LED球泡灯结构解析

LED球泡灯 研发部2013 07 11 Allrightsreserved 培训回顾 LED白光实现方式 1 2 显色性 显色指数Ra 色温 暖5000 K 光通量 光强 照度 亮度 光效 灯具效率 LED效率 寿命 平均寿命 经济寿命 眩光 解决方法 目录 概述LED球泡灯的要求LED球泡灯部件灯头电源散热器光源灯泡罩LED的光效优势球泡灯特性需求 概述 LED球泡灯是白炽灯的替换产品 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 4 白炽灯相关标准 GB T3027 1995船用白炽灯照明灯通用技术条件GB T7249 2008白炽灯的最大外形尺寸GB14196 1 2008白炽灯安全要求第1部分 家庭和类似场合普通照明用钨丝灯GB14196 2 2008白炽灯安全要求第2部分 家庭和类似场合普通照明用卤钨灯GB14196 3 2008白炽灯安全要求第3部分 卤钨灯 非机动车辆用 GB T15043 2008白炽灯泡光电参数的测量方法JJG247 2008总光通量标准白炽灯检定规程 白炽灯尺寸 梨型 概述 常见LED球泡灯 7 概述 部分球泡灯拆解 8 LED球泡灯的要求 亮度要与白炽灯相当 白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数 LED球泡灯只说瓦数是不够的 一定还要看另一个参数 光通量 也就是常说流明 Lm 数 由于LED的光效还在不断发展 还没有具体的规定和标准 白炽灯最常用的瓦数有15瓦 30瓦 45瓦 60瓦 75瓦和100瓦等 白炽灯的发光效率在7 5 12lm W 瓦数越大效率越高 下面列出几种功率的白炽灯相对亮度 光通量 9 LED球泡灯的要求 如果采用LED取代白炽灯 也可以有相应的功率 由于LED的发光效率在不断攀升 所以很难给出准确的数字 目前市场上通用的LED球泡灯A 其光效为100lm W 高端最高光效的LED球泡灯B 其光效为130lm W 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 见下图 由表中可见 LED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 10 LED球泡灯的要求 体积大小要相当通常球泡灯为梨型的结构 全玻璃制品 但是LED灯具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 灯头要与白炽灯兼容改革开放前我国一般使用卡扣式灯头 现在通用的为E27接口 部分烛光灯采用的为E14接口 在结构部分将具体介绍这两种灯头接口 四 电源要相同 各国的电压是有差异的 但是LED球泡灯一般是采用开关电源来的 所以可以做到宽电源100 240V 11 LED球泡灯部件 LED球泡灯结构见下图 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 它大约可以取代45W的白炽灯 其结构主要包括一个是灯头 二是恒流驱动电源 三是散热器 四是LED灯板 五是灯泡罩 12 LED球泡灯部件 13 LED球泡灯结构 二 这是一款铸造铝散热片的球泡灯 此种结构做了很多鳍片 外观上大大增加了散热器的散热面积 在此大家在课下可以具体讨论下此款散热的效果怎样 LED球泡灯部件 LED灯头 普通白炽灯 E27 蜡烛灯灯头 E14 14 目前球泡灯通用的为E27灯头 有些特殊的场合使用E14灯头 LED球泡灯电源电源基本类型 LED驱动电源由于LED的特性决定 目前主要使用恒流式驱动电源 按照输入 输出是否绝缘分为隔离式和非隔离式两种 判断标准主要为电源输入端和输出端是否隔离 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 通常非隔离电源转化率较隔离电源转化率高3 5 电源输入电压主要根据市电电压的 20 设计 一般大陆 西欧及一些英联邦国家的市电电压为220V 北美和东北亚的一些发达国家电压为110V 另外还有一些特殊地区的市电电压为120V 230V 240V 市电频率多数为50HZ 少数国家为60HZ 因此 在电源设计中一般设计为90V 265V或者170V 265V 输出电压和电流主要根据LED串并联的数量决定 