LED球泡灯设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上图是一个给24瓦PAR灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如下：
演示版的布置图如下图所示。
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。
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。
2
LED球泡灯的要求
一．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。
光通量(亮度）lm 白炽灯 LED球泡灯A LED球泡灯B 功率W 功率W 功率W 112.5 15 1.56 1.2 240 30 3.3 2.6 382.5 45 5.3 4.1 570 60 7.9 6.1 787.5 75 10.9 8.4 1200 100 16.6 12.8
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。当然PAR灯就另当别论了。
6
LED球泡灯部件
二. LED球泡灯电源
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S市电隔离。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Leabharlann Baidu但成本高。
1. 非隔离式电源
9.5 570
10.5 787.5
12 1200
3
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，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。上图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。
17
LED PAR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。
图中光强指标二 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。
下面是一个采用美国安森美NCP1014的非隔离式电源原理图：
7
LED球泡灯部件
上图电源的基本指标如下：
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，所以市电会直接加到负载LED上。
五.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。
这点很容易做到的
六. 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
5
LED球泡灯部件
一．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，重量114克。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。
8
LED球泡灯部件
2. 隔离式电源
下图是采用iWatt公司iW3610的反激式隔离电源电路图。
9
LED球泡灯部件
上图电源指标如下表所示：
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，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。
12
LED球泡灯部件
四. LED球泡灯的LED灯
1. 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。
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。
14
LED球泡灯部件
下图是其他类型的球灯罩：
15
品牌LED球泡灯参数对比
右图是市面上品牌LED 球泡灯参数对比图：
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。
16
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 外形图如下左图所示。而相兼容的LED的PAR灯，其外形尺寸和他们完全相同如下右图所示：
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）。
功率W 白炽灯
15
30
45
60
75
100
发光效率lm/w 光通量(亮度）lm
7.5 112.5
8 240
8.5 382.5
20
4
LED球泡灯的要求
二. 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。
三.体积大小要相当.
这点基本也可以做到
四.重量要相当.
因为LED需要恒流源和散热器，LED球泡灯的重量要远大于白炽灯
18
LED PAR灯恒流驱动电源案例
下图是美国凌特公司运用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它可以驱动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，而且还可以 用于可控硅调光。
19
LED PAR灯恒流驱动电源案例
10
LED球泡灯部件
三 . 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：
11
LED球泡灯部件
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：
2. LED封装
右图是市场上常见的LED封装
13
LED球泡灯部件
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；
LED球泡灯解析
概述 LED球泡灯的要求 LED球泡灯部件 品牌LED球泡灯参数对比 LED PAR灯 LED PAR灯恒流驱动电源案例
1
概述
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。
演示版的布置图如下图所示。
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。
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。
2
LED球泡灯的要求
一．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。
光通量(亮度）lm 白炽灯 LED球泡灯A LED球泡灯B 功率W 功率W 功率W 112.5 15 1.56 1.2 240 30 3.3 2.6 382.5 45 5.3 4.1 570 60 7.9 6.1 787.5 75 10.9 8.4 1200 100 16.6 12.8
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。当然PAR灯就另当别论了。
6
LED球泡灯部件
二. LED球泡灯电源
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S市电隔离。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Leabharlann Baidu但成本高。
1. 非隔离式电源
9.5 570
10.5 787.5
12 1200
3
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，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。上图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。
17
LED PAR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。
图中光强指标二 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。
下面是一个采用美国安森美NCP1014的非隔离式电源原理图：
7
LED球泡灯部件
上图电源的基本指标如下：
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，所以市电会直接加到负载LED上。
五.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。
这点很容易做到的
六. 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
5
LED球泡灯部件
一．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，重量114克。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。
8
LED球泡灯部件
2. 隔离式电源
下图是采用iWatt公司iW3610的反激式隔离电源电路图。
9
LED球泡灯部件
上图电源指标如下表所示：
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，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。
12
LED球泡灯部件
四. LED球泡灯的LED灯
1. 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。
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。
14
LED球泡灯部件
下图是其他类型的球灯罩：
15
品牌LED球泡灯参数对比
右图是市面上品牌LED 球泡灯参数对比图：
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。
16
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 外形图如下左图所示。而相兼容的LED的PAR灯，其外形尺寸和他们完全相同如下右图所示：
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）。
功率W 白炽灯
15
30
45
60
75
100
发光效率lm/w 光通量(亮度）lm
7.5 112.5
8 240
8.5 382.5
20
4
LED球泡灯的要求
二. 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。
三.体积大小要相当.
这点基本也可以做到
四.重量要相当.
因为LED需要恒流源和散热器，LED球泡灯的重量要远大于白炽灯
18
LED PAR灯恒流驱动电源案例
下图是美国凌特公司运用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它可以驱动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，而且还可以 用于可控硅调光。
19
LED PAR灯恒流驱动电源案例
10
LED球泡灯部件
三 . 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：
11
LED球泡灯部件
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：
2. LED封装
右图是市场上常见的LED封装
13
LED球泡灯部件
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；
LED球泡灯解析
概述 LED球泡灯的要求 LED球泡灯部件 品牌LED球泡灯参数对比 LED PAR灯 LED PAR灯恒流驱动电源案例
1
概述
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。