LED球泡发展现状解析.doc

1、LED球泡发展现状解析进入2011年以后，LED逐步向室内照明进军，这也意味着开始向民用家庭进军。一方面这是一个大喜事，因为民用的市场是专门之大；另一方面也是一个极为严峻的挑战，因为民用市场要求成本专门低，可靠性专门高。现在离开完全满足民用市场的要求还专门远，能够讲还有专门长的路要走。最一般的民用灯确实是白炽灯，也确实是我们一般用的灯泡。因此如果LED要取代白炽灯泡，就要开发出一种不管在灯头形状依旧外型上都和白炽灯泡类似的灯泡，这确实是我们通常称为LED球泡灯。能够想象，球泡灯的市场是十分庞大的。对LED球泡灯的要求因为要替换白炽灯，因此至少要有以下几方面的要求：1.亮度要相当 白炽灯通常只讲

2、瓦数而不讲流明数。LED尽管也能够只讲瓦数，然而由于LED的光效还在持续进展，只讲瓦数并不能代表其流明数。白炽灯最常用的瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要讲流明数，那么能够用白炽灯的发光效率来运算。白炽灯的发光效率在7.5-12lm/W。瓦数越大效率越高。因此上面列出几种瓦数的白炽灯的相对流明数能够列表如下：如果采纳LED来取代，也能够得出相应的瓦数。然而因为LED的发光效率在持续攀升，因此专门难给出准确的数字。假定采纳目前通常的LED1，其光效为100lm/W，如果采纳最高光效的LED2，其光效为130lm/W（暖白的光效会低于此值）。就能够得出对这两种光效LE

3、D相应的瓦数来。然而因为LED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定为85%，另外因为LED不可能采纳透亮泡壳，而只能采纳乳白泡壳。其透光率大约为85%。二者相乘等于0.72。.考虑以上因素以后就能够得出和白炽灯相当的瓦数来。由表中可见，LED2在同样亮度时大约能够节约10倍的功率。有一点需要专门讲明的。确实是从目前LED球泡灯的光效和散热来讲，它还不可能做到10瓦以上，也确实是讲目前还只有能够取代60-75W白炽灯的LED球泡灯。因此PAR灯就另当不论了（后面将讨论）。2.外形要类似 通常白炽灯为梨形的，因此LED球泡灯也应当为梨形的。这点是专门容易做到。然而白炽灯为全玻璃制品，LED因为要

4、散热就专门难采纳全玻璃的结构。下面会详细讨论LED球泡灯的结构。3.体积大小要相当，因为LED需要恒流源和散热器，因此这是专门难做到的4.重量要相当，同样因为LED需要恒流源和散热器，因此这也是专门难做到的5.灯头要相同 中国过去大差不多上采纳卡口式，改革开放以后大都改用和美国一样的螺口式。确实是美国的E26或E27。这点也依旧专门容易做到的6.电源要相同，都应该是220VAC（或美国的110VAC），这也是没咨询题的。二LED球泡灯的结构LED球泡灯能够分为外部结构和内部结构。我们先来看一下它的外部结构。一个典型的LED球泡灯的外形如图1所示（这是作者最近在美国硅谷Frys电子商店上看到的最

5、大功率的LED球泡灯，价$40）：图1：LED球泡灯的外形这是一个5W的LED球泡灯，全长13cm，散热器长5cm，直径4.5cm，泡壳长5.2cm，直径5.5cm，重量114克。它大约能够取代45W的白炽灯。其外部结构要紧包括3个部分，一个是灯头，二是散热器，三是泡壳。而内部结构则要紧是2部分，一是恒流驱动电源，二是LED灯板（包括铝基板和LED）在内（图2）。图2：球泡灯的构成下面分不来讨论这几个部分的构成。三球泡灯的电源因为球泡灯差不多上用市电供电，因此电源也必须是市电交流输入的，英文称为Off-Line，有把中文译成离线式是专门不恰当的，因为英文原意是From Line的意思，应该译成

