結(jié)構(gòu)材料對LED日光燈及LED球泡燈光熱性能的影響

范夏雷,金尚忠,陳建鋒,朱伯明

(1.中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.慈溪中發(fā)燈飾有限公司，浙江 寧波 315336；3.寧波燎原燈具股份有限公司，浙江 寧波 315408)

引言

LED日光燈和LED球泡燈作為LED照明的典型光源，已得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)和材料對其性能都會產(chǎn)生影響。就日光燈，燈管材料不僅影響燈具的光度參數(shù)，而且影響可靠性。球泡燈基板上的芯片排布對光色參數(shù)也會產(chǎn)生一定的影響。白光LED光源的電光轉(zhuǎn)化效率一般為30%左右，大部分的電能都轉(zhuǎn)化為熱量，熱量通過基板傳到散熱器件，通過散熱器件表面的空氣對流進行散熱。散熱效率影響到日光燈或球泡燈的出光效率和使用壽命。本文通過實驗研究，對比分析了結(jié)構(gòu)與材料對于LED日光燈和LED球泡燈的光、色、熱性能的影響。

1 日光燈

1.1 色溫對光學(xué)性能的影響

宋國華[1]等研究了LED色溫、發(fā)光效率、顯色指數(shù)的關(guān)系。其實驗結(jié)果如圖1所示。

可見，白光LED色溫大于4000K時，隨色溫升高，發(fā)光效率呈緩慢下降趨勢，而顯色指數(shù)呈上升趨勢。實驗對同一型號的三支不同色溫的LED日光燈(NVC3000K、NVC4000K、NVC6000K)進行測試，結(jié)果見表1所示，驗證了這個趨勢。

圖1 不同色溫下的LED光效和顯色指數(shù)[1]Fig.1 Luminous efficiency and color renderinglndex of LED in different color temperature

燈具NVC3000KNVC4000KNVC6000K發(fā)光效率109.08lm/W102.67lm/W101.79lm/W顯色指數(shù)73.573.975.3

光源的顯色性取決于它的光譜功率分布[2]，連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性。顯色指數(shù)上升伴隨著發(fā)光效率下降，同時也說明色溫間接影響了LED日光燈的發(fā)光效率。

1.2 結(jié)構(gòu)對光學(xué)性能的影響

LED日光燈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LED日光燈結(jié)構(gòu)Fig.2 Construction of LED fluorescent lamps

LED日光燈外殼燈管的作用主要是防護、定位、連接元器件、散熱、優(yōu)化照明效果[3]。燈管包括：全塑料、全玻璃、半塑半鋁結(jié)構(gòu)。對同功率的T8LED日光燈進行測試，進而討論結(jié)構(gòu)對LED日光燈的光學(xué)性能的影響。

半塑半鋁結(jié)構(gòu)正面使用透光塑料成型，背面由導(dǎo)熱性能良好且?guī)Х瓷涿嬖O(shè)計的鋁合金型材。在鋁型材外表面定型條紋或鰭片，以加散熱面積，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 半塑半鋁LED日光燈結(jié)構(gòu)Fig.3 Construction of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum

全塑管燈管全部由塑料制成，包括：整根全部使用同一塑料，正面與反面使用不同塑料(正面使用透光塑料，背面使用乳白色塑料用以遮擋PCB的背面與燈管內(nèi)的驅(qū)動電源，使燈管輕盈美觀)。透光塑料有PMMA(有機玻璃)與阻燃PC(聚碳酸酯)兩種。全PC材料拉絲或漫透射，使出光角盡量大，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 全塑料LED日光燈結(jié)構(gòu)Fig.4 Construction of LED fluorescent lamps with all-plastic

全玻璃燈管由玻璃制作而成，LED光源安裝在鋁基板的正面，其背面通過導(dǎo)熱膠直接粘在玻璃燈管的內(nèi)壁上。玻璃燈管內(nèi)壁上涂覆有漫散射涂層，使出光均勻、柔和，減少眩光。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 全玻璃LED日光燈結(jié)構(gòu)Fig.5 Construction of LED fluorescent lamps with all-glass

對這三種燈管結(jié)構(gòu)的LED日光燈(同功率，不同結(jié)構(gòu))進行測試，結(jié)果如表2。

表2 三類日光燈光度量參數(shù)比較Table 2 Comparation of optical measurement parameters of 3 types of LED fluorescent lamps

