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关于LED球泡灯的必备常识(精)

2019-10-06 03:12

  关于LED球泡灯的必备常识(精)_职业技术培训_职业教育_教育专区。关于LED球泡灯的必备常识(精)

  关于 LED 球泡灯的必备常识 作者:茅于海 进入 2011 年以后,LED 逐渐向室内照明进军,这也意味着开始向民用家庭进 军。一方面这是一个大喜事,因为民用的市场是非常之大;另一方面也是一个极为 严重的挑战,因为民用市场要求成本特别低,可靠性特别高。现在离开完全满足民 用市场的要求还很远,可以说还有很长的路要走。 最普通的民用灯就是白炽灯,也就是我们普通用的灯泡。所以如果 LED 要取 代白炽灯泡,就要开发出一种无论在灯头形状还是外型上都和白炽灯泡类似的灯 泡,这就是我们通常称为 LED 球泡灯。可以想象,球泡灯的市场是十分巨大的。 一. 对 LED 球泡灯的要求 因为要替换白炽灯,所以至少要有以下几方面的要求: 1. 亮度要相当 白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数。LED 虽然也可以只讲瓦 数,但是由于 LED 的光效还在不断发展,只说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,那么可以用白炽灯的发光效率来计算。白炽灯的发光效率在 7.5-12lm/W。瓦 数越 大效率越高。所以上面列出几种瓦数的白炽灯的相对流明数可以列表如下: 瓦数 W 15 30 45 60 75 100 发光效率 lm/W 7.5 8 8.5 9.5 10.5 12 白炽灯 流明数 lm 112.5240 382.5 570 787.5 1200 LED1 瓦数 W 1.56 3.3 5.3 7.9 10.9 16.6 LED2 瓦数 W 1.2 2.6 4.1 6.1 8.4 12. 如果采用 LED 来取代,也可以得出相应的瓦数。但是因为 LED 的发光效率在 不断攀升,所以很难给出准确的数字。假定采用目前通常的 LED1,其光效为 100lm/W,假如采用最高光效的 LED2,其光效为 130lm/W(暖白的光效会低于此 值)。就可以得出对这两种光效 LED 相应的瓦数来。但是因为 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 不可能采用透明泡壳,而只 能采用乳白泡壳。其透光率大约为 85%。二者相乘等于 0.72。.考虑以上因素以后 就可以得出和白炽灯相当的瓦数来。由表中可见,LED2 在同样亮度时大约可以节 省 10 倍的功率。有一点需要特别说明的。就是 从目前 LED 球泡灯的光效和散热 来说,它还不可能做到 10 瓦以上,也就是说目前还只有可以取代 60-75W 白炽灯 的 LED 球泡灯。当然 PAR 灯就另当别论 了(后面将讨论)。 外形要类似 通常白炽灯为梨形的,所以 LED 球泡灯也应当为梨形的。这点 是很容易做到。但是白炽灯为全玻璃制品,LED 因为要散热就很难采用全玻璃的 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,所以这是非常难做到的 4. 重量要相当,同样因为 LED 需要恒流源和散热器,所以这也是非常难做到 的 5. 灯头要相同 中国过去大都是采用卡口式,改革开放以后大都改用和美国一 样的螺口式。就是美国的 E26 或 E27。这点也还是很容易做到的 6. 电源要相同,都应该是 220VAC(或美国的 110VAC),这也是没问题的 二. LED 球泡灯的结构 LED 球泡灯可以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 Fry’s 电子商 店上看到的最大功率的 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。它大约可以取代 45W 的 白炽灯。其外部结 构主要包括 3 个部分,一个是灯头,二是散热器,三是泡壳。而内部结构则主要是 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 下面分别来讨论这几个部分的构成。 三. 球泡灯的电源 因为球泡灯都是用市电供电,所以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很不恰当的,因为英文原意是 From Line 的意 思,应该译成在线,但又会和网络的在线相混,所以不如就直接称为市电式电源。 球泡灯的市电式电源基本指标如下: 1. 电源基本类型:主要分隔离式和非隔离式两种,那是指负载端是否与火线V 隔离。一般说,非隔离因为不需要隔离变压器,所以成本低,但要求铝基板 耐压 高,否则散热器就有可能带电。所以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,所以散热 器大小有限,目前还不能超过 9W。 