高效無金屬散熱器LED照明燈節(jié)能技術(shù)解析

使用壽命。

　　我們可以用藍(lán)加紅或橙LED芯片以提高CRI，還可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光條，而無需用發(fā)光粉。所述芯片也可以是芯片基板背鍍反射膜的或不透明的芯片，所制成的LED發(fā)光條仍為4π出光，但其光效將比芯片基板是透明的要低。所述芯片還可以用倒裝LED芯片，倒裝在印有電連接線的透明基板上制成發(fā)光條，還可用一個(gè)芯片上有多個(gè)PN結(jié)的高壓LED芯片(HVLED)制作發(fā)光條，以減少芯片之間的電連接線，提高成品率和生產(chǎn)效率。

　　這類LED燈絲燈的光效要比現(xiàn)有用≤2π出光的LED元件制成的球泡燈高30%以上，而且無金屬散熱器，可節(jié)省大量鋁，更環(huán)保，重量輕，目前已經(jīng)開始被市場(chǎng)接受，批量生產(chǎn)。

　　然而，也有人擔(dān)心它的使用壽命難以達(dá)到30000小時(shí)或以上，難以制成輸出光通量高于800 lm的大功率LED燈。下文會(huì)對(duì)此分別敘述。

　　三、壽命分析

　　LED燈壽命主要取決于LED PN結(jié)的工作溫度和發(fā)光粉的光衰。

　　圖4所示為目前常用的GaN LED的不同PN結(jié)溫的光通量衰減圖，圖中標(biāo)有不同結(jié)溫時(shí)的L70壽命。由圖可見，若結(jié)溫<85℃，L70壽命可達(dá)30000小時(shí)以上。LED PN結(jié)的溫度不容易測(cè)量，用主波峰的位移、結(jié)電壓變化、紅外成像儀、發(fā)光效率的變化等可以估計(jì)PN結(jié)的結(jié)溫。

　　圖5所示為相對(duì)光通量和結(jié)溫的關(guān)系，由圖5可見，在恒定LED輸入功率的條件下，穩(wěn)定光通量比冷態(tài)光通量下降10%時(shí)的結(jié)溫為75～85℃。恒定功率條件下光通量的變化，即相對(duì)光效的變化。因此我們可以測(cè)量燈的初始光效和熱穩(wěn)定后相同輸入功率的穩(wěn)定光效之比來估計(jì)LED燈穩(wěn)定工作時(shí)PN結(jié)的結(jié)溫，若此穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9，由圖4和5可見、燈的壽命估計(jì)可達(dá)30000小時(shí)以上。當(dāng)然，同時(shí)還要計(jì)及發(fā)光粉的光衰和其它因數(shù)；最后還需要以實(shí)際測(cè)量來確定?！　∫簿褪钦f，LED燈絲燈的設(shè)計(jì)，應(yīng)該滿足穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9的條件，LED燈絲燈才可能有30000小時(shí)以上的使用壽命。

　　我們的壽命試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是14個(gè)穩(wěn)定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED燈絲燈壽命測(cè)試的平均值(Lr)。圖中虛線為能源之星35000小時(shí)壽命的光衰曲線，其中1000小時(shí)被定義為初始值(100%)。由圖6可見，所述LED燈絲燈的L70壽命有可能達(dá)到30000小時(shí)以上。

　　現(xiàn)在我們?cè)賮砜匆豢礋襞葜谐涓邔?dǎo)熱率低粘滯系數(shù)氣體的重要性。圖7所示為同一個(gè)3.9W的LED燈絲燈，在充有室溫下近一個(gè)大氣壓的氦氣和折斷排氣管放入空氣后，在相同輸入功率條件下，光效隨時(shí)間的變化。圖中上面一條曲線為充有氦的測(cè)試結(jié)果，下面一條曲線為相同測(cè)試條件下，放入空氣后的測(cè)試結(jié)果。由圖可見，在充有氦氣時(shí)，穩(wěn)定光效與初始光效之比>0.9，對(duì)照?qǐng)D4和5、其PN結(jié)的結(jié)溫<85℃，預(yù)計(jì)壽命可大于30000小時(shí)。