玻璃燈管LED日光燈的透光性能要優(yōu)于其余兩種，光通量更高，發(fā)光效率也最高。

燈具的顯色指數(shù)主要依賴于光源的光譜功率分布，由于透光材料的光譜透過率在可見區(qū)都比較平坦，三者顯色指數(shù)幾乎一樣。

半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈的峰值光強最大，全玻璃LED日光燈由于漫射層均勻，平均光束角最大。單一材料LED日光燈的平均光束角比半塑半鋁LED日光燈好，而半塑半鋁LED日光燈由于散熱鋁材的限制，發(fā)光角度最小。LED日光燈與360°發(fā)光的傳統(tǒng)熒光燈相比，由于基板和芯片發(fā)光面的限制，始終無法全角度發(fā)光，如圖6所示。圖(b)所示配光曲線相對于對稱軸略有偏移，是實驗用日光燈帶有缺陷，不影響發(fā)光角度的測量。

LED日光燈的照明屬于半直接照明，半透明材料制成的燈罩罩住光源上部，60%～90%的光線集中射向工作面，10%～40%被罩光線又經(jīng)半透明燈罩擴散而向上漫射，其光線比較柔和[4]。這種燈具常用于較低的房間的一般照明。由于漫射光線能照亮平頂，使房間頂部亮度增加，因而能產(chǎn)生較大的空間感。因此在LED日光燈的空間分布中，既要考慮發(fā)光角，又要考慮工作面上的光均勻度。

圖7中的橫坐標和縱坐標分別表示工作面的水平角度和垂直角度，圖中的彩線代表不同的光強，藍色代表峰值光強的90%，棕色代表80%，紅色代表10%，以10%遞減?？梢娭虚g區(qū)域的第一條線都是藍線，即正對著LED日光燈的工作面接收到的光強最大，遠離中心的光強減小。中間部分彩線越少，即光強的變化梯度越少，說明LED日光燈投射到工作面上的光強是隨角度慢慢變小，即發(fā)光均勻性越好。

表3、表4是三類日光燈的色坐標和色參數(shù)數(shù)據(jù)?？梢?，無論是平均顏色坐標還是中心顏色坐標，三類LED日光燈的發(fā)光顏色區(qū)域都在標準白光E附近。進一步，對兩個維度(C angle、Gamma angle)色度測量分析每種LED日光燈在各個角度的色度性能。(實驗儀器：GO-R5000全空間快速分布光度計)

圖6 三類日光燈配光曲線Fig.6 Distribution curve flux of 3 types of LED fluorescent lamps

圖7 三類日光燈等光強曲線Fig.7 Isocandela curve of 3 types of LED fluorescent lamps

燈具平均顏色中心顏色xyu'v'xyu'v'半塑半鋁0.31960.33920.19880.47470.31770.33570.19880.4726全塑料0.31930.33510.20010.47250.31370.32920.19840.4686全玻璃0.31300.33430.19610.47110.31220.33480.19530.4713

表4 三類日光燈色度量參數(shù)Table 4 Color measurement parameters of 3 types of LED fluorescent lamps

圖9 半塑半鋁LED日光燈三維色差圖Fig.9 3 D color chart of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum

圖10 全塑料LED日光燈三維色差圖Fig.10 3 D color chart of LED fluorescent lamps with all-plastic

圖9～圖11為LED日光燈的三維色差分布圖?？梢?，每一種LED日光燈的色品指數(shù)都有兩條曲線，其中一條為C angle等于0°的曲線，代表軸向色度性能，另一條為C angle等于90°的曲線，代表徑向色度性能。三類LED日光燈在軸向和徑向的色度都有一定范圍的波動。全塑料結(jié)構(gòu)LED日光燈軸向色坐標波動最小，穩(wěn)定性最好。對于LED日光燈的徑向顏色性能，即C angel為90°時燈具上各個點的顏色坐標。從測得的數(shù)據(jù)看得出，全塑料結(jié)構(gòu)LED日光燈的顏色坐標除了個別點，總體上是比較穩(wěn)定的；半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈和全玻璃LED日光燈的波動明顯?？梢妼ι鶆蛐詠碚f，全塑料結(jié)構(gòu)LED日光燈的表現(xiàn)最好。三類LED日光燈在色飽和度上差別不大。

