空間結(jié)構(gòu)對(duì)LED燈絲燈光學(xué)性能的影響

黎豐橋，陳 仁，黃家旋，黃付果，鄧婷婷，劉智權(quán)，陀子望

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528200；2.佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528200)

引言

發(fā)光二極管(LED)作為新一代的發(fā)光光源，將其應(yīng)用于照明領(lǐng)域，能夠較大程度降低照明功耗。一種采用LED光源、外觀效果和發(fā)光效果類似白熾燈的新型LED燈絲燈進(jìn)入燈具市場(chǎng)，得到懷舊人們的喜愛(ài)。經(jīng)過(guò)技術(shù)的革新與發(fā)展，LED燈絲燈在光電性能、電磁兼容和可靠性等基本成熟，已逐漸成為替代75 W以下功率白熾燈的照明解決方案。但是，采用直立對(duì)稱排列結(jié)構(gòu)的LED燈絲燈空間光分布不均勻，較難通過(guò)能源之星認(rèn)證[1，2]。

因此，本文以廣泛使用的A19燈絲燈為研究對(duì)象，參考能源之星認(rèn)證對(duì)球泡燈的光電性能指標(biāo)要求，使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬仿真，采用試錯(cuò)法，設(shè)計(jì)并制作實(shí)驗(yàn)樣品，測(cè)試和分析光的空間分布，探索照明效果較優(yōu)的燈絲空間結(jié)構(gòu)。

1 LED燈絲燈結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 LED燈絲燈空間結(jié)構(gòu)

與普通的白熾燈相比較，LED燈絲燈的外形結(jié)構(gòu)和燈頭規(guī)格完全相同，但發(fā)光光源、光源空間結(jié)構(gòu)排布和驅(qū)動(dòng)方式完全不同。LED燈絲主要由發(fā)光芯片、散熱基板和熒光粉三部分組成。LED燈絲的發(fā)展根據(jù)基體材料的變化經(jīng)歷了三代，基體材料從藍(lán)寶石、石英玻璃到透明陶瓷。

LED燈絲燈在玻璃芯柱上將支架做成多種不同的空間結(jié)構(gòu)，主要有垂直型、錐型和螺旋型結(jié)構(gòu)?？墒褂贸Ｒ?guī)燈絲點(diǎn)焊排布的方式，也可使用柔性燈條結(jié)合支架的方式，實(shí)現(xiàn)不同的外觀效果和照明效果[3-7]。由于燈絲燈由多條燈絲進(jìn)行空間排列，光的空間分布受燈絲燈的在空間的排列位置和排列角度影響，不合理的排列容易引起光的空間分布不均勻，導(dǎo)致照度分布不均勻，產(chǎn)生典型的“燈下黑”現(xiàn)象等問(wèn)題，影響燈絲燈的實(shí)際推廣應(yīng)用。

LED燈絲燈通常采用玻璃作為泡殼，根據(jù)對(duì)玻璃外殼表面處理方法的不同進(jìn)行分類，可劃分為透明玻璃泡、噴金泡、蒸鋁泡、磨砂泡和乳白泡等，其中磨砂泡和乳白泡能夠較好改善空間光照明均勻性效果。磨砂泡可以在一定程度上提升泡殼霧化度，改善空間光均勻性。但是當(dāng)燈絲燈點(diǎn)亮后，由于LED燈條自身亮度高，可以看到條狀的發(fā)光器件，出現(xiàn)局部明暗不均的發(fā)光效果。乳白泡具有較高的霧化效果，霧化效果高的乳白泡可大大改善LED燈絲燈的空間光的均勻度，是燈絲燈較為理想的泡殼選型。但霧化效果高帶來(lái)的缺點(diǎn)就是透光率低，良好照明效果是以降低燈絲燈發(fā)光效率為代價(jià)的，燈絲燈的空間光均勻性和發(fā)光效率通常是互相矛盾的[8-10]。