　　然而一旦放入空氣，不僅其穩(wěn)定光效降低了19%，其穩(wěn)定光效與初始光效之比下降到<0.75，對(duì)照?qǐng)D5，其PN結(jié)的結(jié)溫>150℃！ 顯然已經(jīng)難以正常工作了。這里可以明顯看到充高導(dǎo)熱率、低粘滯系數(shù)氣體的重要性，也說明了充空氣的LED燈絲燈發(fā)光效率低、光通量小的原因。

　　此外，假設(shè)LED燈泡壽命長(zhǎng)達(dá)30000小時(shí)，若以每天工作3小時(shí)計(jì)，長(zhǎng)達(dá)20多年的工作期間保持泡殼內(nèi)氣體的純度，泡殼必須真空密封，用現(xiàn)有的有機(jī)或無機(jī)膠密封都不可能長(zhǎng)時(shí)間保持其氣體的純度。真空密封還可以完全隔離周圍環(huán)境對(duì)LED元件的影響，LED可以在完全沒有周圍空氣中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影響下工作，更有可能使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年以上?！　?strong style="word-break: break-all; ">四、陶瓷管LED燈分析

　　此前，有人預(yù)言、LED燈絲燈只能制造500 lm以下的小功率燈。這樣的預(yù)言不是沒有道理，因?yàn)橛蒐ED燈絲(發(fā)光條)組裝而成的燈絲燈，由于受到LED燈絲與散熱氣體接觸面積小、散熱面積小、熱阻大的限制，單燈的輸出光通量確實(shí)難以做到>800 lm。

　　而半導(dǎo)體照明的目標(biāo)是要替代10～150W通用的白熾燈和與它相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈。實(shí)際上也只有這樣，半導(dǎo)體照明才能成為通用照明的主流。參照美國能源之星，40W、60W、75W、100W、150W白熾燈的初始輸出光通量分別為450、800、1100、1600和2600 lm。

　　如何制成光通量為800～2600 lm的大功率無金屬散熱器LED照明燈？其關(guān)鍵在于：在保持LED 4π出光、高效率、低發(fā)熱的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高LED的散熱面積，減小LED PN結(jié)到燈周圍散熱空氣的熱阻和進(jìn)一步提高泡殼的散熱能力。

　　銳迪生解決這個(gè)問題的技術(shù)方案是：把LED發(fā)光條或LED芯片直接緊貼在一個(gè)高導(dǎo)熱率的透明管的外壁上，所述透明管，例如為透明陶瓷管、石英管、藍(lán)寶石管等，透明陶瓷管具有高達(dá)23 W/(m·K)的導(dǎo)熱率、高達(dá)95%以上的總透光率，其導(dǎo)熱率接近芯片基板藍(lán)寶石，它的內(nèi)、外表面都與散熱氣體接觸和散熱，大大增加了LED的散熱面積、降低了LED芯片PN結(jié)到散熱氣體的熱阻。

　　圖8所示為用上述透明陶瓷管LED發(fā)光柱制成的A19 LED燈泡的示意圖。如圖所示，LED發(fā)光條被固定在一個(gè)透明陶瓷管的外表面上，泡殼芯柱上的玻璃柱上端有一彈簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端與芯柱的引出線連接并固定，芯柱引出線與燈的驅(qū)動(dòng)器輸出連接，驅(qū)動(dòng)器的輸入與燈頭連接，燈頭用于連接外電源，接通外電源即可點(diǎn)亮LED燈。

　　圖9和10為兩種不同結(jié)構(gòu)的LED發(fā)光柱的截面示意圖。圖9為L(zhǎng)ED發(fā)光條粘貼在透明陶瓷管外表面的LED發(fā)光柱的示意圖。圖10為L(zhǎng)ED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED發(fā)光柱的示意圖。

　　如圖9所示，至少一條LED發(fā)光條被用透明膠固定在透明陶瓷管外表面上，圖中是有4條發(fā)光條的例子。透明陶瓷管上有供安裝發(fā)光條的平面，各發(fā)光條相互串聯(lián)或串并聯(lián)。

　　圖10為L(zhǎng)ED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明膠固定在預(yù)先涂覆有發(fā)光粉層的陶瓷管平面上，也可用混合有發(fā)光粉的固晶膠固定在透明陶瓷管的平面上。