6、在线，但又会和网络的在线相混，因此不如就直截了当称为市电式电源。球泡灯的市电式电源差不多指标如下：1.电源差不多类型：要紧分隔离式和非隔离式两种，那是指负载端是否与火线220V隔离。一样讲，非隔离因为不需要隔离变压器，因此成本低，但要求铝基板耐压高，否则散热器就有可能带电。因此比较不容易通过安规检验。隔离式就比较安全，比较容易通过安规，但成本高。2.电源输出功率：因为球泡灯的体积大小必须和玻壳的白炽灯相当，因此散热器大小有限，目前还不能超过9W。3.电源效率：一样隔离式在80-85%左右，非隔离式在90%左右4.电源功率因数（PF）：不加PF校正在0.5-0.6,加PF校正在0.9-0.99左

7、右5.体积大小：由于球泡灯留给电源的空间专门小，因此体积的限制专门严。下面来介绍几种典型的球泡灯电源。3.1非隔离式电源下面是一个采纳美国安森美NCP1014的非隔离式电源原理图（图3）图3：非隔离式电源原理图那个电源的差不多指标如下：图4：NCP1014LEDGT外形图事实上那个电源的核心确实是一个恒流二极管NSI45025，以确保LED恒流在25mA。因此它只能用于小功率贴片式的LED。其中外加的集成电路NCP1014实际上是一个有源式的功率因数校正（PFC），能够把它的功率因数提升到0.9以满足美国能源之星的要求。输入端的L1,C1,C2是一个防电磁干扰EMI的滤波器。它的缺点是非隔离，

8、因此220V会直截了当加到负载LED上。事实上如果不要求功率因数的话，那么采纳恒流二极管(CRD)的电源方案能够做得专门简单（图5）。图5：最简单的采纳恒流二极管的球泡灯电源这种电源的功率因数大约在0.5-0.6之间。因为电路简单，因此体积能够做得专门小，而且成本专门低。3.2隔离式电源为了提升安全性，最好采纳隔离式电源，如此就多了一个隔离变压器，增加了体积、成本，降低了效率。图6是一个采纳iWatt公司iW3610的反激式隔离电源电路图。事实上那个芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分类似。图6：采纳iW3610 的隔离式电源的电路图其要紧技术指标如下表所示：那个电路还能够自动

9、检测墙上有无可控硅调光器，如果有的话就能够调光，其调光范畴能够从2%调到100%。而且最后采纳了PWM调光，调光频率高达900Hz，因此幸免了闪耀。另外由于采纳了准谐振操纵使其总效率高达85%。它还有一个特点是采纳变压器初级反馈从而取消了光耦合器件。它的外形图如图7所示。其外形是专门为球泡灯而设计。图7： iW3610的演示板四球泡灯的散热器球泡灯的LED通常焊接在一块铝基板（LED底板）上，这块铝基板再和一片圆形铝散热板固定，然后再把这块铝散热板固定到散热器外壳上去（见图8）。图8：LED底板如何固定到散热器上去图中的铝散热板上能够看出有精加工的痕迹。通过精加工以后LED底板就能够直截了当固

10、定上去，否则的话，二者之间会有气隙，需要涂覆硅导热胶以改善导热。球泡灯由于体积的限制因此散热是一个大咨询题。不管是哪种散热器差不多上只能依靠对流和辐射两种方法来把热量散发到空气中去，而这两种散热的能力差不多上和它的散热的面积成正比。而球泡灯的散热面积能够如下运算。假定其散热器能够近似为一个截去尖顶的圆锥体。假定大圆锥体的高度为H，直径为D，而截去的小圆锥体的高度为h，直径为d。图9：截顶的圆锥体圆锥体的侧面积为HD/2，因此截去一个尖顶以后的侧面积是HD/2-hd/2=(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么那个截顶以后的侧面积确实是48.7cm2，可近似为

11、50平方厘米。而因为大多数散热器都开了沟槽，以增加其散热面积，开沟槽以后所增加的散热面积为沟槽深度g乘长度l再乘2，再乘以沟槽数。假定沟槽平均深度为0.3cm，长度为5cm，沟槽数为46个，那么开沟槽以后增加的面积为0.3x5x2x46=138. cm2。总计散热面积为188 cm2。按照体会数据，每瓦所需要的散热面积大约在35-60 cm2。具体要多大取决于环境温度和承诺的升温。因为球泡灯大部分是用在室内，环境温度不是专门高，因此能够采纳35 cm2/W。因此188 cm2的散热面积能够散大约5.3W左右。只是这只是极为粗略的估量，能够得到一个数量级的概念而已。真正的散热情形依旧要实际测定才