1.2 能源之星認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

LED燈絲燈是一種球泡燈光源，產(chǎn)品出口美國(guó)等國(guó)家，光學(xué)性能等指標(biāo)需要符合能源之星(Energy Star)認(rèn)證的要求。能源之星是美國(guó)能源部和美國(guó)環(huán)保署共同推行的一項(xiàng)政府計(jì)劃，旨在更好地保護(hù)生存環(huán)境，節(jié)約能源[11]。1992年由美國(guó)環(huán)保署發(fā)起，最早在電腦產(chǎn)品上推廣，現(xiàn)在納入此認(rèn)證范圍的產(chǎn)品已達(dá)30多類，如家用電器、制熱或制冷設(shè)備、電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品等。目前在中國(guó)市場(chǎng)參與能源之星認(rèn)證的照明產(chǎn)品，主要包括：LED光源、節(jié)能燈、燈具、交通信號(hào)燈和出口指示燈等。本文所研究的A19燈絲燈，即為國(guó)內(nèi)常規(guī)的A60燈泡，定位為全向燈，這類燈具可根據(jù)能源之星認(rèn)證要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。認(rèn)證對(duì)于全向燈光的空間分布要求如圖1所示，以燈具的平面來(lái)劃分角度，在燈具的0～130°范圍內(nèi)80%的光強(qiáng)值與該區(qū)域光強(qiáng)平均值差異小于35%且全部小于60%，同時(shí)在130～180°分布5%的光通量。

圖1 能源之星認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)光的空間分布要求Fig.1 Requirements of lighting distribution by Energy Star Certification

2 燈絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 燈絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)燈絲燈的產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，借鑒相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，采用試錯(cuò)法，研究光空間分布均勻、且發(fā)光效率高的燈絲燈[12-14]。根據(jù)A19燈絲燈的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，制作燈絲燈的玻璃芯柱及玻璃泡殼二維圖紙，采用Solidworks結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件繪制三維圖，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)操作得到簡(jiǎn)易三維模型，效果如圖2所示。本文設(shè)計(jì)了常規(guī)燈絲排布、圓錐型和交叉空間排布三種方式，并分析燈絲發(fā)光面傾斜角度對(duì)燈絲燈配光曲線的影響。在Tracepro光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中根據(jù)三維模型建立等效的發(fā)光模型，設(shè)置光源發(fā)光面及光線參數(shù)，追跡光線，分析得到其光強(qiáng)坎德拉曲線圖和光斑，導(dǎo)出IES文件，并在DIALux照明設(shè)計(jì)軟件中建立空間，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)IES文件，設(shè)置光源參數(shù)觀察模擬照明光斑效果。

圖2 常規(guī)燈絲結(jié)構(gòu)模型模擬與照明光斑Fig.2 Simulation of traditional filament structure and lighting spot

常規(guī)直立對(duì)稱排列燈絲結(jié)構(gòu)模擬模型、配光曲線及照明光斑，如圖2所示?？梢?jiàn)，在0～30°范圍內(nèi)其光通量分布較少，光通量主要分布在40°～130°，整體光強(qiáng)分布不均勻，通過(guò)照明模擬，出現(xiàn)燈下中心照度偏低，暗斑明顯，出現(xiàn)典型的“燈下黑”的現(xiàn)象。

調(diào)整燈絲的傾斜角，將每根燈絲繞中心軸傾斜15°角度，芯片發(fā)光面朝上，形成圓錐狀結(jié)構(gòu)，燈絲結(jié)構(gòu)模擬模型、配光曲線及照明光斑如圖3所示。中心光強(qiáng)值有明顯提高，光通量空間分布更為均勻。通過(guò)照明模擬，整體照度均勻度有顯著提高，可見(jiàn)“燈下黑”的情況有明顯改善。

圖3 圓錐型燈絲結(jié)構(gòu)模擬模型與照明光斑Fig.3 Simulation of conic filament structure and lighting spot

繼續(xù)優(yōu)化燈絲的結(jié)構(gòu)，以空間交叉排列方式設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)模型，將每根燈絲繞中心軸和水平軸分別傾斜15°，燈絲結(jié)構(gòu)模擬模型、配光曲線及照明光斑如圖4所示，可見(jiàn)光通量和光強(qiáng)值空間分布比較均勻，照明效果得到較大提高。

