LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比.doc
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1、LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比282020年5月29日文档仅供参考LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比LED球泡灯全面取代白炽灯的时代即将到来 进入 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,能够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。因此如果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,这就是我们一般称为LED球泡灯。能够想
2、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,因此至少要有以下几方面的要求:1.亮度要相当 白炽灯一般只讲瓦数而不讲流明数。LED虽然也能够只讲瓦数,可是由于LED的光效还在不断发展,只说瓦数并不能代表其流明数。白炽灯最常见的瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要讲流明数,那么能够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。因此上面列出几种瓦数的白炽灯的相对流明数能够列表如下: 如果采用LED来取代,也能够得出相应的瓦数。可是因为LED的发光效率在不断攀升,因此很难给出准确的数字。假定采用当前一般的LED
3、1,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)。就能够得出对这两种光效LED相应的瓦数来。可是因为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能够得出和白炽灯相当的瓦数来。由表中可见,LED2在同样亮度时大约能够节省10倍的功率。有一点需要特别说明的。就是从当前LED球泡灯的光效和散热来说,它还不可能做到10瓦以上,也就是说当前还只有能够取代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)
4、。2.外形要类似 一般白炽灯为梨形的,因此LED球泡灯也应当为梨形的。这点是很容易做到。可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,因此这是非常难做到的4.重量要相当,同样因为LED需要恒流源和散热器,因此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球泡灯能够分为外部结构和内部结构。我们先
5、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Frys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。它大约能够取代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,因此电源也必须是市电交流
6、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,因此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220V隔离。一般说,非隔离因为不需要隔离变压器,因此成本低,但要求铝基板耐压高,否则散热器就有可能带电。因此比较不容易经过安规检验。隔离式就比较安全,比较容易经过安规,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,因此散热器大小有限,当前还不能超过9W。3.电源效率:一般隔离式在80-85%左右,
7、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,因此体积的限制很严。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: 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。因此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),能够把它的功率因数提高到0
8、.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,因此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)的电源方案能够做得很简单(图5)。 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,因此体积能够做得很小,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
9、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: 这个电路还能够自动检测墙上有无可控硅调光器,如果有的话就能够调光,其调光范围能够从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。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一般焊接在一块铝基板(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. LE
10、D底板如何固定到散热器上去 图中的铝散热板上能够看出有精加工的痕迹。经过精加工以后LED底板就能够直接固定上去,否则的话,二者之间会有气隙,需要涂覆硅导热胶以改进导热。 球泡灯由于体积的限制因此散热是一个大问题。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能够如下计算。假定其散热器能够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HD/2,因此截去一个尖顶以后的侧面积是HD/2-hd/2=(HD-hd)/2。假定H
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