12、能够。日本的技术在线拆解了几种LED球泡灯。并实测了其泡壳温度，结果如下表所示：因为室温是相同的，下表 几种球泡灯的外壳温度。图中的球泡灯功率从7.5W到4W。温升最低的是4W球泡灯，其外壳温度为38度。温升最高的为东芝照明的7.2W球泡灯，其表面温度高达61度。这是因为东芝的球泡灯散热器没有开槽沟的缘故。因此不开槽沟的散热器，尽管表面光滑，外形好看，但其散热成效会差专门多。而表面温度越高，在同样的系统热阻和功耗情形下，LED芯片的结温也越高，LED的寿命就越短。由于球泡灯散热器面积的限制，因此专门难散热超过7-9W。按照目前的LED光效，它的流明数也就相当于60W白炽灯。随着以后LED光效的

13、逐年提升，相信会显现同样大小而能取代100W的白炽灯。散热器的材料目前大多数采纳铝合金，因为成本低廉，加工容易，而且导热性好。然而最近显现了专门多绝缘的塑料散热器和陶瓷散热器，其散热成效也不差。因为最后的散热要紧靠对流和辐射。而对流完全由其形状和面积决定。辐射则和材料的辐射性有关。各种材料的热辐射系数如下表所示：由表中可见，氧化处理是改进金属材料的辐射散热的重要途径。而导热塑料则不需要任何氧化处理就能够达到极高的辐射系数。因此只要其外形和金属散热器一样，那么其对流和辐射的成效是和金属散热器的成效是相同的。然而其热传导性能确信不如金属，因此整体散热成效会差一些。然而如果把它做得尽可能薄，再加上一

14、层金属的内壁，就能够把那个热传导低的不利因素降至最低。现在差不多有导热系数大于20 w/mk的塑料，然而其单价比较高。陶瓷散热器的情形和塑料散热器情形一样。只是其导热系数能够做得更高，因此成本也要高专门多。图10是上海龙茂微电子公司的6W塑料外壳球泡灯。它的散热器温度为67度。图10： 一个6W的塑料散热器LED球泡灯塑料和陶瓷的最大优点是绝缘，因此即使采纳非隔离电源也容易通过安规检验。此外，为了改善泡壳里恒流驱动电源的散热，通常都要加入导热密封胶，以取代导热差的空气。还有一种方法是在散热器上打孔，以便空气的流通。然而就会有防水的咨询题。五球泡灯的泡壳所谓泡壳确实是指前面透亮的玻壳。在白炽灯中

15、，全部差不多上由玻璃做成的外壳，然而在球泡灯中，尽管也能够用玻璃做前面的外壳，实际上也是有如此做的。然而因为LED球泡灯重量专门重，要比白炽灯重5倍以上，如果用玻璃做的话，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡灯采纳塑料做泡壳，以防摔坏。而且LED球泡灯因为热量都从散热器散出去了，因此通过泡壳的光大差不多上可见光，专门少有发热的红外线，因此采纳塑料来做泡壳也可不能由于过热而损坏。然而塑料外壳的最大咨询题是透光率的咨询题。因为LED存在眩光的咨询题，因此尽可能采纳乳白色的泡壳，以免看到里面的LED灯珠。而乳白色的泡壳。其透光率就更成咨询题了。因此关于用于LED球泡灯泡壳的塑料有以下

16、要求：1.具有高透光、高扩散、无眩光、无光影；2.光源隐藏性要好（尽可能看不到LED灯珠）；3.透光率达到90以上；4.具有高阻燃性；5.具有高抗冲击强度；现在国内有一种称为智光LED光学灯罩的据讲能够实现所有以上要求（图11）。图11：各种LED塑料泡壳（点击图表放大）如果确实能够实现94%的透光率，而且还能防眩光，无光影，那么确实是十分理想的了。其外观图如图12所示。图12：智光LED光学灯罩的外观图六几种品牌LED球泡灯下面列出了几种市面上批量生产的品牌LED球泡灯的实测结果能够注意到一个60W的玻壳白炽灯重量只有28g。要比这些LED球泡灯轻5倍左右。另外表中的发光效率不是LED本身的

