LED球泡發(fā)展現(xiàn)狀解析

1、LED球泡發(fā)展現(xiàn)狀解析進(jìn)入2011年以后，LED逐漸向室內(nèi)照明進(jìn)軍，這也意味著開(kāi)始向民用家庭進(jìn)軍。一方 面這是一個(gè)大喜事，因?yàn)槊裼玫氖袌?chǎng)是非常之大；另一方面也是一個(gè)極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊裼檬袌?chǎng)要求成本特別低，可靠性特別高。現(xiàn)在離開(kāi)完全滿足民用市場(chǎng)的要求還很遠(yuǎn)，可以說(shuō)還有很長(zhǎng)的路要走。最普通的民用燈就是白熾燈， 也就是我們普通用的燈泡。 所以如果LED要取代白熾燈泡， 就要開(kāi)發(fā)出一種無(wú)論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類似的燈泡，這就是我們通常稱為L(zhǎng)ED球泡燈?？梢韵胂?，球泡燈的市場(chǎng)是十分巨大的。一.對(duì)LED球泡燈的要求因?yàn)橐鎿Q白熾燈，所以至少要有以下幾方面的要求:白熾 燈乩數(shù)W1530456

2、015100發(fā)朮效率1111W7.5S8.59.510.512流叩數(shù)11U112.5240582.?570787.51200LED1瓦數(shù)W1.?63.35.S7.910.916.6LED2乩數(shù)W1.22.64.16.18.412.S1.亮度要相當(dāng) 白熾燈通常只講瓦數(shù)而不講流明數(shù)。LED雖然也可以只講瓦數(shù)，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展， 只說(shuō)瓦數(shù)并不能代表其流明數(shù)。白熾燈最常用的瓦數(shù)有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數(shù)，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來(lái) 計(jì)算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W。瓦數(shù)越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數(shù)的白熾燈的相對(duì)流明數(shù)可以列表

3、如下：LED的發(fā)光效率在不斷攀升， 假定采用目前通常的 LED1,其光效為100lm/W,假如采用最高光 。就可以得出對(duì)這兩種光效LED相假定為85%另外因?yàn)長(zhǎng)ED85%二者相乘等于 0.72。. LED2在同樣亮度時(shí)大LED球泡燈的光效和散熱來(lái) 60-75W白熾燈的LED球泡燈。如果采用LED來(lái)取代，也可以得出相應(yīng)的瓦數(shù)。但是因?yàn)?所以很難給出準(zhǔn)確的數(shù)字。效的LED2,其光效為130lm/W （暖白的光效會(huì)低于此值） 應(yīng)的瓦數(shù)來(lái)。但是因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源，而恒流源有一定的效率, 不可能采用透明泡殼，而只能采用乳白泡殼。其透光率大約為 考慮以上因素以后就可以得出和白熾燈相當(dāng)?shù)耐邤?shù)來(lái)。由表中可見(jiàn)

4、， 約可以節(jié)省10倍的功率。有一點(diǎn)需要特別說(shuō)明的。就是從目前 說(shuō)，它還不可能做到10瓦以上，也就是說(shuō)目前還只有可以取代 當(dāng)然PAR燈就另當(dāng)別論了（后面將討論）。2.外形要類似 通常白熾燈為梨形的，所以 LED球泡燈也應(yīng)當(dāng)為梨形的。這點(diǎn)是很容易 做到。但是白熾燈為全玻璃制品，LED因?yàn)橐峋秃茈y采用全玻璃的結(jié)構(gòu)。下面會(huì)詳細(xì)討論LED球泡燈的結(jié)構(gòu)。3.體積大小要相當(dāng)，因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這是非常難做到的4.重量要相當(dāng)，同樣因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這也是非常難做到的5.燈頭要相同 中國(guó)過(guò)去大都是采用卡口式，改革開(kāi)放以后大都改用和美國(guó)一樣的螺口 式。就是美國(guó)的 E26或E27

