進入2011年以后,，LED逐漸向室內照明進軍,，這也意味著開始向民用家庭進軍。一方面這是一個大喜事,，因為民用的市場是非常之大,；另一方面也是一個極為嚴重的挑戰(zhàn)，因為民用市場要求成本特別低,，可靠性特別高?，F(xiàn)在離開完全滿足民用市場的要求還很遠，可以說還有很長的路要走,。

　　最普通的民用燈就是白熾燈,，也就是我們普通用的燈泡,。所以如果LED要取代白熾燈泡,，就要開發(fā)出一種無論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類似的燈泡，這就是我們通常稱為LED球泡燈,?？梢韵胂螅蚺轃舻氖袌鍪鞘志薮蟮?。

　　一．對LED球泡燈的要求

　　因為要替換白熾燈,，所以至少要有以下幾方面的要求：

　　1.亮度要相當 白熾燈通常只講瓦數(shù)而不講流明數(shù)。LED雖然也可以只講瓦數(shù),，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展,，只說瓦數(shù)并不能代表其流明數(shù)。白熾燈最常用的瓦數(shù)有15瓦、30瓦,、45瓦,、60瓦、75瓦和100瓦等,。如果要講流明數(shù),，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來計算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W,。瓦數(shù)越大效率越高,。所以上面列出幾種瓦數(shù)的白熾燈的相對流明數(shù)可以列表如下：

　　如果采用LED來取代，也可以得出相應的瓦數(shù),。但是因為LED的發(fā)光效率在不斷攀升,，所以很難給出準確的數(shù)字。假定采用目前通常的LED1,，其光效為100lm/W,，假如采用最高光效的LED2，其光效為130lm/W（暖白的光效會低于此值）,。就可以得出對這兩種光效LED相應的瓦數(shù)來,。但是因為LED需要恒流源，而恒流源有一定的效率,，假定為85%,，另外因為LED不可能采用透明泡殼，而只能采用乳白泡殼,。其透光率大約為85%,。二者相乘等于0.72。,?？紤]以上因素以后就可以得出和白熾燈相當?shù)耐邤?shù)來。由表中可見,，LED2在同樣亮度時大約可以節(jié)省10倍的功率,。有一點需要特別說明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來說,，它還不可能做到10瓦以上,，也就是說目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。當然PAR燈就另當別論了（后面將討論）,。

　　2.外形要類似 通常白熾燈為梨形的,，所以LED球泡燈也應當為梨形的。這點是很容易做到,。但是白熾燈為全玻璃制品,，LED因為要散熱就很難采用全玻璃的結構,。下面會詳細討論LED球泡燈的結構。

　　3.體積大小要相當,，因為LED需要恒流源和散熱器,，所以這是非常難做到的

　　4.重量要相當，同樣因為LED需要恒流源和散熱器,，所以這也是非常難做到的

　　5.燈頭要相同 中國過去大都是采用卡口式,，改革開放以后大都改用和美國一樣的螺口式。就是美國的E26或E27,。這點也還是很容易做到的

　　6.電源要相同,，都應該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒問題的

　　二．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,。

　　三．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?shù)?，因為英文原意是From Line的意思,，應該譯成在線,，但又會和網(wǎng)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(guī)檢驗,。隔離式就比較安全，比較容易通過安規(guī),，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(shù)（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?。河捎谇蚺轃袅艚o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,。

　　3.1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：

　　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(shù)校正（PFC），可以把它的功率因數(shù)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。

　　其實假如不要求功率因數(shù)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5）,。

　　圖5. 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(shù)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。

　　3.2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6. 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：

　　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7. iW3610的演示板

　　四．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8）,。

　　圖8. 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(jīng)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(fā)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?shù)膱A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9 截頂?shù)膱A錐體

　　圓錐體的側面積為πHD/2,，所以截去一個尖頂以后的側面積是πHD/2-πhd/2=π（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(shù)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(shù),。假定溝槽平均深度為0.3cm,，長度為5cm，溝槽數(shù)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(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),，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(huán)境溫度和允許的升溫,。因為球泡燈大部分是用在室內,，環(huán)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(shù)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10 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(tǒng)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(jù)目前的LED光效，它的流明數(shù)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(xiàn)同樣大小而能取代100W的白熾燈,。

　　散熱器的材料目前大多數(shù)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(xiàn)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(shù)如下表所示：

　　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(shù),。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(xiàn)在已經(jīng)有導熱系數(shù)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(shù)可以做得更高,，當然成本也要高很多,。圖10是上海龍茂微電子公司的6W塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度,。

　　圖10 一個6W的塑料散熱器LED球泡燈

　　塑料和陶瓷的最大優(yōu)點是絕緣,，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規(guī)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,。

　　五．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(fā)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(xiàn)在國內有一種稱為智光LED光學燈罩的據(jù)說可以實現(xiàn)所有以上要求（圖11）。

