解析LED球泡燈需要注意的技術(shù)細節

進(jìn)入2011年以后，led逐漸向室內照明進(jìn)軍，這也意味著(zhù)開(kāi)始向民用家庭進(jìn)軍。一方面這是一個(gè)大喜事，因為民用的市場(chǎng)是非常之大；另一方面也是一個(gè)極為嚴重的挑戰，因為民用市場(chǎng)要求成本特別低，可靠性特別高?，F在離開(kāi)完全滿(mǎn)足民用市場(chǎng)的要求還很遠，可以說(shuō)還有很長(cháng)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LED球泡燈?？梢韵胂?，球泡燈的市場(chǎng)是十分巨大的。

一．對LED球泡燈的要求

因為要替換白熾燈，所以至少要有以下幾方面的要求：

1.亮度要相當白熾燈通常只講瓦數而不講流明數。LED雖然也可以只講瓦數，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展，只說(shuō)瓦數并不能代表其流明數。白熾燈最常用的瓦數有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來(lái)計算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W。瓦數越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數的白熾燈的相對流明數可以列表如下：

如果采用LED來(lái)取代，也可以得出相應的瓦數。但是因為L(cháng)ED的發(fā)光效率在不斷攀升，所以很難給出準確的數字。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）。就可以得出對這兩種光效LED相應的瓦數來(lái)。但是因為L(cháng)ED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定為85%，另外因為L(cháng)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的瓦數來(lái)。由表中可見(jiàn)，LED2在同樣亮度時(shí)大約可以節省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60-75W白熾燈的LED球泡燈。當然PAR燈就另當別論了（后面將討論）。

2.外形要類(lèi)似通常白熾燈為梨形的，所以L(fǎng)ED球泡燈也應當為梨形的。這點(diǎn)是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃制品，LED因為要散熱就很難采用全玻璃的結構。下面會(huì )詳細討論LED球泡燈的結構。

3.體積大小要相當，因為L(cháng)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，同樣因為L(cháng)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(guò)去大都是采用卡口式，改革開(kāi)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，都應該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒(méi)問(wèn)題的

二．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。

三．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FromLine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?。河捎谇蚺轃袅艚o電源的空間很小，所以體積的限制很?chē)馈?

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：

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。

其實(shí)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。

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)指標如下表所示：

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，需要涂覆硅導熱膠以改善導熱。

圖9截頂的圓錐體

圓錐體的側面積為πHD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側面積是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188cm2。根據經(jīng)驗數據，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35cm2/W。所以188cm2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，

圖10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：

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。只是其導熱系數可以做得更高，當然成本也要高很多。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(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。

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11）。

圖11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12所示。

圖12智光LED光學(xué)燈罩的外觀(guān)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)測結果

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。

七．LEDPAR燈

PAR燈實(shí)際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素燈的規格，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。因為要和這種PAR燈兼容，所以大功率LEDPAR燈就也采用和PAR燈相同的尺寸。只是結構不同，瓦數不同，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）。

圖13.飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖

圖14和PAR20、PAR30、PAR38相對應的led筒燈

采用LED以后，由于沒(méi)有統一的規格，所以具有各種不同的性能指標，現在選擇其中比較典型者和原來(lái)飛利浦鹵素燈的指標比較如下表所示。

其中光強指標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）。但是因為二者的發(fā)射立體角不同，所以無(wú)法換算。只能大致說(shuō)，鹵素燈的發(fā)光效率大約為17-33lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W。約比鹵素燈高4-6倍。

PAR燈和球泡燈的結構基本相同，只是體積大一些，瓦數大一些。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恒流驅動(dòng)的IC（LT3799），它可以驅動(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光。

圖15可用于高功率LEDPAR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)指標如下：

它的演示版的布置圖如圖16所示。具體應用時(shí)當然也可以設計成圓形。

圖16.LT3799的演示版

這個(gè)市電恒流源因為功率大，而且可以適應4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開(kāi)關(guān)管，而且也因為功率大，所以要求采用功率因數校正（PFC）。對于不同的功率，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

據有關(guān)方面估計，LED將以每年30%以上的成長(cháng)率增長(cháng)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)規模達到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%，預計到2013年可以達到12.5%。也就是相當于800億美元的銷(xiāo)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(mài)90美元，到2010年就只賣(mài)40美元。

而中國更是生產(chǎn)和使用白熾燈的大國，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，本國每年消費14億只。但是中國還沒(méi)有規定何時(shí)禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期，而只是準備通過(guò)征收消費稅來(lái)加快淘汰白熾燈。然而，目前也只是準備用節能燈來(lái)取代白熾燈，而不是用LED球泡燈來(lái)取代。所以雖然中國也生產(chǎn)了不少LED球泡燈，但是主要為出口。本國銷(xiāo)售的只占極少數。其根本的問(wèn)題還是價(jià)錢(qián)太貴。不過(guò)隨著(zhù)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。假定取代全中國的白熾燈需要10年的時(shí)間，我們可以來(lái)粗略地估計一下這十年里在中國LED球泡燈的取代過(guò)程。

*由于人民幣匯率不好預測，所以以美元計

現在LED的最高發(fā)光效率大約為140lm/W，預計到2020年，LED的光效將要提升到240lm/W。這就可以降低電源功耗，減小散熱器體積和重量。從而降低整個(gè)LED球泡燈的成本。那時(shí)候，LED球泡燈全面取代白熾燈的時(shí)代就會(huì )到來(lái)！