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LED球泡燈結構的要求
2014/11/1 10:52:34

  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。我們先來看一下它的外部結構。一個典型的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$40):

  圖1. LED 球泡燈的外形

  這是一個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。其外部結構主要包括3 個部分,一個是燈頭,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

  下面分別來討論這幾個部分的構成。

  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,英文稱為Off-Line,有把中文譯成離線式是很不恰當的,因為英文原意是From Line 的意思,應該譯成在線,但又會和網絡的在線相混,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如下:

  1. 電源基本類型:主要分隔離式和非隔離式兩種,那是指負載端是否與火線220V 隔離。一般說,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安規檢驗。隔離式就比較安全,比較容易通過安規,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. 體積大小:由于球泡燈留給電源的空間很小,所以體積的限制很嚴。

  下面來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

  這個電源的基本指標如下:

  表1

  其實這個電源的核心就是一個恒流二極管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 實際上是一個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以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2 是一個防電磁干擾EMI 的濾波器。它的缺點是非隔離,所以220V 會直接加到負載LED 上。

  假如不要求功率因數的話,那么采用恒流二極管(CRD)的電源方案可以做得很簡單(圖4)。

  圖4. 最簡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,這樣就多了一個隔離變壓器,增加了體積、成本,降低了效率。圖6 是一個采用iWatt 公司iW3610 的反激式隔離電源電路圖。其實這個芯片和Cypress 公司的CY8CLEDAC02 十分類似。

  圖5. 采用iW3610 的隔離式電源的電路圖

  其主要技術指標如下表所示:

  表2

  這個電路還可以自動檢測墻上有無可控硅調光器,如果有的話就可以調光,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%。

  它還有一個特點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。其外形是專門為球泡燈而設計。

  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大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對流和輻射兩種方法來把熱量散發到空氣中去,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。假定溝槽平均深度為0.3cm,長度為5cm,溝槽數為46 個,那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2。總計散熱面積為188 cm2。根據經驗數據,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境溫度和允許的升溫。因為球泡燈大部分是用在室內,環境溫度不是很高,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。不過這只是極為粗略的估計,可以得到一個數量級的概念而已。真正的散熱情況還是要實際測定才可以。

  日本的技術在線拆解了幾種LED 球泡燈。并實測了其泡殼溫度,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。隨著以后LED 光效的逐年提高,相信會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。各種材料的熱輻射系數如下表所示:

  表4

  由表中可見,氧化處理是改進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,就可以把這個熱傳導低的不利因素降至最低。現在已經有導熱系數大于20 w/mk 的塑料,但是其單價比較高。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點是絕緣,所以即使采用非隔離電源也容易通過安規檢驗。

  此外,為了改善泡殼里恒流驅動電源的散熱,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。但是就會有防水的問題。

  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,實際上也是有這樣做的。但是因為LED 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,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,所以通過泡殼的光大都是可見光,很少有發熱的紅外線,所以采用塑料來做泡殼也不會由于過熱而損壞。

  但是塑料外殼的最大問題是透光率的問題。因為LED 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;

  現在國內有一種稱為智光LED 光學燈罩的據說可以實現所有以上要求(圖9)。

  圖 9 各種LED 塑料泡殼

  假如真的可以實現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10所示。

  圖10 智光LED 光學燈罩的外觀圖

  五.幾種品牌LED 球泡燈

  下面列出了幾種市面上批量生產的品牌LED 球泡燈的實測結果:

  表5

  可以注意到一個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。另外表中的發光效率不是LED 本身的發光效率,而是指整個球泡燈的發光效率,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。

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