17、发光效率，而是指整个球泡灯的发光效率，其中包括了电源的效率和光罩的透光率。因此，要能达到100lm/W的整体光效还有一段路程要走。七LED PAR灯PAR灯实际上是飞利浦公司的一种大功率卤素灯的规格，飞利浦把它称为“氯铵灯”。然而那个名字并没有得到推广。一样称为“筒灯”或者“射灯”。而射灯要紧是指那种具有MR16插座的灯，因此我们临时还称它为PAR灯或筒灯。因为要和这种PAR灯兼容，因此大功率LEDPAR灯就也采纳和PAR灯相同的尺寸。只是结构不同，瓦数不同，亮度不同。飞利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图如图13所示。而相兼容的LED的PAR灯，其外形尺寸和他们完全相同（图1

18、4）。图13：飞利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图图14 ：和PAR20、PAR30、PAR38相对应的LED筒灯采纳LED以后，由于没有统一的规格，因此具有各种不同的性能指标，现在选择其中比较典型者和原先飞利浦卤素灯的指标比较如下表所示。其中光强指标二者所用的单位不同，飞利浦采纳cd（烛光），而通常LED则采纳lm（流明）。二者的关系如下：（流明）=4I（烛光）。然而因为二者的发射立体角不同，因此无法换算。只能大致讲，卤素灯的发光效率大约为17-33 lm/W。而LED的发光效率在100-130lm/W。约比卤素灯高4-6倍。PAR灯和球泡灯的结构差不多相同，只是体积大一些

19、，瓦数大一些。因此要求的电源功率也要大一些。 今年2月美国凌特公司宣布了一个用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它能够驱动4-100W的LED，而且本身带PFC，外置功率MOSFET开关管，反激隔离式而不需要光耦合器，外置元件减到最少，而且还能够用于可控硅调光。图15：可用于高功率LED PAR灯的反激式隔离型恒流电源 那个电路图是一个给24瓦PAR灯用的演示板的电路图。其要紧技术指标如下：它的演示版的布置图如图16所示。具体应用时因此也能够设计成圆形。图16：LT3799的演示版那个市电恒流源因为功率大，而且能够适应4-100W的宽功率范畴，因此一定是采纳外置MOS开关管，而且也因为功

20、率大，因此要求采纳功率因数校正（PFC）。关于不同的功率，除了要选择不同的MOS管外，还要求选择不同大小的变压器。变压器加大了整个恒流源的体积和重量，降低了效率。然而这是为隔离市电所必需的。八LED球泡灯的市场前景据有关方面估量，LED将以每年30%以上的成长率增长直至2014年。LED球泡灯如果要全部取代白炽灯的话，其全球市场规模达到6400亿美元，而到2010年12月为止，LED球泡灯销售量为2000万颗。其市场渗透率只有3.2%，估量到2013年能够达到12.5%。也确实是相当于800亿美元的销售额。而其单价将以每年15-20%的速度递降。一个能够取代60W白炽灯的LED球泡灯，在200

21、8年卖90美元，到2010年就只卖40美元。而中国更是生产和使用白炽灯的大国，2009年生产的白炽灯37.9亿只，约为全球产量的三分之一，本国每年消费14亿只。然而中国还没有规定何时禁止白炽灯的生产的日期，而只是预备通过征收消费税来加快剔除白炽灯。然而，目前也只是预备用节能灯来取代白炽灯，而不是用LED球泡灯来取代。因此尽管中国也生产了许多LED球泡灯，然而要紧为出口。本国销售的只占极少数。其全然的咨询题依旧价钞票太贵。只是随着LED发光效率的提升，生产成本的降低，LED球泡灯一定会有一天能够全部取代白炽灯。假定取代全中国的白炽灯需要10年的时刻，我们能够来粗略地估量一下这十年里在中国LED球泡灯的取代过程。*由于人民币汇率不行推测，因此以美元计现在LED的最高发光效率大约为140lm/W，估量到2020年，LED的光效将要提升到240lm/W。这就能够降低电源功耗，减小散热器体积和重量。从而降低整个LED球泡灯的成本。那时候，LED球泡灯全面取代白炽灯的时代就会到来！