通用照明的發展趨勢

    住宅與商業照明要消耗美國今天電力的20%。雖然CFL是提高效率和降低功耗的最佳選擇，但HB LED技術也在取得進步。不過兩種技術各有缺陷，而且都有賴于電子電路、制造和熱量管理的改進。

　要點

　CFL燈泡早期有提前失效的記錄，必須將它們與應用小心配合。
　有些用戶擔心CFL燈泡使用的水銀，它對環境有影響，并且燈泡的破碎有可能產生危害。
　CFL制造商已減少了燈泡中的水銀用量，他們開發了一種填充燈管的�；�方法，能夠更精確地控制水銀的添加量。他們還開發了能防止水銀黏附的磷光涂層。
　SSL中的HB LED要對抗熱量管理的挑戰，并且價格過高。
　白熾燈泡長期內仍會使用。
　DORS在數秒內用快速開/關動作調光，實現100%亮度至66%和33%亮度的調節，最多能調到5%。該技術是控制智能從建筑結構向照明燈泡遷移的例證。

　消費者和企業都渴望能削減能源成本與降低能源的使用，因而在探索更高效的照明方案。到2012年，美國將開始執行由2007年EISA（能源獨立與安全法案）規定的第一階段能效標準，并開始分階段結束白熾燈的使用（參考文獻1）。短期內，CFL（微型熒光）燈泡將成為白熾燈最普遍的替代品，而鹵素燈泡是未來的第二選擇。制造商也開始部署采用HB LED（高亮度發光二極管）的SSL（固態照明），面向可以用SSL的高價換取效率和耐用性的應用。

　不過，CFL和SSL都有缺點。CFL以前就有過早失效的歷史，并且必須小心地與應用相配合，包括開燈時間和燈泡方向。另外，有些用戶擔心燈泡中使用的水銀，它對環境有影響，擔心燈泡的破損會帶來危害。另一方面，SSL中的HB LED則要應對熱量管理的挑戰，以及總體上高昂的價格。所幸，這兩種照明光源都可以通過新電路、芯片和散熱器件以及制造的進步而獲得好處。

　關注成本的消費者最近轉向CFL以縮減自己的能源賬單。CFL現在占用戶所購家用照明燈泡的20%，這個數字會繼續增長，因為EISA設定了最低照明能效標準。關于EISA的一個普遍誤解是它會在2012年后禁止白熾燈的銷售。能源之星照明計劃經理Alex Baker解釋說：“（EISA）并未明確地禁止白熾燈……它設定了性能門檻。如果你能做出滿足這些性能門檻的白熾燈，那么就可以繼續銷售它們�！�

　Baker給出了更高能效光源的分階段時間表：2012年，EISA要求100W白熾燈的每瓦流明數增加約25%。2013年這個要求將適用于75W燈泡，而到2014年適用于60W燈泡。

　這些限制只適用于中號螺口的傳統愛迪生式燈泡。EISA并不限制很多其它燈泡的銷售，如采用燭臺型燈座的白熾燈、用于浴室盥洗臺的球形燈泡、一般照明燈泡或改變光譜的燈泡，如GE公司的Reveal系列。Baker說：“白熾燈的大規模退出仍要很多年”

　美國于2007年通過EISA以后，GE曾發誓要開發一種符合標準的HEI（高能效白熾燈）燈泡。然后，在2008年11月，該公司宣布暫停了HEI燈泡的開發，把注意力集中在LED和OLED（有機LED）照明，因為這兩種技術有超越其它能效技術如熒光燈的潛能，并且還有壽命長和耐用等額外好處（參考文獻2）。

    盡管專注于LED和OLED照明，GE公司仍看好CFL的未來，并由其推出的Energy Smart CFL系列產品所證明（圖1）。CFL具有一個壓倒性的優勢，即它們價格低且容易得到。不過，CFL也有自己的反對者，主要分為兩大類：一些人反對CFL的原因是它們含有少量水銀，還有一些人置疑它的性能。

　水銀問題很復雜。CFL使用一種充有加壓水銀蒸氣的管子。CFL的內部鎮流器轉換交流電壓，產生一個通過水銀蒸氣的電弧，電弧導致UV（紫外）輻射，撞擊管子內壁的磷光涂層。磷光涂層將UV光轉換為可見的“白”光。早期CFL使用相對較多的水銀，每只燈泡水銀量經常超過10mg。向管中注入自然水銀的給料辦法相對粗糙：能源之星的Baker把它比作用一支醫用滴管加液體。這個過程很難控制，制造商寧可多加。另外過一段時間后，水銀蒸氣會與管內壁上的磷光粉粘結在一起，而只有蒸氣形式的水銀才能輻射UV光。

