照明的发展趋势

  消费者和企业都渴望能削减能源成本与降低能源的使用,因而在探索更高效的照明方案。到2012年,美国将开始执行由2007年EISA(能源独立与安全法案)规定的第一阶段能效标准,并开始分阶段结束白炽灯的使用。短期内,CFL(微型荧光)灯泡将成为白炽灯最普遍的替代品,而卤素灯泡是未来的第二选择。制造商也开始部署采用HB LED(高亮度发光二极管)的SSL(固态照明),面向可以用SSL的高价换取效率和耐用性的应用。不过,CFL和SSL都有缺点。CFL以前就有过早失效的历史,并且必须小心地与应用相配合,包括开灯时间和灯泡方向。另外,有些用户担心灯泡中使用的水银,它对环境有影响,担心灯泡的破损会带来危害。另一方面,SSL中的HB LED则要应对热量管理的挑战,以及总体上高昂的价格。所幸,这两种照明光源都可以通过新电路、芯片和散热器件以及制造的进步而获得好处。

  关注成本的消费者最近转向CFL以缩减自己的能源账单。CFL现在占用户所购家用照明灯泡的20%,这个数字会继续增长,因为EISA设定了最低照明能效标准。关于EISA的一个普遍误解是它会在2012年后禁止白炽灯的销售。能源之星照明计划经理Alex Baker解释说:“(EISA)并未明确地禁止白炽灯……它设定了性能门槛。如果你能做出满足这些性能门槛的白炽灯,那么就可以继续销售它们。”Baker给出了更高能效光源的分阶段时间表:2012年,EISA要求100W白炽灯的每瓦流明数增加约25%。2013年这个要求将适用于75W灯泡,而到2014年适用于60W灯泡。这些限制只适用于中号螺口的传统爱迪生式灯泡。EISA并不限制很多其它灯泡的销售,如采用烛台型灯座的白炽灯、用于浴室盥洗台的球形灯泡、一般照明灯泡或改变光谱的灯泡,如GE公司的Reveal系列。Baker说:“白炽灯的大规模退出仍要很多年。”

 

 

  美国于2007年通过EISA以后,GE曾发誓要开发一种符合标准的HEI(高能效白炽灯)灯泡。然后,在2008年11月,该公司宣布暂停了HEI灯泡的开发,把注意力集中在LED和OLED(有机LED)照明,因为这两种技术有超越其它能效技术如荧光灯的潜能,并且还有寿命长和耐用等额外好处。尽管专注于LED和OLED照明,GE公司仍看好CFL的未来,并由其推出的Energy Smart CFL系列产品所证明(图1)。CFL具有一个压倒性的优势,即它们价格低且容易得到。不过,CFL也有自己的反对者,主要分为两大类:一些人反对CFL的原因是它们含有少量水银,还有一些人置疑它的性能。

  水银问题很复杂。CFL使用一种充有加压水银蒸气的管子。CFL的内部镇流器转换交流电压,产生一个通过水银蒸气的电弧,电弧导致UV(紫外)辐射,撞击管子内壁的磷光涂层。磷光涂层将UV光转换为可见的“白”光。早期CFL使用相对较多的水银,每只灯泡水银量经常超过10mg。向管中注入自然水银的给料办法相对粗糙:能源之星的Baker把它比作用一支医用滴管加液体。这个过程很难控制,制造商宁可多加。另外过一段时间后,水银蒸气会与管内壁上的磷光粉粘结在一起,而只有蒸气形式的水银才能辐射UV光。

  CFL制造商开发了一种向管中注水银的颗粒方法,减少了管中需要的水银量,并可以更精确地控制加入量。他们还开发了能防止水银粘结的磷光涂层。据Baker说,有些CFL制造商已表示1.5 mg的水银接近于理论最低值。能源之星现在的标准是CFL最大水银量为5 mg。欧洲照明制造商Megaman公司称它的“无液态水银”系列CFL能在100℃大气压下保持一种汞合金态。一般情况下,由于管中是加压的,水银在室温下呈蒸气态。Megamn公司称汞合金不会污染水或垃圾填埋场。

  接收单元可完成射频信号的解调和音频信号的处理。它一般由滤波器、选择回路、高放、双平衡混频器、一中放、二中放组成。其中二中放由二本振、二混频、鉴相器、静噪控制电路组成,混频器中的一中频为21.4 MHz,二中频为455 kHz,混频方式为外差式。

