LED球泡燈結構的要求

　　一、LED球泡燈的結構

　　LED 球泡燈可以分為外部結構和內部結構。我們先來(lái)看一下它的外部結構。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）：

　　圖1. LED 球泡燈的外形

　　這是一個(gè)5W 的LED 球泡燈，全長(cháng)13cm，散熱器長(cháng)5cm，直徑4.5cm，泡殼長(cháng)5.2cm，直徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代45W 的白熾燈。其外部結構主要包括3 個(gè)部分，一個(gè)是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內部結構則主要是2 部分，一是恒流驅動(dòng)電源，二是LED 燈板（包括鋁基板和LED）在內（圖2）。

　　圖2. 球泡燈的構成

　　下面分別來(lái)討論這幾個(gè)部分的構成。

　　二、球泡燈的電源

　　因為球泡燈都是用市電供電，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)式是很不恰當的，因為英文原意是From Line 的意思，應該譯成在線(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，那是指負載端是否與火線(xiàn)220V 隔離。一般說(shuō)，非隔離因為不需要隔離變壓器，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)安規檢驗。隔離式就比較安全，比較容易通過(guò)安規，但成本高。

　　2. 電源輸出功率：因為球泡燈的體積大小必須和玻殼的白熾燈相當，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（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?。?/strong>由于球泡燈留給電源的空間很小，所以體積的限制很?chē)馈?/p>

　　下面來(lái)介紹幾種典型的球泡燈電源：

　　二*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)電源的基本指標如下：

　　表1

　　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)有源式的功率因數校正（PFC），可以把它的功率因數提高到>0.9以滿(mǎn)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 )直接加到負載LED 上。

　　假如不要求功率因數的話(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4）。

　　圖4. 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大約在0.5-0.6 之間。因為電路簡(jiǎn)單，所以體積可以做得很小，而且成本很低。

　　二*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5. 采用iW3610 的隔離式電源的電路圖

　　其主要技術(shù)指標如下表所示：

　　表2

　　這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測墻上有無(wú)可控硅調光器，如果有的話(huà)就可以調光，其調光范圍可以從2%調到100%。而且最后采用了PWM 調光，調光頻率高達900Hz，因此避免了閃爍。另外由于采用了準諧振控制使其總效率高達85%。

　　它還有一個(gè)特點(diǎn)是采用變壓器初級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)為球泡燈而設計。

　　圖6. iW3610 的演示板

　　三、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7）。

　　圖7. 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，需要涂覆硅導熱膠以改善導熱。

　　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算。假定其散熱器可以近似為一個(gè)截去尖頂的圓錐體。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8 截頂的圓錐體

　　圓錐體的側面積為eHD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側面積是eHD/2-ehd/2=e(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么這個(gè)截頂以后的側面積就是48.7cm2，可近似為50 平方厘米。而因為大多數散熱器都開(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(cháng)度l 再乘2，再乘以溝槽數。假定溝槽平均深度為0.3cm，長(cháng)度為5cm，溝槽數為46 個(gè)，那么開(kāi)溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆嬌崦娣e為188 cm2。根據經(jīng)驗數據，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。因為球泡燈大部分是用在室內，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，可以得到一個(gè)數量級的概念而已。真正的散熱情況還是要實(shí)際測定才可以。

　　日本的技術(shù)在線(xiàn)拆解了幾種LED 球泡燈。并實(shí)測了其泡殼溫度，結果如下表所示：因為室溫是相同的：

　　表3 幾種球泡燈的外殼溫度

　　表中的球泡燈功率從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61 度。這是因為東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，在同樣的系統熱阻和功耗情況下，LED 芯片的結溫也越高，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。根據目前的LED 光效，它的流明數也就相當于60W白熾燈。隨著(zhù)以后LED 光效的逐年提高，相信會(huì )出現同樣大小而能取代100W 的白熾燈。

　　散熱器的材料目前大多數采用鋁合金，因為成本低廉，加工容易，而且導熱性好。但是最近出現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。因為最后的散熱主要靠對流和輻射。而對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如下表所示：

　　表4

　　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。而導熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達到極高的輻射系數。因此只要其外形和金屬散熱器一樣，那么其對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壁，就可以把這個(gè)熱傳導低的不利因素降至最低?，F在已經(jīng)有導熱系數大于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。只是其導熱系數可以做得更高，當然成本也要高很多。

　　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)安規檢驗。

　　此外，為了改善泡殼里恒流驅動(dòng)電源的散熱，通常都要加入導熱密封膠，以取代導熱差的空氣。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。

　　四．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。但是因為L(cháng)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 球泡燈因為熱量都從散熱器散出去了，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。因為L(cháng)ED 存在眩光的問(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.透光率達到90％以上；

　　4.具有高阻燃性；

　　5.具有高抗沖擊強度；

　　現在國內有一種稱(chēng)為智光LED 光學(xué)燈罩的據說(shuō)可以實(shí)現所有以上要求（圖9）。

　　圖 9 各種LED 塑料泡殼

　　假如真的可以實(shí)現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(guān)圖如圖10所示。

　　圖10 智光LED 光學(xué)燈罩的外觀(guān)圖

　　五．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)測結果：

　　表5

　　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，要能達到100lm/W 的整體光效還有一段路程要走。