　　圖11 各種LED塑料泡殼

　　假如真的可以實現(xiàn)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12所示,。

　　圖12 智光LED光學燈罩的外觀圖

　　六．幾種品牌LED球泡燈

　　下面列出了幾種市面上批量生產(chǎn)的品牌LED球泡燈的實測結果

　　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(fā)光效率不是LED本身的發(fā)光效率,，而是指整個球泡燈的發(fā)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,。

　　．LED PAR燈

　　PAR燈實際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素燈的規(guī)格,，飛利浦把它稱為“氯銨燈”,。但是這個名字并沒有得到推廣。一般稱為“筒燈”或者“射燈”,。而射燈主要是指那種具有MR16插座的燈,，所以我們暫時還稱它為PAR燈或筒燈。因為要和這種PAR燈兼容,，所以大功率LED PAR燈就也采用和PAR燈相同的尺寸,。只是結構不同，瓦數(shù)不同,，亮度不同,。飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖如圖13所示,。而相兼容的LED的PAR燈,，其外形尺寸和他們完全相同（圖14）。

　　圖13. 飛利浦公司的PAR20,、PAR30和PAR38的外形圖

　　圖14 和PAR20,、PAR30、PAR38相對應的LED筒燈

　　采用LED以后,，由于沒有統(tǒng)一的規(guī)格,，所以具有各種不同的性能指標，現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來飛利浦鹵素燈的指標比較如下表所示,。

　　其中光強指標二者所用的單位不同,，飛利浦采用cd（燭光），而通常LED則采用lm（流明）,。二者的關系如下：φ（流明）=4πI（燭光）,。但是因為二者的發(fā)射立體角不同，所以無法換算,。只能大致說,，鹵素燈的發(fā)光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W,。約比鹵素燈高4-6倍,。

　　PAR燈和球泡燈的結構基本相同，只是體積大一些,，瓦數(shù)大一些,。因此要求的電源功率也要大一些。

　　今年2月美國凌特公司宣布了一個用于LED恒流驅動的IC（LT3799），它可以驅動4-100W的LED,，而且本身帶PFC,，外置功率MOSFET開關管，反激隔離式而不需要光耦合器,，外置元件減到最少,，而且還可以用于可控硅調光。

　　圖15 可用于高功率LED PAR燈的反激式隔離型恒流電源

　　這個電路圖是一個給24瓦PAR燈用的演示板的電路圖,。其主要技術指標如下：

　　它的演示版的布置圖如圖16所示,。具體應用時當然也可以設計成圓形。

　　圖16. LT3799的演示版

　　這個市電恒流源因為功率大,，而且可以適應4-100W的寬功率范圍,，所以一定是采用外置MOS開關管，而且也因為功率大,，所以要求采用功率因數(shù)校正（PFC）,。對于不同的功率,，除了要選擇不同的MOS管外,，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個恒流源的體積和重量,，降低了效率,。但是這是為隔離市電所必需的。

　　八．LED球泡燈的市場前景

　　據(jù)有關方面估計,，LED將以每年30%以上的成長率增長直至2014年,。LED球泡燈如果要全部取代白熾燈的話，其全球市場規(guī)模達到6400億美元,，而到2010年12月為止,，LED球泡燈銷售量為2000萬顆。其市場滲透率只有3.2%,，預計到2013年可以達到12.5%,。也就是相當于800億美元的銷售額。而其單價將以每年15-20%的速度遞降,。一個能夠取代60W白熾燈的LED球泡燈,，在2008年賣90美元，到2010年就只賣40美元,。

　　而中國更是生產(chǎn)和使用白熾燈的大國,，2009年生產(chǎn)的白熾燈37.9億只，約為全球產(chǎn)量的三分之一,，本國每年消費14億只,。但是中國還沒有規(guī)定何時禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期，而只是準備通過征收消費稅來加快淘汰白熾燈。然而,，目前也只是準備用節(jié)能燈來取代白熾燈,，而不是用LED球泡燈來取代。所以雖然中國也生產(chǎn)了不少LED球泡燈,，但是主要為出口,。本國銷售的只占極少數(shù)。其根本的問題還是價錢太貴,。不過隨著LED發(fā)光效率的提高,，生產(chǎn)成本的降低，LED球泡燈一定會有一天能夠全部取代白熾燈,。假定取代全中國的白熾燈需要10年的時間,，我們可以來粗略地估計一下這十年里在中國LED球泡燈的取代過程。

*由于人民幣匯率不好預測,，所以以美元計

　　現(xiàn)在LED的最高發(fā)光效率大約為140lm/W,，預計到2020年，LED的光效將要提升到240lm/W,。這就可以降低電源功耗,，減小散熱器體積和重量。從而降低整個LED球泡燈的成本,。那時候,，LED球泡燈全面取代白熾燈的時代就會到來！