀镍或铝镀镍灯头，但其硬度和抗腐蚀能力不如铜镀镍材料的灯头。铜镀镍的灯头硬度高，不易生锈，使用寿命长，即使在潮湿的地区长期使用也不容易导致漏电事故。现在也逐渐趋向使用带瓷帽的环保型铜镀镍灯头。
3 结束语
通过合理选材，精心布线等科学照明设计，制造性能优良的LED节能灯具，提高LED节能灯的照明质量，保护照明环境，达到节能降耗的目的，真正实现传输效率高、电能损耗小、性能安全可靠的“绿色照明”，对社会科学的发展具有重大积极的意义。
【关键词】LED节能灯；材料；设计；电子镇流器
【中图分类号】TM923.3 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0063-01
1 LED节能灯电子镇流器的设计
1.1 提高线路功率因数
较低的线路功率因素会有以下不良影响 ：（1）增加线路上的电压损失，降低了电压质量；（2）降低发、供电设备的有效利用率；（3）增加电路的投资费用和电能的损耗。解决办法：采用PFC电路，如ST-6560、IR-2157电路等，形成功率因数补偿电路，增大整流二极管的导通角，抑制电源电流的波形畸变，来提高线路功率因数。
1.2 降低谐波危害
谐波电流对公用电网是一种污染，它会使用电设备所处的环境恶化：（1）使电网元件产生附加的谐波损耗，降低了发、供电设备的效率；（2）启动时容易使浪涌电流增大，导致电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短 ；（3）大量谐波流过时会导致线路过热，甚至引发安全事故。
解决办法：安装EMI滤波器，保证EMI滤波器的谐振频率低于电子镇流器的工作频率，防止磁饱和，在此前提下，可以有效抑制干擾信号；安装APFC滤波器，它能从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该电流同大小反方向的电流，从而降低谐波分量。
1.3 做好电子镇流器与灯管的匹配
电子镇流器是灯管的启动限流装置，必须做好镇流器与灯管二者的匹配，才能保证LED节能灯能长期稳定地工作在最佳状态。（1）功率要匹配。所使用的灯管的瓦数不应超过电子镇流器的标签上的功率范围，以提供大小合适且稳定的工作电流。否则容易使流过电灯的电流过大降低灯管寿命，或电流太小影响光照效果；（2）适当选择启动电容。合适的启动电容，能保证合适的启动电压。启动电容太小，容易使灯丝预热不足，会造成灯管的早期发黑，减少使用寿命；启动电容太大，容易使电流分流过多，影响照明效果；（3）电感元件的选取要合适。电感的品质因数也是影响电子镇流器与灯管匹配的重要因素。品质因数过小，会影响电能的转换效率；品质因数过大，容易造成回路工作不稳定。一般来说，电感的品质因数选取在8～10较为合适；（4）工作频率不宜过高。否则容易导致灯管过载，阴极过热，光衰加快，同时也会使电子镇流器的负载加重，温度过高，降低工作效率；（5）按灯管参数（灯电压、灯电流、冷阻等）设计镇流器。否则，如果镇流器灯电压、灯电流的选用限值过低，易被灯管工作时产生的瞬时过电流脉冲损坏。
1.4 设计预热启动电路
若灯管启动时没有充分预热，在辉光放电阶段，会造成灯管阴极发射物质的大量溅射，在多次启动后，灯管顶部会出现发黑现象，影响使用寿命，因此设计预热启动电路显的很有必要。可以通过在谐振电容上并接PTC热敏电阻来实现，这是因为：常温下，PTC阻值较小，通电后灯管两端的电压小于灯管的启动电压，灯不能点亮。在预热过程中，LC谐振电路产生的谐振电流流经PTC热敏电阻，使其阻值增大，近似开路状态，完成了预热过程，灯管的损耗也相当小。选取PTC热敏电阻时，为使预热时间和预热电流达到需要的标准，应选用阻温特性曲线较陡的电阻。
1.5 设计异常状态保护电路