5、。這點(diǎn)也還是很容易做到的6.電源要相同，都應(yīng)該是220VA（或美國(guó)的110VAC，這也是沒(méi)問(wèn)題的。二. LED球泡燈的結(jié)構(gòu)LED球泡燈可以分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們先來(lái)看一下它的外部結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的LED球泡燈的外形如圖 1所示（這是作者最近在美國(guó)硅谷Fry s電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈，價(jià)$40）:圖1： LED球泡燈的外形其外部結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)部分，一2部分，一是恒流驅(qū)動(dòng)電源，二是這是一個(gè)5W的LED球泡燈，全長(zhǎng)13cm,散熱器長(zhǎng)5cm 直徑4.5cm ,泡殼長(zhǎng)5.2cm，直 徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代 45W的白熾燈。個(gè)是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內(nèi)部結(jié)

6、構(gòu)則主要是 LED燈板（包括鋁基板和 LED在內(nèi)（圖2）。圖 2：球泡燈的構(gòu)成面分別來(lái)討論這幾個(gè)部分的構(gòu)成。三球泡燈的電源因?yàn)榍蚺轃舳际怯檬须姽╇姡噪娫匆脖仨毷鞘须娊涣鬏斎氲?，英文稱為Off-Line ，有把中文譯成離線式是很不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)橛⑽脑馐?From Line 的意思，應(yīng)該譯成在線，但 又會(huì)和網(wǎng)絡(luò)的在線相混，所以不如就直接稱為市電式電源。球泡燈的市電式電源基本指標(biāo)如下：1.電源基本類型：主要分隔離式和非隔離式兩種，那是指負(fù)載端是否與火線 220V隔離。一般說(shuō)，非隔離因?yàn)椴恍枰綦x變壓器， 所以成本低，但要求鋁基板耐壓高，否則散熱器就 有可能帶電。所以比較不容易通過(guò)安規(guī)檢驗(yàn)。 隔離

7、式就比較安全， 比較容易通過(guò)安規(guī)， 但成 本高。所以散熱器大小有2. 電源輸出功率： 因?yàn)榍蚺轃舻捏w積大小必須和玻殼的白熾燈相當(dāng)， 限，目前還不能超過(guò) 9W。3. 電源效率：一般隔離式在80-85%左右，非隔離式在 90%左右4.電源功率因數(shù)(PF):不加PF校正在0.5-0.6,力口 PF校正在0.9-0.99 左右5. 體積大小：由于球泡燈留給電源的空間很小，所以體積的限制很嚴(yán)。面來(lái)介紹幾種典型的球泡燈電源。3.1 非隔離式電源F面是一個(gè)采用美國(guó)安森美NCP1014的非隔離式電源原理圖(圖3)AC InpLTtDl-HK-L o.iirfT 2VHoIbs:GodFBCA1鉀Jl Intn

8、J2&0.400 譏RNormal OutputTO W M古x叱Spot r 1MCEZkhSH 血 5SmALED 細(xì)no圖3:非隔離式電源原理圖 這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下：輸入電汗輸川功率輸出電用輸出電流LED數(shù)效率功率岡數(shù)yO-26?VACLOW250-400VDtitMWiA7 員 120SO%0 9圖 4: NCP1014LEDG外形圖其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)恒流二極管NSI45025，以確保LED恒流在25mA所以它只能用于小功率貼片式的 LED其中外加的集成電路 NCP1014實(shí)際上是一個(gè)有源式的功率因數(shù)校 正（PFC），可以把它的功率因數(shù)提高到0.9以滿足美國(guó)能源之星的要求。

9、輸入端的L1,C1,C2（CRD）的電源方案可以做得很簡(jiǎn)單（圖是一個(gè)防電磁干擾 EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離，所以220V會(huì)直接加到負(fù)載 LED上。其實(shí)假如不要求功率因數(shù)的話，那么采用恒流二極管5）。圖5:最簡(jiǎn)單的采用恒流二極管的球泡燈電源這種電源的功率因數(shù)大約在0.5-0.6之間。因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單，所以體積可以做得很小，而且成本很低。3.2隔離式電源為了提高安全性，最好采用隔離式電源，這樣就多了一個(gè)隔離變壓器，增加了體積、成本，降低了效率。圖 6是一個(gè)采用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖。其實(shí)這個(gè)芯片和 Cypress公司的CY8CLEDAC0十分類似。乂 I C* a if

