進(jìn)入2011年以后,，LED逐漸向室內(nèi)照明進(jìn)軍,，這也意味著開始向民用家庭進(jìn)軍。一方面這是一個(gè)大喜事,，因?yàn)槊裼玫氖袌?chǎng)是非常之大,；另一方面也是一個(gè)極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn),，因?yàn)槊裼檬袌?chǎng)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(chǎng)的要求還很遠(yuǎn),，可以說(shuō)還有很長(zhǎng)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(wú)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,。可以想象,，球泡燈的市場(chǎng)是十分巨大的,。

　　對(duì)LED球泡燈的要求

　　因?yàn)橐鎿Q白熾燈，所以至少要有以下幾方面的要求：
　　亮度要相當(dāng) 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(shuō)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(lái)計(jì)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(duì)流明數(shù)可以列表如下：

　　如果采用LED來(lái)取代,，也可以得出相應(yīng)的瓦數(shù)。但是因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率在不斷攀升,，所以很難給出準(zhǔn)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(huì)低于此值）。就可以得出對(duì)這兩種光效LED相應(yīng)的瓦數(shù)來(lái),。但是因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源,，而恒流源有一定的效率，假定為85%,，另外因?yàn)長(zhǎng)ED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,。.考慮以上因素以后就可以得出和白熾燈相當(dāng)?shù)耐邤?shù)來(lái)。由表中可見,，LED2在同樣亮度時(shí)大約可以節(jié)省10倍的功率,。有一點(diǎn)需要特別說(shuō)明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來(lái)說(shuō),，它還不可能做到10瓦以上,，也就是說(shuō)目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。當(dāng)然PAR燈就另當(dāng)別論了（后面將討論）,。
　　外形要類似 通常白熾燈為梨形的,，所以LED球泡燈也應(yīng)當(dāng)為梨形的。這點(diǎn)是很容易做到,。但是白熾燈為全玻璃制品,，LED因?yàn)橐峋秃茈y采用全玻璃的結(jié)構(gòu)。下面會(huì)詳細(xì)討論LED球泡燈的結(jié)構(gòu),。
　　體積大小要相當(dāng),，因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這是非常難做到的,。
　　重量要相當(dāng),，同樣因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這也是非常難做到的,。
　　燈頭要相同 中國(guó)過(guò)去大都是采用卡口式,，改革開放以后大都改用和美國(guó)一樣的螺口式。就是美國(guó)的E26或E27,。這點(diǎn)也還是很容易做到的,。
　　電源要相同，都應(yīng)該是220VAC（或美國(guó)的110VAC）,，這也是沒問(wèn)題的,。

　　LED球泡燈的結(jié)構(gòu)

　　LED球泡燈可以分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們先來(lái)看一下它的外部結(jié)構(gòu),。一個(gè)典型的LED球泡燈的外形如圖1所示（這是作者最近在美國(guó)硅谷Fry’s電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈,，價(jià)$40）：

圖1，LED球泡燈外形圖
　　這是一個(gè)5W的LED球泡燈,，全長(zhǎng)13cm,，散熱器長(zhǎng)5cm，直徑4.5cm,，泡殼長(zhǎng)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(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)部分,，一個(gè)是燈頭，二是散熱器,，三是泡殼,。而內(nèi)部結(jié)構(gòu)則主要是2部分，一是恒流驅(qū)動(dòng)電源,，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內(nèi)（圖2）,。

圖2，球泡燈的結(jié)構(gòu)

　　球泡燈的電源

　　因?yàn)榍蚺轃舳际怯檬须姽╇?，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(dāng)?shù)?，因?yàn)橛⑽脑馐荈rom Line的意思,，應(yīng)該譯成在線，但又會(huì)和網(wǎng)絡(luò)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(biāo)如下：

　　電源基本類型：主要分隔離式和非隔離式兩種，那是指負(fù)載端是否與火線220V隔離,。一般說(shuō),，非隔離因?yàn)椴恍枰綦x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(guò)安規(guī)檢驗(yàn),。隔離式就比較安全,，比較容易通過(guò)安規(guī)，但成本高,。
　　電源輸出功率：因?yàn)榍蚺轃舻捏w積大小必須和玻殼的白熾燈相當(dāng),，所以散熱器大小有限，目前還不能超過(guò)9W,。
　　電源效率：一般隔離式在80-85%左右,，非隔離式在90%左右
　　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
　　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(yán),。
　　下面來(lái)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(gè)采用美國(guó)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