圖11 全玻璃LED日光燈三維色差圖Fig.11 3 D color chart of LED fluorescent lamps with all-glass

1.3 結(jié)構(gòu)與材料對散熱性能的影響

LED光源發(fā)光時，由于熱能使光源溫度升高，導(dǎo)致光衰，從而縮短了LED日光燈的使用壽命[5]。好的結(jié)構(gòu)與材料能有效地降低燈具的溫度，確保其正常使用。

實驗在5m×10m×5m室內(nèi)環(huán)境進行(如圖12)，燈具安裝高度為2m，每隔0.5h測量一次燈具表面溫度。

首先討論半塑半鋁LED日光燈的散熱性能，燈管由兩部分燈罩組成，一半為PC燈罩，正對發(fā)光面，另一半為鋁合金散熱面，LED燈線路板位于燈管中間稍靠近鋁合金燈罩處。分別在發(fā)光正面面和散熱背面測試溫度，室溫為25.9℃，結(jié)果如表5所示。

圖12 LED日光燈溫度測試現(xiàn)場Fig.12 Test site of the temperature of LED fluorescent lamps

全塑料LED日光燈管為全PC，LED燈線路板位于燈管頂部，燈板與燈管壁留有少許間隙。測試時室溫為27.5℃，其測試數(shù)據(jù))如表6所示。

全玻璃LED日光燈燈管材料為全玻璃，結(jié)構(gòu)與全塑料燈管相似。測試時室溫為27.0℃，其測試數(shù)據(jù)如表7所示。

表5 半塑半鋁LED日光燈溫度數(shù)據(jù)Table 5 Temperature data of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum 單位：℃

表6 全塑料LED日光燈溫度數(shù)據(jù)Table 6 Temperature data of LED fluorescent lamps with all-plastic 單位：℃

表7 全玻璃LED日光燈溫度數(shù)據(jù)Table 7 Temperature data of LED fluorescent lamps with all-glass 單位：℃

可見LED日光燈的發(fā)光面和背光面經(jīng)過相同的時間產(chǎn)生的溫升差異是較大的，原因是LED芯片距離背光面更近，且通過導(dǎo)熱膠或者散熱板，將芯片產(chǎn)生的熱量更多地導(dǎo)向背面。圖15為LED日光燈發(fā)光面和背光面的溫升曲線圖。

圖15 三類日光燈的溫升曲線Fig.15 Temperature rise curve of 3 types of LED fluorescent lamps

可見，全玻璃結(jié)構(gòu)LED日光燈發(fā)光面的散熱性能較另外兩種日光燈稍稍優(yōu)異，全塑料結(jié)構(gòu)和半塑半鋁結(jié)構(gòu)的發(fā)光面因都是PC材料，散熱表現(xiàn)差不多。在背面，半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈的散熱性能最好，溫升最小，而且溫度較穩(wěn)定，全玻璃結(jié)構(gòu)LED日光燈的溫升最大，全塑料居中。

2 LED球泡燈

LED球泡燈的結(jié)構(gòu)包括燈殼、LED發(fā)光單元、散熱體、驅(qū)動電源、燈體及燈頭，其結(jié)構(gòu)見圖16。

圖16 LED球泡燈結(jié)構(gòu)[6]Fig.16 Construction of LED bulbs

其中LED球泡燈的燈殼一般采用高透光率的PC、PMMA材料，通常采用磨砂處理，具有防眩光、增加照明面積的效果。LED發(fā)光單元包括LED芯片和基板，基板材料通常為鋁材或金屬芯PCB板。散熱體有鋁合金材料、導(dǎo)熱塑料盒陶瓷材料等，通過散熱體熱輻射以及空氣對流散熱[6]。通過測試4盞相同功率(3W)的LED球泡燈，對比不同的芯片排布方式以及不同散熱材料對LED球泡燈的光熱性能的影響。

2.1 芯片排布對光度量的影響

本文選取市場上具有代表性的3個品牌的3盞LED球泡燈(飛利浦、本邦、凱薩羅燈)。將這三種芯片排布方式分別稱為模塊一、模塊二、模塊三。其中模塊一代表飛利浦LED球泡燈的芯片排布方式，近似為兩道不封閉的圓弧結(jié)構(gòu)，并在基板中央放置了一顆芯片；模塊二代表了本邦LED球泡燈的芯片排布方式，其通過三根與散熱體呈一定夾角向上放置的基板，多顆LED芯片被封裝其上；模塊三代表凱薩羅燈LED球泡燈的芯片排布方式，其為均勻的圓形分布。光度量參數(shù)見表8?？梢?，飛利浦LED球泡燈的總體性能較本邦、凱薩羅燈好。