3. 电源效率:一般隔离式在 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 左右 5. 体积大小:由于球泡灯留给电源的空间很小,所以体积的限制很严。 下面 来介绍几种典型的球泡灯电源。 3.1 非隔离式电源 下面是一个采用美国安森美 NCP1014 的非隔离式电源原理图(图 3) 图 3. 非隔离式电源原理图 这个电源的基本指标如下: 输入电压 输出功率 输出电压 输出电流 LED 数 效率 功率因数 90-265VAC 10W 250400VDC 10-35mA 75-120 80% 0.9 图 4. NCP1014LEDGT 外形图 其实这个电源的核心就是一个恒流二极管 NSI45025,以确保 LED 恒流在 25mA。所以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),可以把它的功率因数提高到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,所以 220V 会直接加到负载 LED 上。 其实假如不要求功率因数的话,那么采用恒流二极管(CRD 的电源方案可以做 得很简单(图 5)。 EET china.com 图 5. 最简单的采用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,所以体积可以做得 很小,而且成本很低。 3.2 隔离式电源 为了提高安全性,最好采用隔离式电源,这样就多了一个隔离变压器,增加了 体积、成本,降低了效率。图 6 是一个采用 iWatt 公司 iW3610 的反激式隔离电源 电路图。其实这个芯片和 Cypress 公司的 CY8CLEDAC02 十分类似。 图 6. 采用 iW3610 的隔离式电源的电路图 其主要技术指标如下表所示: 输入电压 输出功率 输出电压 输出电流 LED 数 效率 功率因数 100-230VAC 14.7W 21VDC 700mA 6x2W 85% 0.9 这个电路还可以自动检测墙上有无可控硅调光 器,如果有的话就可以调光,其调光范围可以从 2%调到 100%。而且最后采用了 PWM 调光,调光频率高达 900Hz, EET china.com 因此避免了闪烁。另外由于采用了准谐振控制使其总效率 高达 85%。它还有一个 特点是采用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 可以看出有精加工的痕迹。 经过精加工以后 LED 底板就可以直 接固定上去,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 制所以散热是一个大问题。 无论是哪种散热器都是只能依靠 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都是和它的 散热 的面积成正比。 而球泡灯的散热面积可以如下计算。假定其散热器可以近 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 πHD/2,所以截去一个尖顶以后的侧面 积是 πHD/2-πhd/2=π(HD-hd/2。假定 H=8cm,h=3cm,D=5cm,d=3cm,那么这个 截 顶以后的侧面积就是 48.7cm2, 可近似为 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 2 为 46 个,那么开沟槽以后增加的面积为 0.3x5x2x46=138. cm 。总计散热面积为 2 2 188 cm 。根据经验数据,每瓦所需要的散热面积大约在 35-60 cm 。具体要多大 取决于环境温度和允许的升温。因为球泡灯大部分是用在室内,环境温度不是很 高,所以可以采用 35 cm2/W。所以 188 cm2 的散热面积可以散大约 5.3W 左右。 不 过这只是极为粗略的估计,可以得到一个数量级的概念而已。真正的散热情况 还 是要实际测定才可以。 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, Star 公司品 名 勤上 东芝 7.5W 7.2W 三星 7.1W 47℃ 0.6 线 飞利浦 比亚迪 三星 Comgistic 6W 47℃ 0.96 4.8W 45℃ 0.96 4.7W 4W 表面温 43℃ 61℃ 度 辐射率 0.64 0.37 45℃ 0.97 38℃ 0.71 图 10 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。所以不开槽沟的散热器,虽然表面光滑,外 形好看, 但其散热效果会差 很多。 而表面温度越高, 在同样的系统热阻和功耗 情 况下,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,所以很难散热超过 7- 9W。根据目前的 LED 光效, 它的流明数也就相当于 60W 白炽灯。