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首选LED照明的5个理由
材料来源:飞兆半导体           录入时间:2015/9/17 15:40:07

首选LED照明的5个理由

作者:Raymond Oakley、Brian Johnson、Richard Chung,飞兆半导体

仅仅几年前,还很难客观地比较传统照明解决方案和LED照明解决方案。但随着LED技术的进步、各种标准被供应商采纳、总拥有成本的降低以及使用寿命和质量保证的说明更加清晰,比较两种方案和选择替换方案越来越容易了。目前,依据LED照明的优势做出明智的决定更加容易了。

采用LED照明的否定理由和阻碍已经更少了。过去几年中,LED的颜色和色温质量已显著提高,并成为主流。Lighting Facts®标签减少了选择LED灯具时的猜测工作。考虑到总拥有成本,初始定价也是合理的。选择好LED驱动器的结构有助于延长LED寿命、质保期并降低了更换的频率。本文将介绍采用LED照明的5个主要理由。

理由1LED质量已经提高了

LED在照明质量上已取得显著进步。几年前,LED可选颜色主要是明亮白色,通常称为色温标上的日光色,这是因为白色LED是最常用的颜色。除非用于存储区域、车库、医院或仓库,照明设计师和消费者不会认真考虑在所有照明应用中采用LED灯具。照明设计师和消费者知道其低用电量以及因低用电量而节省的金钱,但白色LED灯具有时不能营造某些空间需要的温暖或可调色氛围。最近光和热设计中的LED技术趋势展现了巨大的进步。LED灯具能够营造暖色调到冷色调,可复制类似传统灯泡和照明灯具的颜色质量(色度)和光输出(流明或坎德拉)。LED技术已经发展到新的照明应用,在选择照明灯具时,消费者在颜色、色温和灯泡形状或风格方面有了新的选择。

理由2:已有多种标准和Lighting Facts®标签,减少了购买时的猜测工作

几年前,购买LED灯时需要采用试错法。流程如下:如果相信LED灯适合您的计划空间,根据包装上有限的信息购买LED灯;将LED灯安装到您的应用空间;判断照明体验是否比以前的照明解决方案更好,或者确定是否更换为其他形式的照明更有吸引力,比如,换成卤素、荧光灯,或者继续使用白炽灯等。反复采用试错法,然后采购下一批LED灯具进行尝试。试错法到最后通常是以消费者对整个体验感到失望而结束。

最近,Lighting Facts标签使得确定LED灯合适与否变得更明确、更容易,无需过多试错[1]。美国能源部正在帮助消费者更好地了解LED照明。LED Lighting Facts®标签是美国能源部项目的一部分,用于LED通用照明产品,这些产品由根据行业标准测试和报告性能结果的制造商提供。通过该标签,可以更容易地比较不同制造商的产品的等级。图1显示了一个示例标签。

1. LED Lighting Facts®标准标签

照明设计师或消费者该如何理解包装上的声明?如图1所示的LED Lighting Facts®标签包含以下有用信息:光输出流明告诉我们LED灯产生的光通量,相关色温(CCT)说明我们多么接近以前被替代的灯具——LED灯是看起来像古老的白炽灯,还是更像古老办公楼中的荧光灯?如果包装上不存在Lighting Facts®标签,联邦贸易委员会(FTC)标签也可以为买家提供帮助。若需要计算投资回报率,作为买家的您还可以考虑其他几个因素。

理由3:更低的总拥有成本

制冷、采暖和照明一直是商用和住宅建筑中的耗能大项[2]。当照明设计师确定最佳灯具时或当消费者站在照明设备区前选择下一个照明项目时,更换或拥有成本权衡可能是最关键的决定标准。因为基于LED的解决方案的初始成本大概会高3至10倍,那么基于LED的解决方案与传统照明灯具相比,有哪些明显的优势呢?

更换为LED灯具的省电和回本时间最短可为一年。假定10.5W基于LED的A19灯泡具有与60W白炽灯相当的照明质量和光通量输出。比较LED解决方案与白炽灯解决方案的能源成本,它们每天3小时的用量和每千瓦时0.11美元分别相当于1.26美元和7.20美元能源成本。不相信?如果节能还不够,请考虑下更换成本。

您家最后一个白炽灯是什么时候坏掉的?这就是说,可能是往返商店一个小时的往返行程加上运输成本。在这期间,您的情绪状态是怎样的?您的时间(和情绪状态)值多少钱?您甚至是否能够理解白炽灯更换是考虑到逐步淘汰法规的?CFL(荧光灯)替代成本低于LED灯成本,但其成本仍高于白炽灯,并且CFL灯质量不是很理想。CFL还存在可靠性方面的问题。

假设自由时间至少值10美元每小时。如果您开车,这次出行可能需要用掉1加仑汽油,价格是3.40美元,还要加上汽车的磨损。最后,考虑LED灯具的长寿命优势。除了减少到灯具商店的次数外,最近购买的A19 LED灯具还在包装上有这样的声明:

