结构材料对LED日光灯及LED球泡灯光热性能的影响?Date：2016-10-29 人气：3964
LED 日光灯和LED球泡灯作为LED照明的典 型光源，已得到广泛的应用。结构和材料对其性能 都会产生影响。就日光灯，灯管材料不仅影响灯具 的光度参数，而且影响可靠性。球泡灯基板上的芯 片排布对光色参数也会产生一定的影响。白光 LED 光源的电光转化效率一般为30%左右，大部分的电能都转化为热量，热量通过基板传到散热器件，通过散热器件表面的空气对流进行散热。散热效率影响到日光灯或球泡灯的出光效率和使用寿命。本文通过实验研究，对比分析了结构与材料对于LED日光灯和LED球泡灯的光、色、热性能的影响。
1.日光灯
1.1色温对光学性能的影响
宋国华等研究了LED色温、发光效率、显色指数的关系。其实验结果如图1所示。可见，白光LED色温大于4000K时，随色温升高，发光效率呈缓慢下降趋势，而显色指数呈上升趋势。实验对同一型号的三支不同色温的LED日光灯(NVC3000K、NVC4000K、NVC6000K)进行测试，结果见表1所示，验证了这个趋势。
光源的显色性取决于它的光谱功率分布，连续光谱的光源具有较好的显色性。显色指数上升伴随着发光效率下降，同时也说明色温间接影响了LED日光灯的发光效率。
1.2结构对光学性能的影响
LED日光灯的结构如图2所示。
LED日光灯外壳灯管的作用主要是防护、定位、连接元器件、散热、优化照明效果。灯管包括:全塑料、全玻璃、半塑半铝结构。对同功率的T8LED日光灯进行测试T8LED日光灯进行测试，进而讨论结构对LED日光灯的光学性能的影响。半塑半铝结构正面使用透光塑料成型，背面由导热性能良好且带反射面设计的铝合金型材。在铝型材外表面定型条纹或鳍片，以加散热面积，结构如图3所示.
全塑管灯管全部由塑料制成，包括:整根全部使用同一塑料，正面与反面使用不同塑料(正面使用透光塑料，背面使用乳白色塑料用以遮挡PCB的背面与灯管内的驱动电源，使灯管轻盈美观)。透光塑料有PMMA(有机玻璃)与阻燃PC(聚碳酸酯)两种。全PC材料拉丝或漫透射，使出光角尽量大，结构如图4所示。
全玻璃灯管由玻璃制作而成，LED光源安装在铝基板的正面，其背面通过导热胶直接粘在玻璃灯管的内壁上。玻璃灯管内壁上涂覆有漫散射涂层，使出光均匀、柔和，减少眩光。结构如图5所示。
对这三种灯管结构的LED日光灯(同功率，不同结构)进行测试，结果如表2。
玻璃灯管LED日光灯的透光性能要优于其余两种，光通量更高，发光效率也最高。灯具的显色指数主要依赖于光源的光谱功率分布，由于透光材料的光谱透过率在可见区都比较平坦，三者显色指数几乎一样。半塑半铝结构LED日光灯的峰值光强最大，全玻璃LED日光灯由于漫射层均匀，平均光束角最大。单一材料LED日光灯的平均光束角比半塑半铝LED日光灯好，而半塑半铝LED日光灯由于散热铝材的限制，发光角度最小。LED日光灯与360°发光的传统荧光灯相比，由于基板和芯片发光面的限制，始终无法全角度发光，如图6所示。图(b)所示配光曲线相对于对称轴略有偏移，是实验用日光灯带有缺陷，不影响发光角度的测量。
LED日光灯的照明属于半直接照明，半透明材料制成的灯罩罩住光源上部，60%～90%的光线集中射向工作面，10%～40%被罩光线又经半透明灯罩扩散而向上漫射，其光线比较柔和。这种灯具常用于较低的房间的一般照明。由于漫射光线能照亮平顶，使房间顶部亮度增加，因而能产生较大的空间感。因此在LED日光灯的空间分布中，既要考虑发光角，又要考虑工作面上的光均匀度。
图7中的横坐标和纵坐标分别表示工作面的水平角度和垂直角度，图中的彩线代表不同的光强，蓝色代表峰值光强的90%，棕色代表80%，红色代表10%，以10%递减。可见中间区域的第一条线都是蓝线，即正对着LED日光灯的工作面接收到的光强最大，远离中心的光强减小。中间部分彩线越少，即光强的变化梯度越少，说明LED日光灯投射到工作面上的光强是随角度慢慢变小，即发光均匀性越好。
表3、表4是三类日光灯的色坐标和色参数数据。可见，无论是平均颜色坐标还是中心颜色坐标，三类LED日光灯的发光颜色区域都在标准白光E附近。进一步，对两个维度(Cangle、Gammaangle)色度测量分析每种LED日光灯在各个角度的色度性能。