模塊二LED球泡燈采用的是全角度封裝模式，其出光角最大，模塊一與模塊三由于基板的遮擋，出光角減少。三類球泡燈的配光曲線如圖18、圖19所示。

模塊二在燈具的水平方向上光強最大，正對著工作面的光強比較小。模塊一與模塊三的光強分布相對比較相似，都是正對著工作面的光強最大，向周圍慢慢變小，其中模塊一的光強幅度比模塊三稍大。從三類球泡燈的等光強曲線圖可以看出，模塊一與模塊三的均勻度差不多，光強都是從中間向周圍慢慢遞減。模塊二的出光比較混亂，說明其在擴大了出光角的同時沒有很好地兼顧均勻性。

圖17 三類球泡燈芯片排布Fig.17 Chip configuration of 3 types of LED bulbs

燈具總光通量/lm顯色指數(shù)峰值光強/(cd/m2)平均光束角發(fā)光效率/(lm/W)模塊一243.4184.432.07206.6°89.36模塊二182.3374.826.59295.5°63.64模塊三171.3674.029.79181.0°50.72

圖18 三類球泡燈的配光曲線Fig.18 Distribution curve flux of 3 types of LED bulbs

圖19 三類球泡燈的光強曲線Fig.19 Isocandela curve of 3 types of LED bulbs

2.2 芯片排布對色坐標的影響

色坐標和色度量如表9、表10所示。

表9 三類球泡燈色坐標Table 9 Color coordinate of 3 types of LED bulbs

表10 三類球泡燈色度量參數(shù)Table 10 Color measurement parameters of 3 types of LED bulbs

用GO-R5000全空間快速分布光度計對三類球泡燈做測試，得到三維色差圖(圖20～圖22)，通過三維色差圖，可知每種球泡燈的u′參數(shù)和v′參數(shù)總體上對稱，這不同于LED日光燈，因為LED球泡燈的發(fā)光體結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對稱的。從顏色坐標的穩(wěn)定度來看，模塊一球泡燈在整個Gamma角度內(nèi)都很穩(wěn)定，尤其是v′坐標，幾乎沒有變化，邊緣的突變是因為探測器轉(zhuǎn)動到了球泡燈的頂部；模塊二球泡燈在整個Gamma角度內(nèi)也較穩(wěn)定，不過曲線沒有模塊一圓潤，有一些細小的波動，v′坐標在靠近中心區(qū)域的穩(wěn)定度要比兩邊好；模塊三的顏色坐標穩(wěn)定度要比模塊一和模塊二稍差，尤其是v′坐標，108°～180°處的穩(wěn)定度非常不好。模塊一的顏色坐標穩(wěn)定性最好，模塊二次之。

圖20 模塊一(飛利浦)三維色差圖Fig.20 3 D color chart of mode one

圖21 模塊二(本邦)三維色差圖Fig.21 3 D color chart of mode two

圖22 模塊三(凱薩羅燈)三維色差圖Fig.22 3 D color chart of mode three

2.3 材料對散熱性能的影響

LED球泡燈的散熱主要是通過散熱器，散熱器主要是空心圓環(huán)柱結(jié)構(gòu)或錐環(huán)體結(jié)構(gòu)，與LED日光燈相比，散熱面積小，因此散熱器的材料決定了球泡燈的散熱性能。通過實驗測試三種散熱器材料的球泡燈散熱性能。三種散熱器材料分別為導(dǎo)熱塑料、鋁合金和陶瓷。實驗場所為室內(nèi)約5m×10m×5m的環(huán)境，燈具安裝高度為2m，每隔0.5h測量一次燈具表面溫度，采用溫升來表征。測試時環(huán)境溫度為26.9℃，測試現(xiàn)場如圖23所示。

圖23 LED球泡燈溫度測試現(xiàn)場Fig.23 Test site of the temperature of LED bulbs

鋁合金散熱器LED球泡燈導(dǎo)熱系數(shù)大，熱阻小。但成本高。鋁材本身是導(dǎo)體，存在漏電安全隱患[7]。其測試數(shù)據(jù)見表11。