异常状态保护电路的控制原理是：当灯管出现异常时，快速、准确地关闭镇流器振荡电路或切断主电路的电源，保证电路的安全性，防止烧坏元件。可以采用继电器作为异常状态保护电路的控制元件。当灯管异常时，电路中电容两端电压升高，使继电器吸合，常闭触点断开，切断主电路的电源，起到异常保护作用。但应注意选用密封式继电器，防止继电器触点动作时产生明火。
2 LED节能灯关键器件的选用2.1 毛管玻璃的选用
首先，要选用光通维持率高的毛管玻璃。光通维持率是毛管的重要技术指标，是灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，在很大程度上决定了LED节能灯的效能和寿命长短。根据美国“能源之星”的标准，要求LED节能灯燃点至有效寿命40%时，其光通量不得小于额定值的80%。从用材上来看，好的毛管采用的是低钠无铅玻璃，比常用的含铅玻璃更环保，光通维持率高。也应考虑灯管的耐寒耐热的性能，防止出现低温时启动困难，高温时发热烧坏电子镇流器的现象。
其次，在选取荧光粉时，应选择稀土三基色荧光粉（即俗称的三基色粉），避免选择卤磷酸钙荧光粉（即俗称的卤粉）。因为卤粉的热稳定性差，光效低，光衰大，实际上根本达不到“节能”的效果；三基色粉则具有抗紫外线老化、高光效、高显色性等优点。关于三基色粉的品质分选，则可以通过选取验钞照射下发光度强的品种实现。
第三，积极开发无汞毛管。目前我国大部分LED节能灯属于低压汞蒸汽放电灯，灯内含有气态汞，一旦发生泄漏，可能会污染环境，危害人体。因此，在大力提倡回收废弃灯具的同时，也应积极发展无汞灯具，从源头保证绿色无害。
2.2 电子镇流器主要材料的选用
磁性元件在LED节能灯的应用主要有EMI滤波电感器、脉冲变压器等。为了减少磁性元件磁芯的损耗，选用的磁性材料的电阻率应较大，可以降低磁性工作时的损耗；居里温度应该较高，可以防止工作时出现磁饱和和过热现象。锰锌铁氧体的电阻率为10～108Ω·cm，超过普通铁磁材料107～1014倍，初始磁导率从为2500～15000，居里温度在110～230之间，工作频率最高可以达到1MHz。因此锰锌铁氧体材料适合作磁芯。
对EMI滤波电感器和脉冲变压器来说，要求其磁导率或线圈电感量随温度升高而下降，与晶体管的正温度系数相抵消后，可以保证电子镇流器稳定工作，因此选用负温度功率损耗的磁性材料较好；而正温度损耗的材料，如TP类材料适合用于扼流圈，因为扼流圈的电感随着温度升高而增加，从而使LED节能灯的功率随温度升高而减小。
2.3 安全性能材料的选用
（1）温度保险丝。在电路电流过大、短路等情况下，温度保险丝可以迅速将电路和电源断开，防止元件过热造成燃烧。在首次使用LED节能灯时，电源对电容的充电电流相当大，因此，一般要选用慢断型保险丝。
（2）塑料外壳。一般情况下，应保证外壳的良好散热性，可以通过在塑壳上加工部分细缝来实现。另外，外壳应采用具有阻燃性能，耐热温度达120℃以上的塑件、电感骨架等，杜绝意外事故的发生。塑料外壳在长时间的工作后会产生发黄的现象，其最主要的原因是由于紫外线的影响。因为在灯具点燃的过程中，灯管内会产生部分紫外线，塑料部分在紫外线的辐射影响下会产生色变（发黄）。虽然目前很难彻底杜绝这种现象，但可以通过在塑料中加入抗紫外线的材质形成改性塑料，如PBT型，能一定程度上缓解其发黄的现象。
（3）灯头部分。普通廉价的LED节能灯一般采用铁镀镍或铝镀镍灯头，但其硬度和抗腐蚀能力不如铜镀镍材料的灯头。铜镀镍的灯头硬度高，不易生锈，使用寿命长，即使在潮湿的地区长期使用也不容易导致漏电事故。现在也逐渐趋向使用带瓷帽的环保型铜镀镍灯头。
3 结束语
通过合理选材，精心布线等科学照明设计，制造性能优良的LED节能灯具，提高LED节能灯的照明质量，保护照明环境，达到节能降耗的目的，真正实现传输效率高、电能损耗小、性能安全可靠的“绿色照明”，对社会科学的发展具有重大积极的意义。