  当射频信号经天线送到双工器后,再经过第一级带通滤波器滤波,并经限幅后将送给高放电路。然后进入第二级带通滤波器滤波,最后送给双平衡混频器混频。限幅电路的作用是防止强干扰信号损坏高放前端组件。

  高放电路一般采用双调谐回路和一级放大形式,输入输出回路均采用抽头形式可使电路匹配、增益兼顾。高放管可选用低噪声管2SC3356,其特点是具有很低的噪声和较高的功率增益。经高放放大的信号再与压控送来的第一本振信号经过双平衡混频器进行混频。2SC3356是集成组件,特点是噪声低,高次组合少。一中频为21.4 MHz的信号经过两级中频放大后,可送到中放集成电路TA31136FN,与20.945 MHz晶体振荡器产生的二本振进行混频,而混出的455 kHz二中频信号,则经过455 kHz陶瓷滤波器滤波后,通过二中放的5脚输入。限幅放大器的输出可在内部直接驱动,并在外部通过相移线圈完成鉴频,鉴频输出的音频信号由9脚输出。该信号一路经电子开关送给去加重、滤波、放大后送给扬声器还原声音。另一路经过滤波后送给基带信号处理器。

  现在对于多少含量水银才算有毒并没有正式定义。研究人员的大多数研究主要是针对甲基汞,甲基汞是水银在水中的一种最终形态,最终会存在于鱼体内。由于胎儿正在发育的神经系统对水银特别敏感,因此美国FDA(食品与药物管理局)与EPA(环境保护署)已发布了针对孕妇的警告,限制她们食用特定水域中某些种类的鱼。不过,即使对这些限制也有争论:鉴于吃鱼有利于总体健康,因此FDA最近放松了对孕妇应食用多少鱼的立场。反对者称FDA是受到了来自农业方面的压力。这些观点的冲突突显出一个事实,即现在对甲基汞、元素汞或汞蒸气都不存在严格和持久的规定。如果你关心CFL破碎后的水银危害,能源之星的网站提供了详细的清理指导方法。 使用CFL确实可以减少释放到环境中的水银量吗?也许吧。煤是美国和其它多数国家发电的来源;燃煤发电会向大气释放汞。为一只白炽灯整个生命周期提供电能会释放10mg汞,相比之下一只CFL的含汞量最大为4 mg。有些地区(如加州)采用水力发电和天然气发电,因此加州转换到CFL不会减少汞的排放。另一方面,当加州的电力需求超出其发电能力时,该州会通过北美电网从外面几个州获得能源,包括煤炭。CFL较高能效所带来的节能效果依然保持:假设CFL的寿命为1万小时,电力价格为每小时13美分,则CFL用户在一支CFL的生命周期内可以节省15美元~60美元以上。节省15美元的前提是只有2千小时寿命。

  虽然有这些优点,但该技术的反对者通常会抱怨这种灯泡达不到宣称的长寿命,还有它发出的“冷色”荧光。CFL过早失效的主要原因是与应用配合不当。灯泡垂直向上的台灯是维持CFL长寿命的的一种理想应用,台灯基座内的电路处在上升热气流之外,灯泡不被封闭,这样热量就不会聚集,而且灯泡每次点亮会持续数分钟。在某种不良应用环境中,灯泡会装在天花板上的封闭灯罩内,用户会频繁开关灯。为解决有关CFL寿命短的问题,能源之星建立了一个灯泡查找指南,帮助用户为自己的应用找到正确的灯泡。标准CFL不适用于家用的调光开关控制灯,因为这些开关一般采用可控硅切相调光电路。可控硅调光开关很适用于阻性负载,如白炽灯,但对容性负载则性能不良,如CFL。将可控硅调光开关与普通CFL结合使用,会立即损坏灯泡,或大大缩短灯泡的使用寿命。多数主要CFL制造商现在都提供一种专门的可调光CFL灯泡。

  国际整流器公司(IR)的DIM8镇流器控制半桥驱动器减少了CFL调光控制电路的元器件数量,这些电路必须装入空间有限的CFL灯底座。DIM8增加了一个微控制器,起价为1.09美元(1万片批量),可以作为CFL内的调光控制器。它使用户能用一个标准的电灯开关调整光线,而不需要增加接线或修改接线。这种DORS(随机调光开关)方案是在很短时间内用快速开/关动作调光,可从100%亮度调到66%、33%,最终达5%。关灯3秒以上再打开就重置为全亮。DORS表明控制智能在从建筑结构向灯泡迁移。CFL兼有省钱、符合政府规定以及高效等优点,吸引了住宅和办公用光源的购买者转向更高效的照明。不过,CFL不是唯一高效的光源。SSL采用的HB LED效率可以与CFL相同;它有丰富的色彩,有寿命及封装潜力,已开始进入办公室、影剧院、家庭和城市街道等照明应用领域。