图9～图11为LED日光灯的三维色差分布图。可见，每一种LED日光灯的色品指数都有两条曲线，其中一条为Cangle等于0°的曲线，代表轴向色度性能，另一条为Cangle等于90°的曲线，代表径向色度性能。三类LED日光灯在轴向和径向的色度都有一定范围的波动。全塑料结构LED日光灯轴向色坐标波动最小，稳定性最好。对于LED日光灯的径向颜色性能，即Cangel为90°时灯具上各个点的颜色坐标。
从测得的数据看得出，全塑料结构LED日光灯的颜色坐标除了个别点，总体上是比较稳定的;半塑半铝结构LED日光灯和全玻璃LED日光灯的波动明显。可见对色均匀性来说，全塑料结构LED日光灯的表现最好。三类LED日光灯在色饱和度上差别不大。
1.3结构与材料对散热性能的影响
LED光源发光时，由于热能使光源温度升高，导致光衰，从而缩短了LED日光灯的使用寿命。好的结构与材料能有效地降低灯具的温度，确保其正常使用。实验在5m×10m×5m室内环境进行(如图12)，灯具安装高度为2m，每隔0.5h测量一次灯具表面温度。首先讨论半塑半铝LED日光灯的散热性能，灯管由两部分灯罩组成，一半为PC灯罩，正对发光面，另一半为铝合金散热面，LED灯线路板位于灯管中间稍靠近铝合金灯罩处。分别在发光正面面和散热背面测试温度，室温为25.9℃，结果如表5所示。全塑料LED日光灯管为全PC，LED灯线路板位于灯管顶部，灯板与灯管壁留有少许间隙。测试时室温为27.5℃，其测试数据)如表6所示。全玻璃LED日光灯灯管材料为全玻璃，结构与全塑料灯管相似。测试时室温为27.0℃，其测试数据如表7所示。
可见LED日光灯的发光面和背光面经过相同的时间产生的温升差异是较大的，原因是LED芯片距离背光面更近，且通过导热胶或者散热板，将芯产生的热量更多地导向背面。图15为LED日光灯发光面和背光面的温升曲线图。
可见，全玻璃结构LED日光灯发光面的散热性能较另外两种日光灯稍稍优异，全塑料结构和半塑半铝结构的发光面因都是PC材料，散热表现差不多。在背面，半塑半铝结构LED日光灯的散热性能最好，温升最小，而且温度较稳定，全玻璃结构LED日光灯的温升最大，全塑料居中。
2.LED球泡灯
LED球泡灯的结构包括灯壳、LED发光单元、散热体、驱动电源、灯体及灯头，其结构见图16。
其中LED球泡灯的灯壳一般采用高透光率的PC、PMMA材料，通常采用磨砂处理，具有防眩光、增加照明面积的效果。LED发光单元包括LED芯片和基板，基板材料通常为铝材或金属芯PCB板。散热体有铝合金材料、导热塑料盒陶瓷材料等，通过散热体热辐射以及空气对流散热。通过测试4盏相同功率(3W)的LED球泡灯，对比不同的芯片排布方式以及不同散热材料对LED球泡灯的光热性能的影响。
2.1芯片排布对光度量的影响
本文选取市场上具有代表性的3个品牌的3盏LED球泡灯(飞利浦、本邦、凯萨罗灯)。将这三种芯片排布方式分别称为模块一、模块二、模块三。其中模块一代表飞利浦LED球泡灯的芯片排布方式，近似为两道不封闭的圆弧结构，并在基板中央放置了一颗芯片;模块二代表了本邦LED球泡灯的芯片排布方式，其通过三根与散热体呈一定夹角向上放置的基板，多颗LED芯片被封装其上;模块三代表凯萨罗灯LED球泡灯的芯片排布方式，其为均匀的圆形分布。光度量参数见表8。可见，飞利浦LED球泡灯的总体性能较本邦、凯萨罗灯好。
模块二LED球泡灯采用的是全角度封装模式，其出光角最大，模块一与模块三由于基板的遮挡，出光角减少。三类球泡灯的配光曲线如图18、图19所示。
模块二在灯具的水平方向上光强最大，正对着工作面的光强比较小。模块一与模块三的光强分布相对比较相似，都是正对着工作面的光强最大，向周围慢慢变小，其中模块一的光强幅度比模块三稍大。从三类球泡灯的等光强曲线图可以看出，模块一与模块三的均匀度差不多，光强都是从中间向周围慢慢递减。模块二的出光比较混乱，说明其在扩大了出光角的同时没有很好地兼顾均匀性。
2.2芯片排布对色坐标的影响
