茅于海技術(shù)文章LED燈罩_圖文

1、LED 球泡燈茅于海進(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?，F(xiàn)在離開(kāi)完全滿(mǎn)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(lèi)似的燈泡，這就是我們通常稱(chēng)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

2、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)可以列表如下：白熾燈 瓦數(shù) W 發(fā)光效率8 8.5 9.5 10.5 12流明數(shù) lm 112.5LED1 瓦數(shù) W 1.56 3.3 5.3 7.9 10.9 16.6LED2 瓦數(shù) W 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)長(zhǎng)ED 的發(fā)光效率在不斷

3、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，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(lái)。由表中可見(jiàn)，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(shuō)明的。就是從目前LED 球泡燈的光效和散熱來(lái)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60-7

4、5W 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(lèi)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。這點(diǎn)也還是很容易做到的 6.電源要相同，都應(yīng)該是220V AC （或美國(guó)的11

5、0V AC ），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Frys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

6、2）。 圖2. 球泡燈的構(gòu)成下面分別來(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╇?，所以電源也必須是市電交流輸入的，英文稱(chēng)為Off-Line ，有把中文譯成離線(xiàn)式是很不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)橛⑽脑馐荈rom Line的意思，應(yīng)該譯成在線(xiàn)，但又會(huì)和網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)相混，所以不如就直接稱(chēng)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(lèi)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(xiàn)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)。隔離式就比較安全，比較容易通過(guò)安規(guī)，但成本高。2. 電源輸

7、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(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, 加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?chē)?yán)。 下面來(lái)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(guó)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：輸入電壓 輸出功率 輸出電壓 輸出電流LED 數(shù) 效率 功率因數(shù) 90-265V 250-400VDC 1

8、0-35mA 75-120 >0.9 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(mǎn)足美國(guó)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)直接加到負(fù)載LED 上。其實(shí)假如不要求功率因數(shù)的話(huà)，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

9、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(lèi)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：輸入電壓 輸出功率 輸出電壓 輸出電流數(shù) 效率 功率因數(shù) 100-230V 21VDC 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(huà)就可以調(diào)光，其調(diào)光范圍可以從2%調(diào)到100

10、%。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(zhuān)門(mén)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(jiàn)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(guò)精加工以后LED 底板就可以直接固定上去，否則的話(huà)，二者之間會(huì)有氣隙，需要涂覆硅導(dǎo)熱膠以改善導(dǎo)熱。

11、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48.7cm 2，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

12、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(kāi)溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆?jì)散熱面積為188 cm 2。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(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。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(xiàn)拆解了幾種LED 球泡燈。并實(shí)測(cè)了其

13、泡殼溫度，結(jié)果如圖10所示：因?yàn)槭覝厥窍嗤模?圖10 幾種球泡燈的外殼溫度圖中的球泡燈功率從4W 到7W 。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（顯示在圖中左上角），其表面溫度高達(dá)61度。這是因?yàn)闁|芝的球泡燈散熱器沒(méi)有開(kāi)槽溝的緣故。所以不開(kāi)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(guò)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

14、現(xiàn)同樣大小而能取代100W 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庸と菀祝覍?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：材料 鋼 鑄鐵 不銹鋼 鋁 銅 導(dǎo)熱塑料拋光未氧化 0.1- 0.250.02-0.1 0.04- 0.05 0.8-0.9 粗加工輕微氧化嚴(yán)重氧化 0.7- 0.95 0.8- 0.95由表中可見(jiàn)，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

15、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11是一個(gè)6W 的塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度。 圖11 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(guò)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

16、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(wèn)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(huà)，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(guò)泡殼的光大都是可見(jiàn)光，很少有發(fā)熱的紅外線(xiàn)，所以采用塑料來(lái)做泡殼也不會(huì)由于過(guò)熱而損壞。 但是塑料外殼的最大問(wèn)題是透光率的問(wèn)題。因?yàn)長(zhǎng)ED 存

17、在眩光的問(wèn)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(wèn)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(wú)眩光、無(wú)光影；2.光源隱蔽性要好（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(guó)內(nèi)有一種稱(chēng)為智光LED 光學(xué)燈罩的據(jù)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)所有以上要求（圖12）。 圖12 各種LED 塑料泡殼假如真的可以實(shí)現(xiàn)94%的透光率，而且還能防眩光，無(wú)光影，那么真的是十分理想的了。其外觀圖如圖13所示。 圖13 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

18、面上批量生產(chǎn)的品牌LED 球泡燈的實(shí)測(cè)結(jié)果公司 型號(hào) 電壓 V AC 輸入功率W 發(fā)光流明lm 光效lm/W 額定壽命 萬(wàn)小時(shí) 重量(無(wú)光罩 克東芝東芝100 83 4萬(wàn)東芝100 310 72松下松下夏普100 485 (日光380（暖白）三星220 76 5萬(wàn)三星220 68 5萬(wàn)錦湖60 5萬(wàn)勤上 SLA1907525 70 3萬(wàn)燦星網(wǎng)通公司 TSK-8E 014W4萬(wàn)比亞迪210 44 4萬(wàn)真明麗110 5W 300 46.2 3萬(wàn)飛利浦240 4.5萬(wàn)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

19、是指整個(gè)球泡燈的發(fā)光效率，其中包括了電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(chēng)為“氯銨燈”。但是這個(gè)名字并沒(méi)有得到推廣。一般稱(chēng)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(chēng)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14所示。而相兼容的LED 的PAR 燈，其外形尺寸和他們完全相同（

20、圖15）。 圖14. 飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖 圖15 和PAR20、PAR30、PAR38相對(duì)應(yīng)的LED 筒燈采用LED 以后，由于沒(méi)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(lái)飛利浦鹵素?zé)舻闹笜?biāo)比較如下表所示。功率 電壓V AC 射角(度 光強(qiáng) 壽命(小時(shí)230 25 LED PAR20 5x2W 100-240 15,30,45,60,90 330 lm >50,000230 30 LED PAR30 7x2W 100-240 8,15,30,45,60,90680 lm >50,000230 10,30 8500(10

21、º 2500(30º2,000LED PAR38 12x2W 100-240 8,15,30,45,60,901,140 lm >50,000 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(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 lm/W。而 LED 的發(fā)光效率在 100-130lm/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

22、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(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。 圖 16 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： 輸入電壓 輸出功率 輸出電壓 輸出電流 LED 數(shù) 效率 功率因數(shù) 90-270VAC 83-86 0.92-0.99 % 它的演示版的布置圖如圖 17 所示。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成圓形。 25W 25VDC 1A

23、 8x3W 圖 17. 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蚀螅?所以要求采用功率因數(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%以上的成長(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(huà)，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(xiāo)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(xiāo)售額。而其單價(jià)將以 每年 15-2