　　其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)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(shí)際上是一個(gè)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(guó)能源之星的要求,。輸入端的L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離,，所以220V會(huì)直接加到負(fù)載LED上,。

        其實(shí)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(jiǎn)單（圖4）,。

圖4，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?yàn)殡娐泛?jiǎn)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(gè)隔離變壓器,，增加了體積,、成本，降低了效率,。圖5是一個(gè)采用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖,。其實(shí)這個(gè)芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分類似。

圖5,，采用IW3610的隔離式電源原理圖

　　這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測(cè)墻上有無(wú)可控硅調(diào)光器,，如果有的話就可以調(diào)光，其調(diào)光范圍可以從2%調(diào)到100%,。而且最后采用了PWM調(diào)光,，調(diào)光頻率高達(dá)900Hz，因此避免了閃爍,。另外由于采用了準(zhǔn)諧振控制使其總效率高達(dá)85%,。它還有一個(gè)特點(diǎn)是采用變壓器初級(jí)反饋從而取消了光耦合器件。它的外形圖如圖6所示,。其外形是專門為球泡燈而設(shè)計(jì),。

圖6，IW3610的演示板

　　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(jīng)過(guò)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(huì)有氣隙,，需要涂覆硅導(dǎo)熱膠以改善導(dǎo)熱,。
　　球泡燈由于體積的限制所以散熱是一個(gè)大問(wèn)題。無(wú)論是哪種散熱器都是只能依靠對(duì)流和輻射兩種方法來(lái)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(jì)算。假定其散熱器可以近似為一個(gè)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8，截頂?shù)膱A錐體

　　圓錐體的側(cè)面積為πHD/2,，所以截去一個(gè)尖頂以后的側(cè)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(gè)截頂以后的側(cè)面積就是48.7cm2,，可近似為50平方厘米,。而因?yàn)榇蠖鄶?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(zhǎng)度l再乘2,，再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0.3cm,，長(zhǎng)度為5cm,，溝槽數(shù)為46個(gè)，那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2,?？傆?jì)散熱面積為188 cm2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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?yàn)榍蚺轃舸蟛糠质怯迷谑覂?nèi),，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(guò)這只是極為粗略的估計(jì),，可以得到一個(gè)數(shù)量級(jí)的概念而已,。真正的散熱情況還是要實(shí)際測(cè)定才可以。
　　日本的技術(shù)在線拆解了幾種LED球泡燈,。并實(shí)測(cè)了其泡殼溫度,，結(jié)果如下表所示：因?yàn)槭覝厥窍嗤模?/p>

　　圖中的球泡燈功率從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(dá)61度,。這是因?yàn)闁|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(huì)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(jié)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(guò)7-9W,。根據(jù)目前的LED光效,，它的流明數(shù)也就相當(dāng)于60W白熾燈。隨著以后LED光效的逐年提高,，相信會(huì)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?yàn)槌杀镜土?，加工容易,，而且?dǎo)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?yàn)樽詈蟮纳嶂饕繉?duì)流和輻射。而對(duì)流完全由其形狀和面積決定,。輻射則和材料的輻射性有關(guān),。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(jìn)金屬材料的輻射散熱的重要途徑,。而導(dǎo)熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達(dá)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(duì)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(dǎo)性能肯定不如金屬,，所以整體散熱效果會(huì)差一些,。但是如果把它做得盡可能薄，再加上一層金屬的內(nèi)壁,，就可以把這個(gè)熱傳導(dǎo)低的不利因素降至最低?，F(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)熱系數(shù)大于20 w/mk的塑料，但是其單價(jià)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(dǎo)熱系數(shù)可以做得更高，當(dāng)然成本也要高很多,。圖9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9,一個(gè)6W的塑料散熱器LED球泡燈

　　塑料和陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是絕緣,，所以即使采用非隔離電源也容易通過(guò)安規(guī)檢驗(yàn),。
此外，為了改善泡殼里恒流驅(qū)動(dòng)電源的散熱,，通常都要加入導(dǎo)熱密封膠,，以取代導(dǎo)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(huì)有防水的問(wèn)題。