·         “可持续使用18.3年”:18.3年是指按每天用灯3小时,1周7天计算,根据工程测试和概率分析得到的额定平均寿命。

·         3年保修声明:灯泡在工作3年内不会有材料和制造工艺方面的缺陷。

在夏季需要冷却散热的时候,比较10.5W LED灯与60W的白炽灯的冷却成本。由于仅需散掉1/6的热量,因此能够降低耗电率,这进一步证明了LED投资的合理性。

理由45LED的长寿命保证与LED驱动器的进步

长寿命是LED的固有属性,因为LED是半导体器件,而半导体的失效率相当小。3至5年的有限保修声明可能需要评估支付退换货成本的风险。这些声明依据用于获得产品可靠性信息的寿命试验。Lighting Facts®标签使用IESNALM-79行业标准来量化LED性能。

然而,制造商选择的LED驱动器以及用于将交流输入电压转换为LED所用直流电压的电子器件会影响3至5年甚至10年的保修声明。

尽管无法替代应用环境中的实际LED驱动器故障率测试,还是有一种方法可用来预估所选LED驱动器对3至5年最多10年保修期的影响。平均故障时间(MTTF)就是这种方法,可用于分析不可修复器件(如A19灯泡,一旦故障就得丢弃)的可靠性[3]。了解MTTF可以帮助制造商确定保修期。计算或测得的MTTF值以及客户每年的LED灯使用率都是确定保修期的因素。参考文献3中定义的故障是指驱动器停止工作。下面的分析中没有考虑LED灯、光学器件、LED、连接器、电线等中的其他组件,但它们在计算保修期时扮演同样重要的角色。故障可能包括色偏或额定色衰,但未在该分析中说明。

有几种方法可用来预测MTTF,第一种方式是总故障率。以单个驱动器的故障率作为各部件故障率之和。然后,该总故障率可转换为产品的MTBF或MTTF,其原本是基于MIL-HDBK-217F的。选择LED驱动器可靠性预测的方法是Siemens SN29500。该方法采用的就是总故障率。故障率是以比MIL-HDBK-271F中数据更新的数据为基础。

更换灯泡中常用的LED驱动器是带有功率因数校正的初级端调节(PSR)反激式拓扑。典型的示例驱动器是如图2所示的FL7733A。

2. 带有功率因数校正功能的初级端调节LED驱动器

该PSR拓扑的优势在于它提供隔离,从而实现最低BOM(材料成本),它不需要次级反激式反馈环路来调节LED灯串中的输出电流——它无需使用光绝缘器、基准、其他电阻和电容器这些会提高LED驱动器故障率的器件。PSR技术能够实现<±3%的恒流精度。PSR控制器还包括功率因数(PF)校正,在90Vac至277Vac的通用工作输入电压范围内实现>0.9PF且<10%的总谐波失真。包括功率因数校正,还帮助去掉了要求PF>0.9的产品所需的组件。集成启动电路还有助于减少组件数量,从而降低故障率。

现在,我们来考虑一下三年保修期内PSR反激式LED驱动器的预计故障总数。计算得到的PSR反激式拓扑的FIT率是227.1[4]。假设制造商将出售100,000个LED灯泡。

假设100小时POH/每月。

一个月,

三年,

预计三年中,在总共售出的100,000个LED灯泡中,故障数为82个灯泡。预计五年中,故障灯泡数为136,仍然是比较低的故障数,那么在将保修期延长至10年时,故障灯泡数将是272,这是潜在的更换成本。应该进行寿命测试,以与结果关联。

理论上说必须知道所有驱动器的总运行时间才能计算MTTF。但是这种期望是不现实的,因为保修期必须在所有产品售出前就设定好,因此寿命测试用于估计MTTF。寿命测试使用20个或更多个产品来累计总运行时间。

LED驱动器拓扑的选择确实是确保保修期成功的一个因素。关键是选择具有最低BOM数量和合理组件应力,但仍能达到LED灯具性能目标的拓扑。LED驱动器设计人员可在交流到直流非隔离PFC降压拓扑、PSRPFC反激式解决方案、单级PFC反激式解决方案、或二级方案之间进行选择。将二级方案中的控制器与集成式MOSFET相结合可有效减少BOM,使用部件计数方法可以得到更好的MTTF。

想想入口灯或者距离地板20英尺高的楼梯上方的灯——最大程度地减少上下起伏,以及使用梯子的潜在危险。仍然需要采用试错法来选择照明灯具,但是通过在包装上注明流明、CCT和CRI数值,可以简化流程。具有更佳照明质量的灯具、标准化标签以及评估更换和拥有权衡的总成本都使得在选用LED灯具时的考虑更加容易。有关考虑何时使用LED照明的其他技术理由,请参考白皮书“目前低功率LED照明解决方案”。[5]

参考文献

[1] Lighting Facts web site, http://www.lightingfacts.com/

[2] U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.  “Energy Efficiency Trends in Residential and Commercial Buildings, 2008”. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/corporate/bt_stateindustry.pdf

[3] Raymound A. Oakley, “What Every LED Engineer Needs to Know About MTBF” http://www.fairchildsemi.com/campaigns/led-lighting-mtbf-white-paper

[4] How Reliable Is Your LED Driver Topology? A Look At Failure Rates Yields Some Clear Winners And Losers, http://blog.fairchildsemi.com/2012/how-reliable-is-your-led-driver-topology-a-look-at-failure-rates-yields-some-clear-winners-and-losers/#.VCmj7Pnwhws

[5] Brian Johnson and James Lee, “Solutions for Today’s Low-Power LED Lighting Trends,” http://www.fairchildsemi.com/ShoppingExperience/action/redirect?type=sc&url=/whitepapers/AEP2415_Low_Power_LED_Lighting.pdf


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