前言

灯泡系列写了好几篇,已经聊过灯泡与『视觉』相关的诸多特性。
总之,『光谱』为根本,关注『色温』和『显色性』。
可是选灯泡除了要求光线质量之外,还要让看它是否省电,是否耐用。
本文聊的便是常见灯泡的发光效率、使用寿命、发热量以及驱动电路。
其中省电程度和发光效率直接相关,发热量和驱动电路(LED)影响使用寿命。
别着急,咱们一个一个来。

发光效率

发光效率,简称『光效』,光效越高,消耗同样的电量发出的光线越多,灯泡也就越亮。
光效一般用每瓦多少『流明』来表示,也就是『lm/W』。
流明是啥?它是『光通量』(Luminous Flux)的单位,用来衡量一个物体向四面八方射出的光线多少。
顺带一提,我们选灯泡时,应当看流明,而不是瓦数。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我光通量的图示,来源:urbanvelo.org

白炽灯、卤素灯利用『热辐射』发光,大部分电能变成热量散失掉,光效也就十几、二十几 lm/W。
荧光灯利用『气体放电』发光,再用荧光粉转换光线,光效可达 50 lm/W 以上。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我美国能源局统计的灯泡光效,来源:LED BASICS - DOE

LED 利用『电致发光』原理,电能损耗较小,光效很容易达到每瓦 100 流明甚至更高。
毫无疑问,在发光效率上,LED 可以轻易击败荧光灯,单手吊打白炽灯。
需要注意的是, LED 显色性与亮度之间存在平衡/折中(trade-off)关系,显色性的提高,往往带来发光效率的降低。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我同样材料制作的,相同色温的 LED 灯,高显色的那个光效较低,来源:《白光LED照明技术》 - 田民波、朱焰焰

发热量

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我各种灯泡的热像图,来源:lifx.com

在家用照明中,白炽灯的温度比荧光灯和 LED 的温度都要高,三者热量集中部位也稍有不同。
白炽灯和荧光灯集中在灯罩上,LED 则集中于外壳的下部。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我热像图,越红的地方越热,从左到右依次是 LED 、白炽灯、荧光灯,来源:www.rsc.org

LED 中温度最高的是元件的结合部位,通常位于外壳底部,一般而言,铜、铝和新型陶瓷材料导热性较佳。
灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我各种材料的热导率,越高散热能力越强,右边较高的几个是新型陶瓷材料,来源:《白光LED照明技术》 -田民波、朱焰焰

灯泡寿命

电子产品若是发热量大,散热不佳,内部的元件便容易故障,寿命自然长不了。
除了热量之外,灯泡寿命如何,归根到底还要看发光原理。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我几种常见灯泡的使用寿命,来源:HOW ENERGY-EFFICIENT LIGHT BULBS COMPARE WITH TRADITIONAL INCANDESCENTS - DOE

几种常见灯泡中,白炽灯寿命最短,卤素灯稍微长一些,荧光灯较长,LED 最长。

LED 的驱动电路

你为什么买 LED?听说寿命长,可是为什么买了一颗,不到半年便嗝屁,说好的上万小时呢?
其实 LED 之所以英年早逝,多半不是 LED 发光芯片有毛病,而是驱动电路出了问题。
普通照明 LED 的驱动电路是指市电与 LED 芯片之间的『电流转换』和『控制装置』,也称『驱动器』或『驱动电源』。
与电视机、电脑等电源概念一样,作用都是为设备提供适当的恒定电流和工作电压。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我中间那块电路板就是驱动部件,来源:mashable.com

LED 芯片本身的寿命往往长达几万小时,但有时八九千小时就不错了,主因之一便是驱动器寿命与 LED 寿命的不匹配,具体来说就是:
一,使用了品质较低的电子元件,如额定工作温度较低的电容,精度较低的电阻。
二,没有电路保护元件,没有过电压、欠电压、过电流、短路和过温度等保护功能。
坊间常谓电解电容是祸根,实际上电解电容也有品质之别,不能一概而论。

驱动器的类型

LED 的驱动器很有多种,首先可分为是『交流驱动』和『直流驱动』,其中直流驱动最为普遍,而直流驱动之中又可分为『恒压型』、『限流型』、『恒流型』和『脉冲型』。
坊间常说的『阻容』驱动,应该是属于『恒压型』,『线性』驱动和『开关』驱动则属于『恒流型』。
从技术上来讲,『开关恒流』驱动方式在多数项目上优于『阻容降压』和『线性恒流』,但成本较高,一般只用在少数高端灯泡上。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我多种 LED 驱动方式的对比(其中没有恒压),来源:《LED 驱动方式分析及性能比较》 - 巢时斌

市面上不少 LED 灯都用阻容驱动,但这种方式效率较低,在电阻上消耗的电能甚至有可能超过 LED 芯片,而且电压若是不稳定,LED 的亮度也可能不稳定。
阻容驱动的优势大概只有成本低,尺寸小。

如果辨别驱动器类型?

驱动器上有各式电子元件,常人即便拆开 LED 灯的外壳,也很难辨别 LED 驱动器的类型。
不过从我观察来看,阻容驱动体积相对较小,元件相对较少,最为显著的就是上面的『电解电容』和『薄膜电容』。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我一个低端 LED 灯泡的拆解图,绿色那个是『电解电容』,红色那个是『薄膜电容』,来源:谷歌检索

恒流驱动(如开关恒流)体积相对较大,元件相对较多,一般带有金属线圈绕制而成的『电感』或『变压器』。

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我恒流驱动板,箭头指示处是『变压器』,来源:inventronics-co.com

灯泡系列:光效、寿命、热量和驱动电路-器物与我恒流驱动板,箭头指示处是『电感』,来源:theledart.com

总结

毫无疑问,LED 灯的发光效率可以轻易击败荧光灯,单手吊打白炽灯和卤素灯。
白炽灯发热量较大,荧光灯和 LED 灯的热量相对较低;白炽灯和荧光灯的热量集中在灯罩上,LED 灯的热量集中在外壳底部。
整体而言,LED 的寿命大大高于白炽灯、卤素灯和荧光灯;可是 LED 的寿命,不仅与 LED 芯片有关,很大程度上还由驱动电路的品质和散热设计决定,具体的说就是电子元件品质,电路结构设计,散热材料和设计等等。
低端 LED 多用限流、恒压或阻容降压的方式来驱动,中高端 LED 一般用恒流驱动(如开关恒流和线性恒流)或恒流+恒压驱动。
散热能力影响 LED 的寿命,铜、铝或新型陶瓷材料的外壳,散热能力相对较强。

主要信息来源

LED BASICS - DOE
HOW ENERGY-EFFICIENT LIGHT BULBS COMPARE WITH TRADITIONAL INCANDESCENTS - DOE
《白光LED照明技术》 - 田民波、朱焰焰
《LED 驱动方式分析及性能比较》 - 巢时斌
《LED驱动器与功率芯片发展趋势》 - 王莹
《基于无电解电容LED驱动电源的研究》 - 刘鸿飞
《LED 驱动电路设计与应用》 - 周志敏、周纪海、纪爱华

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