　　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(shí)際上也是有這樣做的。但是因?yàn)長(zhǎng)ED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?yàn)闊崃慷紡纳崞魃⒊鋈チ?，所以通過(guò)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(lái)做泡殼也不會(huì)由于過(guò)熱而損壞,。
　　但是塑料外殼的最大問(wèn)題是透光率的問(wèn)題,。因?yàn)長(zhǎng)ED存在眩光的問(wèn)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(wèn)題了,。所以對(duì)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(kuò)散、無(wú)眩光,、無(wú)光影,；
　　2.光源隱蔽性要好（盡可能看不到LED燈珠）；
　　3.透光率達(dá)到90％以上,；
　　4.具有高阻燃性,；
　　5.具有高抗沖擊強(qiáng)度；
　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有一種稱為智光LED光學(xué)燈罩的據(jù)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)所有以上要求（圖10）,。

圖10,，各種LED塑料燈罩

　　假如真的可以實(shí)現(xiàn)94%的透光率，而且還能防眩光,，無(wú)光影,，那么真的是十分理想的了。其外觀圖如圖11所示,。

圖11,，LED燈罩的外形圖

　　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(shí)測(cè)結(jié)果

　　可以注意到一個(gè)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(gè)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(dá)到100lm/W的整體光效還有一段路程要走,。

　　LED PAR燈

　　PAR燈實(shí)際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素?zé)舻囊?guī)格,，飛利浦把它稱為“氯銨燈”。但是這個(gè)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(shí)還稱它為PAR燈或筒燈,。因?yàn)橐瓦@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(jié)構(gòu)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12所示,。

圖12,，利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖

　　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(biāo)，現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來(lái)飛利浦鹵素?zé)舻闹笜?biāo)比較如下表所示,。

　　其中光強(qiáng)指標(biāo)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(guān)系如下：φ（流明）=4πI（燭光）,。但是因?yàn)槎叩陌l(fā)射立體角不同，所以無(wú)法換算,。只能大致說(shuō),，鹵素?zé)舻陌l(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?zé)舾?-6倍,。

　　PAR燈和球泡燈的結(jié)構(gòu)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(guó)凌特公司宣布了一個(gè)用于LED恒流驅(qū)動(dòng)的IC（LT3799）,，它可以驅(qū)動(dòng)4-100W的LED,，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關(guān)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(diào)光,。

圖13,，反激式隔離型恒流電源原理圖

　　這個(gè)電路圖是一個(gè)給24瓦PAR燈用的演示板的電路圖。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

　　它的演示版的布置圖如圖14所示,。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成圓形,。
 

圖14，LT3799的演示板

　　這個(gè)市電恒流源因?yàn)楣β蚀?，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍,，所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因?yàn)楣β蚀?，所以要求采用功率因?shù)校正（PFC）,。對(duì)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(gè)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,。

　　LED球泡燈的市場(chǎng)前景

　　據(jù)有關(guān)方面估計(jì),，LED將以每年30%以上的成長(zhǎng)率增長(zhǎng)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(chǎng)規(guī)模達(dá)到6400億美元,，而到2010年12月為止，LED球泡燈銷售量為2000萬(wàn)顆,。其市場(chǎng)滲透率只有3.2%,，預(yù)計(jì)到2013年可以達(dá)到12.5%。也就是相當(dāng)于800億美元的銷售額,。而其單價(jià)將以每年15-20%的速度遞降,。一個(gè)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(guó)更是生產(chǎn)和使用白熾燈的大國(guó)，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(guó)每年消費(fèi)14億只。但是中國(guó)還沒有規(guī)定何時(shí)禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期,，而只是準(zhǔn)備通過(guò)征收消費(fèi)稅來(lái)加快淘汰白熾燈,。然而，目前也只是準(zhǔn)備用節(jié)能燈來(lái)取代白熾燈,，而不是用LED球泡燈來(lái)取代,。所以雖然中國(guó)也生產(chǎn)了不少LED球泡燈，但是主要為出口,。本國(guó)銷售的只占極少數(shù)。其根本的問(wèn)題還是價(jià)錢太貴,。不過(guò)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(huì)有一天能夠全部取代白熾燈,。假定取代全中國(guó)的白熾燈需要10年的時(shí)間,，我們可以來(lái)粗略地估計(jì)一下這十年里在中國(guó)LED球泡燈的取代過(guò)程。

*由于人民幣匯率不好預(yù)測(cè),，所以以美元計(jì)
　　現(xiàn)在LED的最高發(fā)光效率大約為140lm/W,，預(yù)計(jì)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(gè)LED球泡燈的成本。那時(shí)候,，LED球泡燈全面取代白熾燈的時(shí)代就會(huì)到來(lái),！