随着以后 LED 光效的逐年提高,相信会出现 同样大小而能取代 100W 的白炽灯。 散热器的材料 目前大多数采用铝合金, 因为成本低廉, 加工容易, 而且导热性好。 但是最近出 现了很多绝缘的塑料散热器和陶瓷散热器,其散热效果也不差。因为 最 后的散热 主要靠对流和辐射。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: 材料 抛光未氧化 钢 0.05 铸铁 0.2 0.5 不锈钢 铝 铜 导热塑 料 0.1- 0.25 0.02- 0.1 0.04- 0.05 0.2-0.4 0.4 0.3-0.4 0.8 0.8-0.9 粗加工轻微氧化 0.5 严 重氧化 0.7- 0.95 0.8- 0.95 0.85 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可以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效果是和金属散热器的效果 是相同的。但是其热传导 性能肯定不如金属,所以整体散热效果会差一些。但是 如果把它做得尽可能薄, 再加上一层 金属的内壁,就可以把这个热传导低的不利 因素降至最低。现在已 经有导热系数大于 20 w/mk 的塑料,但是其单价比较高。 陶瓷散热器的情况和塑 料散热器情况一样。只是其导热系数可以做得更高,当然 成本也要高很多。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 11 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,所以即使采用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。但是就会有 防水的问题。 五. 球泡 灯的泡壳 所谓泡壳就是指前面透明的玻壳。在白炽灯中,全部都是 由玻璃做成的外壳,但 是在球泡灯中,虽然也可以用玻璃做前面的外壳,实际上 也是有这样做的。但是 因为 LED 球泡灯重量很重,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 球泡灯采用 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,所以通 过泡壳的光大都是 可见光,很少有发热的红外线,所以采用塑料来做泡壳也不会 由于过热而损坏。 但是塑料外壳的最大问题是透光率的问题。因为 LED 存在眩光 的问题,所以尽可 能采用乳白色的泡壳,以免看到里面的 LED 灯珠。而乳白色的 泡壳。其透光率就 更成问题了。所以对于用于 LED 球泡灯泡壳的塑料有以下要 求: 1.具有高透光、高扩散、无眩光、无光影; 2.光源隐蔽性要好(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 光学灯罩的据说可以实现所有以上要求(图 12)。 图 12 各种 LED 塑料泡壳 假如线%的透光率,而且还能防眩光,无 光影,那么真的是十分理 想的了。其外观图如图 12 所示。 图 13 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 电压 公司 东芝 东芝 东芝 松下 松下 夏普 三星 三星 锦湖 勤上 型号 VAC 100 100 100 100 100 100 220 220 100-220 90-265 额定寿命 万小时 重量(无光 罩克 输入功 发光流明 光效 率 W lm lm/W 8.7W 7W 4.3W 6.9W 4.0W 7.5W 7W 6W 5W 6W 3W 810 93 600 83 310 72 570 82.6 340 85 485 (日光 64.6 380 (暖白) 50.6 540 76 320 68 350 60 525 70 220 55 LDA7N E-Core 4 万 58 IL-6W SLA1907 5 万 5 万 5 万 3 万 4 万 140 134 152 145 灿星网 TSK-8E014W 110 通公司 比亚迪 真明丽 飞利浦 ECOA55 100-250 4W 110 5W 220 6W 210 300 240 44 46.2 40 4 万 3 万 4.5 万 114 可以注意到一个 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。所以,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”。但是这个名字并没有得到推广。一般称为“筒灯”或者“射灯”。而射灯 主 要是指那种具有 MR16 插座的灯,所以我们暂时还称它为 PAR 灯或筒灯。因为 要和这种 PAR 灯兼容,所以大功率 LED PAR 灯就也采用和 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 14 所示。