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?，F(xiàn)在離開完全滿足民用市場(chǎng)的要求還很遠(yuǎn)，可以說還有很長(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，就要開發(fā)出一種無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?？梢韵胂螅蚺轃舻氖袌?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：1.亮度要相當(dāng) 白熾燈通常只講瓦數(shù)而

2、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)可以列表如下：如果采用LED來取代，也可以得出相應(yīng)的瓦數(shù)。但是因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率在不斷攀升，所以很難給出準(zhǔn)確的數(shù)字。假定采用目前通常的LED1，其光效為100lm/W，假如采用最高光效的LED2，其光效為130lm/W（暖白的光效會(huì)低于此值）。就可以得出對(duì)這兩種光效LED相應(yīng)的

3、瓦數(shù)來。但是因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定為85%，另外因?yàn)長(zhǎng)ED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85%。二者相乘等于0.72。.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。由表中可見，LED2在同樣亮度時(shí)大約可以節(jié)省10倍的功率。有一點(diǎn)需要特別說明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來說，它還不可能做到10瓦以上，也就是說目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。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

4、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 中國過去大都是采用卡口式，改革開放以后大都改用和美國一樣的螺口式。就是美國的E26或E27。這點(diǎn)也還是很容易做到的6.電源要相同，都應(yīng)該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒問題的。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硅谷Frys電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈，價(jià)$

5、40）：圖1：LED球泡燈的外形這是一個(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。其外部結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)部分，一個(gè)是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內(nèi)部結(jié)構(gòu)則主要是2部分，一是恒流驅(qū)動(dòng)電源，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內(nèi)（圖2）。 圖2：球泡燈的構(gòu)成下面分別來討論這幾個(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╇?，所以電源也必須是市電交流輸入的，英文稱為Off-Line，有把中文譯成離線式是很不恰當(dāng)?shù)模驗(yàn)橛⑽脑馐荈rom Line的意思，應(yīng)該譯成在線，但又會(huì)和網(wǎng)絡(luò)的

6、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，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安規(guī)檢驗(yàn)。隔離式就比較安全，比較容易通過安規(guī)，但成本高。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)，所以散熱器大小有限，目前還不能超過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,加PF校正在0.9-0.99左右5.體積大?。河捎谇蚺轃袅?/p>

7、給電源的空間很小，所以體積的限制很嚴(yán)。下面來介紹幾種典型的球泡燈電源。3.1非隔離式電源下面是一個(gè)采用美國安森美NCP1014的非隔離式電源原理圖（圖3） 圖3：非隔離式電源原理圖這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下：圖4：NCP1014LEDGT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以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2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

8、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(CRD)的電源方案可以做得很簡(jiǎn)單（圖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CY8CLEDAC02十分類似。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：這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測(cè)墻上有無可控硅調(diào)

9、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)。圖7： iW3610的演示板四球泡燈的散熱器球泡燈的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（見圖8）。圖8：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)過精加工以后LED底板就可以直接固定上去，否則的話，二者之

10、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)大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對(duì)流和輻射兩種方法來把熱量散發(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d。圖9：截頂?shù)膱A錐體圓錐體的側(cè)面積為HD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側(cè)面積是HD/2-hd/2=(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48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因?yàn)榇蠖鄶?shù)散熱器都開

11、了溝槽，以增加其散熱面積，開溝槽以后所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長(zhǎng)度l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覂?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。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

12、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?幾種球泡燈的外殼溫度。圖中的球泡燈功率從7.5W到4W。溫升最低的是4W球泡燈，其外殼溫度為38度。溫升最高的為東芝照明的7.2W球泡燈，其表面溫度高達(dá)61度。這是因?yàn)闁|芝的球泡燈散熱器沒有開槽溝的緣故。所以不開槽溝的散熱器，雖然表面光滑，外形好看，但其散熱效果會(huì)差很多。而表面溫度越高，在同樣的系統(tǒng)熱阻和功耗情況下，LED芯片的結(jié)溫也越高，LED的壽命就越短。由于球泡燈散熱器面積的限制，所以很難散熱超過7-9W。根據(jù)目前的LED光效，它的流明數(shù)也就相當(dāng)于60W白熾燈。隨著以后LED光效的逐年提高，相信會(huì)出現(xiàn)同樣大小而能取代100

13、W的白熾燈。散熱器的材料目前大多數(shù)采用鋁合金，因?yàn)槌杀镜土?，加工容易，而且?dǎo)熱性好。但是最近出現(xiàn)了很多絕緣的塑料散熱器和陶瓷散熱器，其散熱效果也不差。因?yàn)樽詈蟮纳嶂饕繉?duì)流和輻射。而對(duì)流完全由其形狀和面積決定。輻射則和材料的輻射性有關(guān)。各種材料的熱輻射系數(shù)如下表所示：由表中可見，氧化處理是改進(jìn)金屬材料的輻射散熱的重要途徑。而導(dǎo)熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達(dá)到極高的輻射系數(shù)。因此只要其外形和金屬散熱器一樣，那么其對(duì)流和輻射的效果是和金屬散熱器的效果是相同的。但是其熱傳導(dǎo)性能肯定不如金屬，所以整體散熱效果會(huì)差一些。但是如果把它做得盡可能薄，再加上一層金屬的內(nèi)壁，就可以把這個(gè)熱傳導(dǎo)低的不利因素