10、ia IlSnm*O r V pH嚴(yán)W斗 iTWfir 屍門 MMi* RfwL 卜r Aa Jj HHVI*tWi*-VJ-reJU -韋圖6 :采用iW3610的隔離式電源的電路圖 其主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：輸入電爪輸出功率輸岀電爪輸出電漩LED數(shù)效率功率因數(shù)100 公 owe14.7W21VDC7(l0inA6x2W85%0.9這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測(cè)墻上有無(wú)可控硅調(diào)光器，如果有的話就可以調(diào)光， 其調(diào)光范圍可以從2%調(diào)到100%而且最后采用了 PWM調(diào)光，調(diào)光頻率高達(dá) 900Hz,因此避免了閃爍。 另外由于采用了準(zhǔn)諧振控制使其總效率高達(dá)85%它還有一個(gè)特點(diǎn)是采用變壓器初級(jí)反饋從而取消了光耦

11、合器件。它的外形圖如圖7所示。其外形是專門為球泡燈而設(shè)計(jì)。AC Input4=亍DC Output 飛 tcLED&a) PCBfijpAC Input網(wǎng)r二-九嚴(yán)Ft仝花If 30 mmDC OutputtoLEOi75 mmh) PCS Bottom圖7: iW3610的演示板四. 球泡燈的散熱器8）。球泡燈的LED通常焊接在一塊鋁基板（LED底板）上，這塊鋁基板再和一片圓形鋁散熱 板固定，然后再把這塊鋁散熱板固定到散熱器外殼上去（見(jiàn)圖0、日辰応才1* -八、尸進(jìn)暑注 y斗111冊(cè) ;F卄嚴(yán)_*圖& LED底板如何固定到散熱器上去圖中的鋁散熱板上可以看出有精加工的痕跡。經(jīng)過(guò)精加工以后LED

12、底板就可以直接固定上去，否則的話，二者之間會(huì)有氣隙，需要涂覆硅導(dǎo)熱膠以改善導(dǎo)熱。球泡燈由于體積的限制所以散熱是一個(gè)大問(wèn)題。無(wú)論是哪種散熱器都是只能依靠對(duì)流和輻射兩種方法來(lái)把熱量散發(fā)到空氣中去，而這兩種散熱的能力都是和它的散熱的面積成正 比。而球泡燈的散熱面積可以如下計(jì)算。假定其散熱器可以近似為一個(gè)截去尖頂?shù)膱A錐體。 假定大圓錐體的高度為 H,直徑為D,而截去的小圓錐體的高度為 h直徑為do圓錐體的側(cè)面積為 n HD/2 ,所以截去一個(gè)尖頂以后的側(cè)面積是 n HD/2- n hd/2= n （HD-hd）/2。假定 H=8cm h=3cm, D=5cm d=3cm 那么這個(gè)截頂以后的側(cè) 面積就是

13、48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因?yàn)榇蠖鄶?shù)散熱器都開(kāi)了溝槽，以增加其散熱面積，開(kāi)溝槽以后所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長(zhǎng)度I再乘2,再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0.3cm，長(zhǎng)度為 5cm,溝槽數(shù)為 46個(gè)，那么開(kāi)溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆?jì)散熱面積為188 cm2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每瓦所需要的散熱面積大約在35-60 cm2。具體要多大取決于環(huán)境溫度和允許的升溫。因?yàn)榍蚺轃舸蟛糠质怯迷谑?內(nèi)，環(huán)境溫度不是很高， 所以可以采用35 cm2/W所以188 cm2的散熱面積可以散大約 5.3W 左右。不過(guò)這只是極為粗略的估計(jì)，可以得到一個(gè)數(shù)量級(jí)的概念而已