而相 兼容的 LED 的 PAR 灯,其外形尺寸和他们完全相同 (图 15)。 图 14. 飞利浦公司的 PAR20、PAR30 和 PAR38 的外形图 图 15 和 PAR20、PAR30、PAR38 相对应的 LED 筒灯 采 用 LED 以后,由于没有统一的规格,所以具有各种不同的性能指标,现在选择 其 中比较典型者和原来飞利浦卤素灯的指标比较如下表所示。 功率 50W 5x2W 100W 7x2W 100W 12x2W 电压 VAC 230 100-240 230 100-240 230 100-240 射角(度 光强 25 1000cd 15,30,45,60,90 330 lm 30 3000 cd 8,15,30,45,60,90 680 lm 8500(10? 10,30 2500(30? 8,15,30,45,60,90 1,140 lm 寿命(小时 2,000 50,000 2,000 50,000 2,000 50,000 PAR20 LED PAR20 PAR30 LED PAR30 PAR38 LED PAR38 其中光强 指标二者所用的单位不同,飞利浦采用 cd(烛光),而通常 LED 则采 用 lm(流 明)。二者的关系如下:φ(流明)=4πI(烛光)。但是因为二者 的 发射立体角不 同,所以无法换算。只能大致说,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 灯和球泡灯的结构基本 相同,只是体积大一些,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),它可以 驱动 4100W 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,而且还可以用于可控硅调光。 图 16 可用于高功率 LED PAR 灯的反激式隔离型恒流电 源 这个电路图是一个给 24 瓦 PAR 灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如 下: 功率因数 输入电压 90-270VAC 输出功率 25W 输出电压 25VDC 输出电流 1A LED 数 8x3W 效率 83-86% 0.92-0.99 它的演示版的布置图如图 17 所示。具体应用 时当然也可以设计成圆形。 图 17. LT3799 的演示版 这个市电恒流源因为功率大, 而且可以适应 4-100W 的宽功率范围,所以一定是 采用外置 MOS 开关管, 而且也 因为功率大, 所以要求采用功率因数校正 (PFC) 。 对于不同的功率,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。但 是这是为隔 离市电所 必需的。 八. LED 球泡灯的市场前景 据有关方面估计, 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, 球泡灯 销售量为 2000 万颗。 LED 其市场渗透率只有 3.2%, 预计到 2013 年可以达到 12.5%。也就是相当于 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 2008 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。但是中国还没有规定何 时禁止白 炽 灯的生产的日期,而只是准备通过征收消费税来加快淘汰白炽灯。然 而,目前也 只是准备用节能灯来取代白炽灯,而不是用 LED 球泡灯来取代。所以 虽然中国也 生产了不少 LED 球泡灯,但是主要为出口。本国销售的只占极少数。 其根本的问 题还是价钱太贵。 不过随着 LED 发光效率的提高, 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 年的时间, 我们可以来粗略地估计一下这十年里在中国 LED 球泡灯的取 代过程。 2011 取代 率 数量 单价 总值 0.5% 700 万 $40 280M 2012 1% 1400 万 $35 0.49B 2013 3% 4200 万 $30 1.2B 2014 8% 1.12 亿 $25 2.8B 2015 15% 2016 30% 2017 50% 2018 70% 9.8 亿 2019 90% 2020 100% 2.1 亿 4.2 亿 7 亿 $20 4.2B $15 6.3B $10 7.0B 12.6 14 亿 亿 $7 $3 $1 6.86B 3.78B 1.4B *由于人民币汇率不好预测,所以以美 元计 现在 LED 的最高发光效率大约为 140lm/W,预计到 2020 年,LED 的光效将 要提升 到 240lm/W。 这就可以降低电源功耗, 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! www.59938b.com

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