  标准中小功率LED用作指示灯:它们的发光量只足以吸引对系统状态的注意,一般耗电在20mA~40mA。HB LED的耗电一般在350mA~1.5A。例如,Cree公司的Xlamp XP-E冷白色HB LED在350mA时提供114流明~122流明亮度。SSL HB LED的寿命超过25000小时,如以每天开3小时计算,大约是22年。对要求坚固或更换灯泡比较困难以及成本高的应用(如路灯),它们是很好的选择。美国德州Austin、阿拉斯加州Juneau以及纽约州的Raleigh都已转而采用LED路灯,以缩减能源账单和维护成本。

  SSL器件中的几个部分—— HB LED,AC/DC和DC/DC电源转换电路,它会降低效率10%~15%,以及冷却部件——它们都会降低光效,用每瓦流明表示。在空间不紧张的应用(如路灯)中,可以将一个HB LED芯片置于一个大铝块上,用于芯片的被动式散热。不过,家庭和办公室照明都有空间限制,因此SSL的散热是一个重要问题。

  LED中电子与空穴的结合有两种结果:辐射复合和无辐射复合。辐射复合产生一个光子,其能量是空穴电子对的带隙。无辐射复合不发光,而只是振荡LED晶格产生热量。虽然LED制造商不断调整自己的生产工艺,尽可能减少杂质以及所产生的无辐射复合,但杂质总是LED的一个主要发热源,尤其是当HB LED芯片尺寸增加时;较大芯片上缺陷的概率也加大。与白炽灯不同,LED不能以红外能量辐射热量。IR公司(红外)LED是一个例外,它的效率相对较高。还有一个问题,普通白炽灯泡插座的作用是绝缘体,而不是散热器。另外,当LED温度升高时,它的每安培流明数与总能效会下降。长期运行在高温下的HB LED效率会降低,至少会出现少许颜色漂移,以及预期寿命的整体下滑。采用小型机电风扇是一个主动消除HB LED热量的方式,但它们需要额外的能量,降低了照明效率,带来了噪声,并且机械运动部件容易损坏,从而降低了可靠性。HB LED的理想冷却产品必须具有小巧、高效、安静和高可靠性的特点。

  一种方法是Nuventix公司用于其SynJet无风扇冷却器的合成射流(synthetic-jet)设计。SynJet需要的电流远小于一只电机,采用5V电源工作。冷却器使用一个电磁耦合的隔膜,通过极小的喷嘴脉动出高速空气射流。一旦气体离开喷嘴,就会裹挟周围的空气与它一起拉动空气,这很像龙卷风拉动周围的空气。Nuventix公司提供用于HB LED装置的标准SynJet产品,一种是MR-16结构,另一种类似于PAR-38式灯座。MR-16和PAR式结构的散热量分别可达约20W和50W。据Avnet公司电子营销公司SSL与LED业务部Lightspeed总监Cary Eskow称,发光效率为80流明/瓦的独立式HB LED可以提供数千流明亮度。SynJet小批量起价约为15美元(图2)。

 

 

  被动散热器也在寻求创新。Cool Innovations公司的展开式鳍片散热器性能超过等效的直立式鳍片散热器(参考文献5)。一个1.5英寸高、1 英寸2的直立式铝制鳍片散热器的热阻为16.14°C/W,而展开式同等散热器的热阻为12.65°/W,改善了22%。一个2英寸高、5平方英寸的直立式散热器的热阻为0.74°C/W,相比之下,展开式为0.64°C/W,降低了14%(图3)。

 

 

  对SSL来说,要替代年久的白炽灯,并最终替代CFL,是一个难以应对的挑战。因为这一任务太过艰巨,美国能源署在去年5月为SSL开发建立了L Prize大奖,称SSL“必须提供与被替换白炽灯相近的性能,包括色彩表现、光输出、光分布,以及灯的形状、大小、外形尺寸、外观,以及工作环境。它们必须可靠,能通过普通市场渠道获得,并且具备有竞争力的价格。”