LED球泡燈知識(shí)整理

/注：本文由東莞市朗森半導(dǎo)體照明有限公司提供LED球泡燈知識(shí)整理LＥD球泡,聽名字就知道大概是什么樣子了,外型樣式跟家里以前用的鎢絲燈泡很想，不過LED球泡略有區(qū)別我們可以看下圖片區(qū)別在于它是的發(fā)光角度會(huì)比傳統(tǒng)的鎢絲燈球泡少一半,在要注意了首頁用戶要考慮自身的家裝設(shè)計(jì)情況，如果燈本身露的很出來我就不建議裝這樣的球泡了，至少要大部分在里面才適合用LED球泡，否則你的發(fā)光面積會(huì)變的更小，因?yàn)椋蘀D球泡照射后邊區(qū)域全靠光系反射自身沒有角度照射到后邊區(qū)域。面蓋一般采用亞克力材質(zhì)，磨砂或者通明,磨砂發(fā)光均勻不刺眼,透明光通量大而且刺眼.等身采用的是鋁材因?yàn)榈鬃锩婧幸粋€(gè)變壓器，必須要用很好的導(dǎo)熱材料可以把熱量導(dǎo)散出去不影響光衰。底座也可以有很多種款式例如:Ｅ27E１4E10等等都可以隨著使用者的要求進(jìn)行更換.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LＥD球泡燈?？梢韵胂螅蚺轃舻氖袌?chǎng)是十分巨大的。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：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:白熾燈瓦數(shù)W１5３０456０７5100發(fā)光效率ｌm/W７。58８.59。51０。512流明數(shù)lm

112。5240382。55７０787．512０0LＥＤ1瓦數(shù)Ｗ１.５63。35。37。9１0。91６.6LＥD2瓦數(shù)Ｗ1。22.64。16．18。４１2。８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)的瓦數(shù)來。但是因?yàn)長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）。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).體積大小要相當(dāng)，因?yàn)長ED需要恒流源和散熱器,所以這是非常難做到的。重量要相當(dāng)，同樣因?yàn)長EＤ需要恒流源和散熱器，所以這也是非常難做到的.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。電源要相同，都應(yīng)該是220ＶＡC(或美國的１1０VＡＣ）,這也是沒問題的。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Frｙ’s電子商店上看到的最大功率的ＬED球泡燈，價(jià)＄40）：這是一個(gè)5W的LEＤ球泡燈,全長1３cm，散熱器長5cm，直徑４．5cm,泡殼長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）.

下面分別來討論這幾個(gè)部分的構(gòu)成.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roｍLine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：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。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.電源效率：一般隔離式在８０－８5%左右，非隔離式在90％左右電源功率因數(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)。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）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—265VAＣ１0W250-4００VDC10—35mＡ75-1２08０%＞０．９

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單（圖5)。

這種電源的功率因數(shù)大約在０．5－0。6之間.因?yàn)殡娐泛唵?，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.

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LＥD數(shù)效率功率因數(shù)1０0—２30VAC１4。7Ｗ21ＶDC７00mＡ6ｘ2W8５%0。9

這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測(cè)墻上有無可控硅調(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)。

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.

圓錐體的側(cè)面積為πHD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側(cè)面積是πHD/2－πhｄ/2=π（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乘長度l再乘2，再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0．３cm,長度為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。總計(jì)散熱面積為188cm２.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),每瓦所需要的散熱面積大約在３5－60cm2。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35cm2/W。所以188ｃｍ２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?公司品名勤上７.５Ｗ東芝7.2Ｗ三星7．１W真明麗7W錦湖6W飛利浦６W比亞迪4.８W三星4.７WＳtａrＣomｇｉstic4W表面溫度43℃6１℃47℃４5℃48℃4７℃45℃45℃38℃輻射率0。64０。３70．610.940。960。960．９70．71

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?加工容易,而且導(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0．050.20。1-0.２50.02—0．10。04—0.０50．8—０．９粗加工輕微氧化0.5０.５

0.2-0．40.4嚴(yán)重氧化0。7—０．950。8—0．95０。850.3-0．４0.８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)低的不利因素降至最低。現(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)熱系數(shù)大于20w/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.

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.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)椋蹋牛那蚺轃糁亓亢苤?，要比白熾燈?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鋈チ耍酝ㄟ^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:具有高透光、高擴(kuò)散、無眩光、無光影；

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）。

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。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)果公司型號(hào)電壓ＶAC輸入功率W發(fā)光流明lm光效lｍ/Ｗ額定壽命萬小時(shí)重量（無光罩）克

東芝

100８.7W８１093

東芝ＬDA7N10０7Ｗ600834萬58東芝E-Core１004。3W３107２

松下

1006．9Ｗ5７0８2．6

松下

１004.0W３408５

夏普

１007.5Ｗ485（日光)64。6

３８０（暖白）50.6

三星

2207W54０765萬1４０三星

2２０6W3２０6８5萬134錦湖IL—6W1０0-22０5W３５0605萬15２勤上SLA１90790－26５６W５2５７03萬１45燦星網(wǎng)通公司TSK—8E01４W1103W

2205５4萬

比亞迪

1０0-25０4W210444萬

真明麗

1１05W30０46．23萬

飛利浦EＣOA5522０6W2４０404．5萬1１4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.LEＤPAR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LＥDPAR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)。

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.

功率電壓VAC射角(度）光強(qiáng)壽命(小時(shí)）PＡＲ2050W２３0251００0cd2，000LEＤPAＲ2０5x２W1００－24015，3０，４5,6０，９0330lm〉50，０00PAR30100W2３030300０cd2,00０ＬEＤＰAR3０７x2W１00-24０８，15,30，45,6０，９068０ｌm>50,０00PAR３810０W23010,308500（1０o)2５０0（30o）2,００0LＥDＰＡR３８12x2W1０0-２4０８,１５,30，45，６０,90１,140lｍ>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:φ（流明)=4πI（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17-33lｍ／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。

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)

9０-270VAC25W25VDC１Ａ8x3W８3—8６％0.92-0.99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.

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開關(guān)管,而且也因?yàn)楣β蚀?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。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％以上的成長率增長直至2０14年。ＬEＤ球泡