圖4 交叉型燈絲結(jié)構(gòu)模擬模型與照明光斑Fig.4 Simulation of cross-type filament structure and lighting spot

光學(xué)設(shè)計(jì)仿真分析采用圓錐型和空間交叉燈絲結(jié)構(gòu)，燈絲燈的光強(qiáng)和光通量空間分布更均勻，中心光強(qiáng)值有明顯提高，營(yíng)造的照明效果較常規(guī)型燈絲結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更加優(yōu)秀。

2.2 燈絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

燈絲在空間的傾斜角度影響光在空間分布的均勻性，因此，可通過(guò)改變傾斜角度，優(yōu)化光在空間分布。分別采用10°、15°和20°傾斜角度，分析圓錐型燈絲和交叉型燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線，如圖5所示?？梢?jiàn)，隨著傾斜角度的增加，中心光強(qiáng)值逐漸增強(qiáng)，根據(jù)照度值與距離的平方成反比、與中心軸線夾角余弦值的三次方成正比的原理，為營(yíng)造比較均勻的照明效果，應(yīng)設(shè)計(jì)均勻的中心光強(qiáng)值，不能太高，也不能太低，避免產(chǎn)生“燈下過(guò)亮”或“燈下黑”現(xiàn)象。另外，從實(shí)際制作工藝方面出發(fā)，考慮成品合格率及美觀等因素，燈絲傾角不應(yīng)太大。因此，選擇傾斜角度為15°的設(shè)計(jì)方案，制作實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和配光曲線分析。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 樣品制作

1)材料準(zhǔn)備。本次樣品根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)的模型，制作了常規(guī)燈絲結(jié)構(gòu)、圓錐型燈絲結(jié)構(gòu)和交叉型燈絲結(jié)構(gòu)，搭配透明泡殼及涂粉泡殼，共六種樣品，每個(gè)樣品制作三個(gè)，總計(jì)18個(gè)樣品。球泡配套材料：7 V-22 mA-5 000 K-Ra80的單根燈絲、A60透明泡殼和涂粉泡殼、線性恒流方案電源，以及E26套管鋁燈頭。

2)制作工藝。通過(guò)點(diǎn)焊燈絲得到芯柱樣品，再經(jīng)過(guò)封泡排氣工序，得到了初步的毛泡，使用電源裝配經(jīng)過(guò)初步復(fù)光，確認(rèn)功率無(wú)異常并正常發(fā)光后，再安裝燈頭，得到測(cè)試樣品，制作工藝如圖6所示。

3.2 測(cè)試與分析

完成樣品制作后首先進(jìn)行基本的電參數(shù)測(cè)試，因所用燈絲及電源都相同，故只在三組透明泡殼樣品中各抽取一個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。在常壓120 V檔位輸入電壓情況下，其輸入功率標(biāo)稱值為7.5 W，實(shí)測(cè)為7.3 W，輸出電流為44 mA左右。

圖7所示為樣品點(diǎn)亮?xí)r的實(shí)物圖，進(jìn)行光通量測(cè)試得到每個(gè)樣品的光通量接近900 lm，均滿足本次該規(guī)格樣品對(duì)輸出光通量850 lm的要求，因此涂粉泡殼對(duì)光通量的損失影響較小。

3.2.1 不同燈絲結(jié)構(gòu)分析

將制作的六組樣品采用空間分光光度計(jì)測(cè)試光分布，以環(huán)帶光通法分割單位立體角的光通量，不同燈絲結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果如圖8～圖10所示，圓錐型結(jié)構(gòu)的燈絲光分布與模擬時(shí)結(jié)果差異較大，其原因是由于在實(shí)際點(diǎn)焊工藝中，無(wú)法使燈絲傾角與所模擬的情況完全一致，導(dǎo)致光分布并不如預(yù)期，但比較常規(guī)型結(jié)構(gòu)，其光分布情況依然是有所改善。