色坐标和色度量如表9、表10所示。用GO-Ｒ5000全空间快速分布光度计对三类球泡灯做测试，得到三维色差图(图20～图22)，通过三维色差图，可知每种球泡灯的u'参数和v'参数总体上对称，这不同于LED日光灯，因为LED球泡灯的发光体结构是旋转对称的。
从颜色坐标的稳定度来看，模块一球泡灯在整个Gamma角度内都很稳定，尤其是v'坐标，几乎没有变化，边缘的突变是因为探测器转动到了球泡灯的顶部;模块二球泡灯在整个Gamma角度内也较稳定，不过曲线没有模块一圆润，有一些细小的波动，v'坐标在靠近中心区域的稳定度要比两边好;模块三的颜色坐标稳定度要比模块一和模块二稍差，尤其是v'坐标，108°～180°处的稳定度非常不好。模块一的颜色坐标稳定性最好，模块二次之。
2.3材料对散热性能的影响
LED球泡灯的散热主要是通过散热器，散热器主要是空心圆环柱结构或锥环体结构，与LED日光灯相比，散热面积小，因此散热器的材料决定了球泡灯的散热性能。通过实验测试三种散热器材料的球泡灯散热性能。三种散热器材料分别为导热塑料、铝合金和陶瓷。实验场所为室内约5m×10m×5m的环境，灯具安装高度为2m，每隔0.5h测量一次灯具表面温度，采用温升来表征。测试时环境温度为26.9℃，测试现场如图23所示。
铝合金散热器LED球泡灯导热系数大，热阻小。但成本高。铝材本身是导体，存在漏电安全隐患。其测试数据见表11。导热塑料是将高导热填料、助剂等添加在工程塑料基材中。一般的塑料的导热率只有0.14～0.34W/(m·K)左右，导热塑料可达1～20W/(m·K)，是传统塑料的50～100倍。比铝材更轻，且绝缘性能好，提高了安全性。其测试数据见表12。
陶瓷的导热率较高，在空气自然对流下，完全可以用作LED球泡灯的散热器材料。陶瓷烧结技术成熟，可釉成不同颜色，而且电绝缘。但陶瓷的散热鳍片不能太薄(厚度不小于1.5mm)，中高应力下易产生裂纹，无釉表面容易污染等。其测试数据见表13(单位:℃)。三类球泡灯灯壳和散热器的温升图如图24所示.
从图24上看，尽管折线有点跳动，灯壳和散热器的温升趋势是一致的，导热塑料的散热性能最好，铝合金次之，陶瓷最差。导热塑料的导热率虽然不及铝材，但是其表面辐射率高于铝材，导热塑料的表面辐射率能达到0.93，而铝材一般在0.2～0.3，从而降低灯具温度。陶瓷散热器由于厚度的关系，导热性能次于铝材和导热塑料.
3.总结
本文探究了色温对LED日光灯发光性能的影响，尤其是显色指数和光效，随着LED色温的升高，其发光效率呈现缓慢下降的趋势，而其显色指数呈现上升的趋势。接着通过实验，对半塑半铝结构LED日光灯、全塑料结构LED日光灯、全玻璃结构LED日光灯的光热性能进行对比:在相同功率条件下，全玻璃结构LED日光灯的光通量最大，因此其光效也是三类LED日光灯中最高的，全塑料结构次之。由于结构上的差异，全玻璃结构和全塑料结构LED日光灯的出光角度要远远大于半塑半铝结构日光灯，其中全玻璃结构日光灯的出光角度最大。由于半塑半铝结构日光灯的出光角最小，其将光能量约束在更小的出光范围内，因此其峰值光强是三类日光灯中最大的，全玻璃结构次之。
在发光均匀度参数上，半塑半铝结构LED日光灯最均匀，全塑料结构次之。对于色坐标的稳定性，全塑料结构日光灯是最稳定的。在散热性能上，半塑半铝结构LED日光灯的散热性能最好，散热也最稳定，全塑料结构次之。
总的来说，测试的三类LED日光灯各有优劣，在光度量参数上，全玻璃LED日光灯表现最好，但其出光均匀度和色坐标稳定性还有待提高，另外散热性能也还有发展空间;在色度量上，全塑料LED日光灯色坐标最稳定，其他光度量参数和散热性能上全塑料LED日光灯表现平平，处于折中的地位;在散热性能和出光均匀度上，半塑半铝结构LED日光灯表现最好，但其光通量和光效还有发展的空间，另外出光角度较小也是其劣势。通过实验测试分析对比了各种LED球泡灯的光热性能，从光度量和色度量角度来看，大公司生产的LED球泡灯的性能要更优越。散热性能上，导热塑料作为LED球泡灯的散热器能起到更好的散热作用。
上一个：LED照明灯具的散热片设计
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