　CFL制造商開發了一種向管中注水銀的顆粒方法，減少了管中需要的水銀量，并可以更精確地控制加入量。他們還開發了能防止水銀粘結的磷光涂層。據Baker說，有些CFL制造商已表示1.5 mg的水銀接近于理論最低值。能源之星現在的標準是CFL最大水銀量為5 mg。

　歐洲照明制造商Megaman公司稱它的“無液態水銀”系列CFL能在100℃大氣壓下保持一種汞合金態。一般情況下，由于管中是加壓的，水銀在室溫下呈蒸氣態。Megamn公司稱汞合金不會污染水或垃圾填埋場。

　現在對于多少含量水銀才算有毒并沒有正式定義。研究人員的大多數研究主要是針對甲基汞，甲基汞是水銀在水中的一種最終形態，最終會存在于魚體內。由于胎兒正在發育的神經系統對水銀特別敏感，因此美國FDA（食品與藥物管理局）與EPA（環境保護署）已發布了針對孕婦的警告，限制她們食用特定水域中某些種類的魚。不過，即使對這些限制也有爭論：鑒于吃魚有利于總體健康，因此FDA最近放松了對孕婦應食用多少魚的立場。反對者稱FDA是受到了來自農業方面的壓力。這些觀點的沖突突顯出一個事實，即現在對甲基汞、元素汞或汞蒸氣都不存在嚴格和持久的規定。如果你關心CFL破碎后的水銀危害，能源之星的網站提供了詳細的清理指導方法（參考文獻3）。

使用CFL確實可以減少釋放到環境中的水銀量嗎？也許吧。煤是美國和其它多數國家發電的來源；燃煤發電會向大氣釋放汞。為一只白熾燈整個生命周期提供電能會釋放10mg汞，相比之下一只CFL的含汞量最大為4 mg。有些地區（如加州）采用水力發電和天然氣發電，因此加州轉換到CFL不會減少汞的排放。另一方面，當加州的電力需求超出其發電能力時，該州會通過北美電網從外面幾個州獲得能源，包括煤炭。CFL較高能效所帶來的節能效果依然保持：假設CFL的壽命為1萬小時，電力價格為每小時13美分，則CFL用戶在一支CFL的生命周期內可以節省15美元~60美元以上。節省15美元的前提是只有2千小時壽命。

　雖然有這些優點，但該技術的反對者通常會抱怨這種燈泡達不到宣稱的長壽命，還有它發出的“冷色”熒光。CFL過早失效的主要原因是與應用配合不當。燈泡垂直向上的臺燈是維持CFL長壽命的的一種理想應用，臺燈基座內的電路處在上升熱氣流之外，燈泡不被封閉，這樣熱量就不會聚集，而且燈泡每次點亮會持續數分鐘。在某種不良應用環境中，燈泡會裝在天花板上的封閉燈罩內，用戶會頻繁開關燈。為解決有關CFL壽命短的問題，能源之星建立了一個燈泡查找指南，幫助用戶為自己的應用找到正確的燈泡（參考文獻4）。

　標準CFL不適用于家用的調光開關控制燈，因為這些開關一般采用可控硅切相調光電路。可控硅調光開關很適用于阻性負載，如白熾燈，但對容性負載則性能不良，如CFL。將可控硅調光開關與普通CFL結合使用，會立即損壞燈泡，或大大縮短燈泡的使用壽命。多數主要CFL制造商現在都提供一種專門的可調光CFL燈泡。

　國際整流器公司（IR）的DIM8鎮流器控制半橋驅動器減少了CFL調光控制電路的元器件數量，這些電路必須裝入空間有限的CFL燈底座。DIM8增加了一個微控制器，起價為1.09美元（1萬片批量），可以作為CFL內的調光控制器。它使用戶能用一個標準的電燈開關調整光線，而不需要增加接線或修改接線。這種DORS（隨機調光開關）方案是在很短時間內用快速開/關動作調光，可從100%亮度調到66%、33%，最終達5%。關燈3秒以上再打開就重置為全亮。DORS表明控制智能在從建筑結構向燈泡遷移。

　CFL兼有省錢、符合政府規定以及高效等優點，吸引了住宅和辦公用光源的購買者轉向更高效的照明。不過，CFL不是唯一高效的光源。SSL采用的HB LED效率可以與CFL相同；它有豐富的色彩，有壽命及封裝潛力，已開始進入辦公室、影劇院、家庭和城市街道等照明應用領域。