　　圖10所示為L(zhǎng)ED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一發(fā)光粉層上的例子，LED芯片上覆蓋有第二發(fā)光粉層。LED芯片經(jīng)一薄發(fā)光粉層被直接固定在高導(dǎo)熱率陶瓷管上，其間沒有透明基板，僅有一薄層粉膠，芯片的藍(lán)寶石基板基本上直接與陶瓷管接觸，熱阻很小，進(jìn)一步降低了LED的PN結(jié)與散熱氣體之間的熱阻，即可降低PN結(jié)的工作溫度，可提高LED芯片的工作電流和功率，提高輸出光通量。同時(shí)，還可以用較大功率的中功率LED芯片，以減少LED發(fā)光條的數(shù)量和LED芯片的數(shù)量，減少固晶和打線數(shù)，提高生產(chǎn)效率、成品率和可靠性，必要時(shí)還可打雙線、以進(jìn)一步提高可靠性?！　∪鐖D9和10所示的把發(fā)光條或芯片直接固定在高導(dǎo)熱率管上，還可保持各發(fā)光條和各芯片基本上處于相同的工作溫度，從而可降低因個(gè)別芯片溫升過高而導(dǎo)致整燈失效的幾率，以提高燈的可靠性。

　　圖9和10所示的LED發(fā)光柱的結(jié)構(gòu)還可有多種變換，例如，用不同結(jié)構(gòu)的發(fā)光條；LED芯片可以是有背鍍反射膜的或不透明的芯片；LED芯片可用藍(lán)加紅或橙LED芯片以提高CRI；也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光柱，而無需用發(fā)光粉；也可用倒裝LED芯片；還可用HVLED芯片；發(fā)光粉也可被涂布在燈泡的泡殼內(nèi)壁上等。

　　用上述方法可有效提高單燈的燈功率和輸出光通量。但整燈的最后散熱仍取決于泡殼與周圍空氣的熱交換，LED發(fā)光柱位于泡殼的中央，泡殼與周圍空氣的接觸面積有限，即使用直徑較大的陶瓷管，也難以制成更大輸出光通量的LED通用照明燈。

　　五、 大功率多管燈分析

　　銳迪生用多管燈方案突破了瓶頸，使800～1600lm和更高流明的無金屬散熱器LED照明燈得以實(shí)現(xiàn)。這類多管燈相當(dāng)于把單燈的泡殼劈開，分成幾個(gè)，各燈管之間有讓空氣自由流動(dòng)的間隙，容易形成空氣對(duì)流，使各燈管都可有效散熱，大大增加了燈管與周圍空氣的熱交換散熱能力，從而可提高燈功率和輸出光通量。

　　多管燈的散熱方案可稱為管內(nèi)氣體對(duì)流散熱和各燈管之間空氣對(duì)流散熱的雙重對(duì)流散熱技術(shù)，能制成體積小、輸出光通量更高的無金屬散熱器的LED通用照明燈。目前已經(jīng)研制成了光通量為800～1600 lm的多管陶瓷管LED燈和光通量高達(dá)4000 lm的實(shí)驗(yàn)樣燈。

　　圖11所示為一個(gè)輸出光通量為1600 lm 的4管LED燈的例子。其每一燈管各自真空密封并充有高導(dǎo)熱率、低粘滯系數(shù)的散熱保護(hù)氣體，每個(gè)燈管內(nèi)各有一個(gè)透明陶瓷管LED發(fā)光柱；各LED燈管各自恒流或限流驅(qū)動(dòng)，可避免各燈管因LED電流與溫度正反饋引起的光衰不一致的問題，保證各燈管光衰一致和長(zhǎng)使用壽命。

　　現(xiàn)已制成2管、3管和4管T5的大功率LED燈。其5000K色溫的多管燈的典型參數(shù)為：

　　2管燈：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：40mm，重量：58g；

　　3管燈：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI：82；燈高：110mm，最大直徑：48mm，重量：64g；

　　4管燈：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：52mm，重量：70g；

可見，6.4W 2管燈相當(dāng)于60W白熾燈；12.2W 4管燈相當(dāng)于100W白熾燈。整燈光效都在130lm/W以上，無金屬散熱器，體積小，重量輕。銳迪生的多管燈容