输出电压范围很多 电源性能指标 输入电压范围能量转换率功率因数纹波电压绝对恒流系数负载调整率输入电压调整率 LED球泡灯部件 15 电源 LED球泡灯部件 16 电源参数 LED球泡灯部件 17 电源的主要性能及具体性能指标的定义请关注7月15号的电源专题 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 如下图 LED球泡灯部件 18 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 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 但是如果把它做的尽可能薄 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20w mk的塑料 导热系数大于20w mk的导热塑料一般绝缘性会降低 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 LED球泡灯部件 19 20 LED球泡灯部件 LED球泡灯的LED灯 LED的寿命LED的中文意思为发光二极管 是一种能够将电能转化为可见光的半导体 对于半导体而言 理论上讲 他得寿命是无限的 10万 100万小时的寿命概念源于半导体的性能 使用寿命则是指能发挥作用的寿命 一般当光衰超过50 LED的寿命就到期了 所以一般的LED寿命参数是5 10万小时 此寿命仅针对小功率LED且LED焊盘处温度在25 LED封装右图是市场上常见的LED封装 COB LED器件形式发展历程 小功率芯片封装器件 大功率芯片封装器件 LED器件发展趋势 集成化 可极大降低器件成本大大降低了支架 封装材料 封装人工成本使器件标准化成为可能 将极大规范LED产业发展便于保障器件一致性整个光源形式简化 使器件标准化成为可能 主要大厂最新集成光源模组产品 西铁城 4W模组 Cree7W模块MP L光输出 700lm Philips LuxeonS18W光输出1300lm 夏普25W 2300lm 夏普3 6W 300lm 2011年推出的新产品 2010年推出的产品 日亚4W模组 400lm 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 LED球泡灯部件 右图是一款可以实现94 的透光率 而且还能防眩光 无光影的球泡罩 24 下图是其他类型的球灯罩 LED球泡灯部件 25 一般传统光源的灯具光输出比 灯具出射光通量与光源光通量的比值 为70 而LED灯具可达到90 LED光效优势 高光能利用率 传统光源发光形式 LED发光形式 LED形成截光 半截光光源时 大部分光线不需要经过反射壁反射直接出射 LED均匀度的要求 眩光产生的原因 LED高亮度眩光解决方法 利用混光机制 将LED点光源扩展为面光源出射 LED 点光源 需设法将光充分扩散出射 LED 亮度集中 眩光大 将点光源转化为面光源出射 将光源充分扩展 降低光出射度 代价 降低LED灯具的灯具效率 提高亮度均匀度 眩光控制 无混光设计 防眩光设计 亮度均匀设计 提高亮度均匀度减少眩光对灯具效率的影响 LED灯具 荧光灯 光源光效 130lm W 80lm W 无特殊要求的灯具光效 114lm W 50lm W 亮度均匀度要求 100lm W 50lm W 眩光要求 亮度均匀度要求 85lm W 40lm W 电源效率0 88 驱动效率0 64 用磨砂罩换透明罩 光源本身满足亮度均匀性要求 使用散射板扩展光源 加格栅防眩光 提高亮度均匀度 减少眩光使LED灯具节能优势大大降低 色度需求 色温 色度需求 显色指数 室内照明需要色彩不失真的照明环境 普通 蓝 黄 LED的照明效果 高显色光源的照明效果 普通白光LED光谱缺陷 缺少红色光谱导致显色性低 照明需求 光斑质量 易出现问题的 黄圈 直接涂敷方式 造成原因 荧光粉沉积在底部 侧面附近荧光粉密度高 蓝光透射少 芯片表面的喷涂 旋涂方式 易出现问题 篮圈 造成原因 大量侧发光的蓝光没有经过荧光粉激发 常见的两种封装形式出现的光斑问题 蓝圈和黄圈是LED走向室内照明应用必须消除的障碍 光斑质量的改善 一次封装 可提高芯片法线方向的荧光粉厚度 从而减少黄斑 普通封装 热隔离远场荧光粉封装 光斑质量的改善 二次光学调整 将侧面黄光分配