　標準中小功率LED用作指示燈：它們的發光量只足以吸引對系統狀態的注意，一般耗電在20mA~40mA。HB LED的耗電一般在350mA~1.5A。例如，Cree公司的Xlamp XP-E冷白色HB LED在350mA時提供114流明~122流明亮度。SSL HB LED的壽命超過25000小時，如以每天開3小時計算，大約是22年。對要求堅固或更換燈泡比較困難以及成本高的應用（如路燈），它們是很好的選擇。美國德州Austin、阿拉斯加州Juneau以及紐約州的Raleigh都已轉而采用LED路燈，以縮減能源賬單和維護成本。

　SSL器件中的幾個部分—— HB LED，AC/DC和DC/DC電源轉換電路，它會降低效率10%~15%，以及冷卻部件——它們都會降低光效，用每瓦流明表示。在空間不緊張的應用（如路燈）中，可以將一個HB LED芯片置于一個大鋁塊上，用于芯片的被動式散熱。不過，家庭和辦公室照明都有空間限制，因此SSL的散熱是一個重要問題。

　LED中電子與空穴的結合有兩種結果：輻射復合和無輻射復合。輻射復合產生一個光子，其能量是空穴電子對的帶隙。無輻射復合不發光，而只是振蕩LED晶格產生熱量。

　雖然LED制造商不斷調整自己的生產工藝，盡可能減少雜質以及所產生的無輻射復合，但雜質總是LED的一個主要發熱源，尤其是當HB LED芯片尺寸增加時；較大芯片上缺陷的概率也加大。與白熾燈不同，LED不能以紅外能量輻射熱量。IR公司（紅外）LED是一個例外，它的效率相對較高。還有一個問題，普通白熾燈泡插座的作用是絕緣體，而不是散熱器。

另外，當LED溫度升高時，它的每安培流明數與總能效會下降。長期運行在高溫下的HB LED效率會降低，至少會出現少許顏色漂移，以及預期壽命的整體下滑。采用小型機電風扇是一個主動消除HB LED熱量的方式，但它們需要額外的能量，降低了照明效率，帶來了噪聲，并且機械運動部件容易損壞，從而降低了可靠性。HB LED的理想冷卻產品必須具有小巧、高效、安靜和高可靠性的特點。

　　一種方法是Nuventix公司用于其SynJet無風扇冷卻器的合成射流（synthetic-jet）設計。SynJet需要的電流遠小于一只電機，采用5V電源工作。冷卻器使用一個電磁耦合的隔膜，通過極小的噴嘴脈動出高速空氣射流。一旦氣體離開噴嘴，就會裹挾周圍的空氣與它一起拉動空氣，這很像龍卷風拉動周圍的空氣。

　Nuventix公司提供用于HB LED裝置的標準SynJet產品，一種是MR-16結構，另一種類似于PAR-38式燈座。MR-16和PAR式結構的散熱量分別可達約20W和50W。據Avnet公司電子營銷公司SSL與LED業務部Lightspeed總監Cary Eskow稱，發光效率為80流明/瓦的獨立式HB LED可以提供數千流明亮度。SynJet小批量起價約為15美元（圖2）。

　被動散熱器也在尋求創新。Cool Innovations公司的展開式鰭片散熱器性能超過等效的直立式鰭片散熱器（參考文獻5）。一個1.5英寸高、1 英寸2的直立式鋁制鰭片散熱器的熱阻為16.14°C/W，而展開式同等散熱器的熱阻為12.65°/W，改善了22%。一個2英寸高、5平方英寸的直立式散熱器的熱阻為0.74°C/W，相比之下，展開式為0.64°C/W，降低了14%（圖3）。

　對SSL來說，要替代年久的白熾燈，并最終替代CFL，是一個難以應對的挑戰。因為這一任務太過艱巨，美國能源署在去年5月為SSL開發建立了L Prize大獎，稱SSL“必須提供與被替換白熾燈相近的性能，包括色彩表現、光輸出、光分布，以及燈的形狀、大小、外形尺寸、外觀，以及工作環境。它們必須可靠，能通過普通市場渠道獲得，并且具備有競爭力的價格。”業界觀察人士現在預計該獎價值1千萬美元。

    參考文獻

    1. Sissine, Fred, “Energy Independence and Security Act of 2007: A Summary of Major Provisions,” Congressional Research Service, Dec 21, 2007.
    2. Hamilton, Tyler, “GE suspends development of 'high-efficiency incandescent,’” Clean Break, Nov 26, 2008.
    3. Energy Star Frequently Asked Questions.
    4. “Choose a Light Guide,” Energy Star.
    5. Conner, Margery, “Flared-pin heat sinks use natural convection to cool 'green’ applications,” EDN, Jan 22, 2009, pg 22. ■