導(dǎo)熱塑料是將高導(dǎo)熱填料、助劑等添加在工程塑料基材中。一般的塑料的導(dǎo)熱率只有0.14～0.34W/(m·K)左右，導(dǎo)熱塑料可達1～20W/(m·K)，是傳統(tǒng)塑料的50～100倍[7]。比鋁材更輕，且絕緣性能好，提高了安全性。其測試數(shù)據(jù)見表12。

陶瓷的導(dǎo)熱率較高，在空氣自然對流下，完全可以用作LED球泡燈的散熱器材料。陶瓷燒結(jié)技術(shù)成熟，可釉成不同顏色，而且電絕緣。但陶瓷的散熱鰭片不能太薄(厚度不小于1.5mm)，中高應(yīng)力下易產(chǎn)生裂紋，無釉表面容易污染等[8]。其測試數(shù)據(jù)見表13(單位：℃)。

三類球泡燈燈殼和散熱器的溫升圖如圖24所示。

表11 鋁材球泡燈溫度數(shù)據(jù)Table 11 Temperature data of LED bulbs with aluminum

表12 導(dǎo)熱塑料氣泡燈溫度數(shù)據(jù)Table 12 Temperature data of LED bulbs with thermal conductive plastics

表13 陶瓷球泡燈溫度數(shù)據(jù)Table 13 Temperature data of LED bulbs with ceramic

圖24 三類球泡燈溫升圖Fig.24 Temperature rise curve of 3 types of LED bulbs

從圖24上看，盡管折線有點跳動，燈殼和散熱器的溫升趨勢是一致的，導(dǎo)熱塑料的散熱性能最好，鋁合金次之，陶瓷最差。導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱率雖然不及鋁材，但是其表面輻射率高于鋁材，導(dǎo)熱塑料的表面輻射率能達到0.93，而鋁材一般在0.2～0.3，從而降低燈具溫度。陶瓷散熱器由于厚度的關(guān)系，導(dǎo)熱性能次于鋁材和導(dǎo)熱塑料。

3 總結(jié)

本文探究了色溫對LED日光燈發(fā)光性能的影響，尤其是顯色指數(shù)和光效，隨著LED色溫的升高，其發(fā)光效率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，而其顯色指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢。接著通過實驗，對半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈、全塑料結(jié)構(gòu)LED日光燈、全玻璃結(jié)構(gòu)LED日光燈的光熱性能進行對比：在相同功率條件下，全玻璃結(jié)構(gòu)LED日光燈的光通量最大，因此其光效也是三類LED日光燈中最高的，全塑料結(jié)構(gòu)次之。由于結(jié)構(gòu)上的差異，全玻璃結(jié)構(gòu)和全塑料結(jié)構(gòu)LED日光燈的出光角度要遠遠大于半塑半鋁結(jié)構(gòu)日光燈，其中全玻璃結(jié)構(gòu)日光燈的出光角度最大。由于半塑半鋁結(jié)構(gòu)日光燈的出光角最小，其將光能量約束在更小的出光范圍內(nèi)，因此其峰值光強是三類日光燈中最大的，全玻璃結(jié)構(gòu)次之。在發(fā)光均勻度參數(shù)上，半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈最均勻，全塑料結(jié)構(gòu)次之。對于色坐標的穩(wěn)定性，全塑料結(jié)構(gòu)日光燈是最穩(wěn)定的。在散熱性能上，半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈的散熱性能最好，散熱也最穩(wěn)定，全塑料結(jié)構(gòu)次之?？偟膩碚f，測試的三類LED日光燈各有優(yōu)劣，在光度量參數(shù)上，全玻璃LED日光燈表現(xiàn)最好，但其出光均勻度和色坐標穩(wěn)定性還有待提高，另外散熱性能也還有發(fā)展空間；在色度量上，全塑料LED日光燈色坐標最穩(wěn)定，其他光度量參數(shù)和散熱性能上全塑料LED日光燈表現(xiàn)平平，處于折中的地位；在散熱性能和出光均勻度上，半塑半鋁結(jié)構(gòu)LED日光燈表現(xiàn)最好，但其光通量和光效還有發(fā)展的空間，另外出光角度較小也是其劣勢。通過實驗測試分析對比了各種LED球泡燈的光熱性能，從光度量和色度量角度來看，大公司生產(chǎn)的LED球泡燈的性能要更優(yōu)越。散熱性能上，導(dǎo)熱塑料作為LED球泡燈的散熱器能起到更好的散熱作用。

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