14、。真正的散熱情況還是要實(shí)際測(cè)定才可以。日本的技術(shù)在線拆解了幾種LED球泡燈。并實(shí)測(cè)了其泡殼溫度，結(jié)果如下表所示：因?yàn)槭覝厥窍嗤?，下表幾種球泡燈的外殼溫度。公他上-3.7. WfiWL50.000PAR30iOOW2S0303000 cd2.000LED PAR507x2 W100-240S. 15.30.45.60,90680 Im50,000PARSSlOOW2SO10305500(1 (T) ；刊0(孔)2.000LED RARSSi2x2Wi 00-240SJ5.jO.45.60.90J.140 hn50.000其中光強(qiáng)指標(biāo)二者所用的單位不同，飛利浦采用cd （燭光），而通常LED則采

15、用Im （流明）。二者的關(guān)系如下：0 （流明）=4n I （燭光）。但是因?yàn)槎叩陌l(fā)射立體角不同，所以 無(wú)法換算。只能大致說(shuō)，鹵素?zé)舻陌l(fā)光效率大約為17-33 Im/W。而LED的發(fā)光效率在100-130Im/W。約比鹵素?zé)舾?4-6倍。PAR燈和球泡燈的結(jié)構(gòu)基本相同，只是體積大一些，瓦數(shù)大一些。因此要求的電源功率也要 大一些。今年2月美國(guó)凌特公司宣布了一個(gè)用于LED恒流驅(qū)動(dòng)的IC（ LT3799）,它可以驅(qū)動(dòng)4-100W的LED而且本身帶PFC外置功率MOSFE開(kāi)關(guān)管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用于可控硅調(diào)光。諭入電卍槍出U率輸出電用LED邀妙率丙數(shù)90-270

16、AC25W25VD 匚1ASKiWS3-86%0.9Z-0.99下:這個(gè)電路圖是一個(gè)給 24瓦PAR燈用的演示板的電路圖。 其主要技術(shù)指標(biāo)如它的演示版的布置圖如圖 16所示。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成圓形。ACPOWER / SUPPLY * 90-270VAC4nHlE1E2crLIS7WeMSEI空In圖16: LT3799的演示版這個(gè)市電恒流源因?yàn)楣β蚀?，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開(kāi)關(guān)管，而且也因?yàn)楣β蚀?，所以要求采用功率因?shù)校正（PFC。對(duì)于不同的功率,除了要選擇不同的 MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個(gè)恒流源的體積和重量，降低

17、了效率。但是這是為隔離市電所必需的。八.LED球泡燈的市場(chǎng)前景據(jù)有關(guān)方面估計(jì)，LED將以每年30%上的成長(zhǎng)率增長(zhǎng)直至 2014年。LED球泡燈如果要 全部取代白熾燈的話，其全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6400億美元，而到2010年12月為止，LED球泡燈銷售量為2000萬(wàn)顆。其市場(chǎng)滲透率只有 3.2%，預(yù)計(jì)到2013年可以達(dá)到12.5%。也就是 相當(dāng)于800億美元的銷售額。而其單價(jià)將以每年15-20%的速度遞降。一個(gè)能夠取代 60W白熾燈的LED球泡燈，在2008年賣90美元，到2010年就只賣40美元。而中國(guó)更是生產(chǎn)和使用白熾燈的大國(guó)，2009年生產(chǎn)的白熾燈37.9億只，約為全球產(chǎn)量的三分之一，本國(guó)每年消費(fèi)14億只。但是中國(guó)還沒(méi)有規(guī)定何時(shí)禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期，而只是準(zhǔn)備通過(guò)征收消費(fèi)稅來(lái)加快淘汰白熾燈。然而，目前也只是準(zhǔn)備用節(jié)能燈來(lái)取代白熾燈，而不是用LED球泡燈來(lái)取代。所以雖然中國(guó)也生產(chǎn)了不少LED球泡燈，但是主要為出口。本國(guó)銷售的只占極少數(shù)。其根本的問(wèn)題還是價(jià)錢太貴。不過(guò)隨著LED發(fā)光效率的提高，生產(chǎn) 成本的降低，LED球泡燈一定會(huì)有一天能夠全部取代白熾燈。假定取代全中國(guó)的白熾燈需要 10年的時(shí)間，我們可以來(lái)粗略地估計(jì)一下這十年里