將測(cè)試所得的光通量環(huán)帶表格數(shù)據(jù)以5°角度導(dǎo)出，在認(rèn)證表格中鑒定得到在0°～130°范圍內(nèi)的單位立體角光通量數(shù)值大于平均光通量數(shù)值35%的所占比例(認(rèn)證要求小于20%)，在表2中以①表示，及與平均光通量差異最大的差異值(認(rèn)證要求小于60%)，在表2中以②表示。由表2所示，常規(guī)燈絲結(jié)構(gòu)透明泡殼燈泡滿足②的要求，但不滿足認(rèn)證①的要求，圓錐型燈絲結(jié)構(gòu)和交叉型燈絲結(jié)構(gòu)均滿足認(rèn)證①和②的要求，對(duì)應(yīng)球泡光的空間分布比較均勻，但交叉型燈絲結(jié)構(gòu)的均勻性指標(biāo)優(yōu)于圓錐型燈絲結(jié)構(gòu)的。

圖5 圓錐型燈絲和交叉型燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線Fig.5 Lighting distribution of conic and cross-typefilament structure

圖6 樣品制作工藝圖Fig.6 Process technique of samples

表1 樣品電參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖7 各組樣品點(diǎn)亮實(shí)物圖Fig.7 Light-up bulbs of different samples

圖8 常規(guī)型燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線測(cè)試Fig.8 Lighting distribution of traditional filament structure

圖9 圓錐型燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線測(cè)試Fig.9 Lighting distribution of conic filament structure

圖10 交叉型燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線測(cè)試Fig.10 Lighting distribution of cross-type filament structure

表2 透明泡殼各組樣品能源之星認(rèn)證鑒定結(jié)果

3.2.2 涂粉泡殼類型測(cè)試分析

使用涂粉的乳白泡殼所制作的樣品進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的光配光曲線結(jié)果如圖8～圖10所示，其認(rèn)證鑒定結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)，通過(guò)使用涂粉的乳白泡殼，三種燈絲結(jié)構(gòu)均滿足認(rèn)證①和②的要求，而且均勻度數(shù)據(jù)明顯提高。因此，涂粉后燈絲燈光的空間分布更加均勻，照明舒適性更高，具有較好的防眩光效果，同時(shí)涂粉泡殼交叉型空間結(jié)構(gòu)的燈絲燈具有更均勻的光空間分布。

表3 涂粉泡殼各組樣品認(rèn)證鑒定結(jié)果

3.2.3 優(yōu)化前后照明光斑分析

將實(shí)驗(yàn)中測(cè)試得到的IES文件導(dǎo)入DIALux照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真模擬。圖11為燈絲燈優(yōu)化前后照明光斑效果圖。為能清晰觀察光斑，設(shè)置燈具安裝高度0.5 m，燈正下方1 m×1 m計(jì)算工作面，計(jì)算得到照度均勻度等結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，交叉型燈絲結(jié)構(gòu)透明泡殼平均照度和照度均勻度都比較高，平均照度比普通結(jié)構(gòu)透明泡殼高20%左右，具有較均勻的光空間分布,并且光斑得到明顯改善。泡殼改用涂粉時(shí)，平均照度下降，接近常規(guī)型和圓錐型透明泡殼值，但光源發(fā)出的光更為柔和均勻，得到的光斑效果最優(yōu)。

表4 照度結(jié)果對(duì)比

圖11 燈絲燈優(yōu)化前后照明光斑效果圖Fig.11 Lighting spots of filament lamps before and after optimization

4 結(jié)論

本文以廣泛使用的A19燈絲燈為對(duì)象，研究了燈絲結(jié)構(gòu)和泡殼類型對(duì)燈絲燈光空間分布的影響。本文采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)獲得了符合能源之星認(rèn)證光學(xué)性能指標(biāo)要求的圓錐型和交叉型優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并制作實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行配光曲線測(cè)試與分析。研究發(fā)現(xiàn)，涂粉泡殼交叉型空間結(jié)構(gòu)的燈絲燈具有較均勻和高效的光空間分布，光通量和照度的分布更均勻，可為照明應(yīng)用帶來(lái)舒適和節(jié)能的照明效果。期望本研究的技術(shù)解決方案能為燈絲燈企業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)提供參考。