14、降至最低?，F(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)熱系數(shù)大于20 w/mk的塑料，但是其單價(jià)比較高。陶瓷散熱器的情況和塑料散熱器情況一樣。只是其導(dǎo)熱系數(shù)可以做得更高，當(dāng)然成本也要高很多。圖10是上海龍茂微電子公司的6W塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度。 圖10： 一個(gè)6W的塑料散熱器LED球泡燈塑料和陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規(guī)檢驗(yàn)。此外，為了改善泡殼里恒流驅(qū)動(dòng)電源的散熱，通常都要加入導(dǎo)熱密封膠，以取代導(dǎo)熱差的空氣。還有一種方法是在散熱器上打孔，以便空氣的流通。但是就會(huì)有防水的問題。五球泡燈的泡殼所謂泡殼就是指前面透明的玻殼。在白熾燈中，全部都是由玻璃做成的外殼，但是在球泡燈

15、中，雖然也可以用玻璃做前面的外殼，實(shí)際上也是有這樣做的。但是因?yàn)長(zhǎng)ED球泡燈重量很重，要比白熾燈重5倍以上，如果用玻璃做的話，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡燈采用塑料做泡殼，以防摔壞。而且LED球泡燈因?yàn)闊崃慷紡纳崞魃⒊鋈チ?，所以通過泡殼的光大都是可見光，很少有發(fā)熱的紅外線，所以采用塑料來做泡殼也不會(huì)由于過熱而損壞。但是塑料外殼的最大問題是透光率的問題。因?yàn)長(zhǎng)ED存在眩光的問題，所以盡可能采用乳白色的泡殼，以免看到里面的LED燈珠。而乳白色的泡殼。其透光率就更成問題了。所以對(duì)于用于LED球泡燈泡殼的塑料有以下要求：1.具有高透光、高擴(kuò)散、無眩光、無光影；2.光源隱蔽性要

16、好（盡可能看不到LED燈珠）；3.透光率達(dá)到90以上；4.具有高阻燃性；5.具有高抗沖擊強(qiáng)度；現(xiàn)在國內(nèi)有一種稱為智光LED光學(xué)燈罩的據(jù)說可以實(shí)現(xiàn)所有以上要求（圖11）。 圖11：各種LED塑料泡殼（點(diǎn)擊圖表放大）假如真的可以實(shí)現(xiàn)94%的透光率，而且還能防眩光，無光影，那么真的是十分理想的了。其外觀圖如圖12所示。圖12：智光LED光學(xué)燈罩的外觀圖六幾種品牌LED球泡燈下面列出了幾種市面上批量生產(chǎn)的品牌LED球泡燈的實(shí)測(cè)結(jié)果可以注意到一個(gè)60W的玻殼白熾燈重量只有28g。要比這些LED球泡燈輕5倍左右。另外表中的發(fā)光效率不是LED本身的發(fā)光效率，而是指整個(gè)球泡燈的發(fā)光效率，其中包括了電

17、源的效率和光罩的透光率。所以，要能達(dá)到100lm/W的整體光效還有一段路程要走。七LED PAR燈PAR燈實(shí)際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素?zé)舻囊?guī)格，飛利浦把它稱為“氯銨燈”。但是這個(gè)名字并沒有得到推廣。一般稱為“筒燈”或者“射燈”。而射燈主要是指那種具有MR16插座的燈，所以我們暫時(shí)還稱它為PAR燈或筒燈。因?yàn)橐瓦@種PAR燈兼容，所以大功率LED PAR燈就也采用和PAR燈相同的尺寸。只是結(jié)構(gòu)不同，瓦數(shù)不同，亮度不同。飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖如圖13所示。而相兼容的LED的PAR燈，其外形尺寸和他們完全相同（圖14）。  

18、0;圖13：飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖   圖14 ：和PAR20、PAR30、PAR38相對(duì)應(yīng)的LED筒燈采用LED以后，由于沒有統(tǒng)一的規(guī)格，所以具有各種不同的性能指標(biāo)，現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來飛利浦鹵素?zé)舻闹笜?biāo)比較如下表所示。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則采用lm（流明）。二者的關(guān)系如下：（流明）=4I（燭光）。但是因?yàn)槎叩陌l(fā)射立體角不同，所以無法換算。只能大致說，鹵素?zé)舻陌l(fā)光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W。約比鹵素?zé)舾?-6倍。PAR燈和球泡

19、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MOSFET開關(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。圖15：可用于高功率LED PAR燈的反激式隔離型恒流電源        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)如下：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。圖16：LT3799的演示版這個(gè)市電恒流源因?yàn)楣β蚀螅铱梢赃m應(yīng)4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開關(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，降低了效率。但是這是為隔離市