【專家思路】藍光“LED白熾燈“的設(shè)計思考

　　白熾燈（incandescent lamp）自發(fā)明至今全世界使用了100多年。白熾燈是將交流市電直接加在鎢絲電阻上，使其發(fā)熱而發(fā)光，從而照亮黑暗，使全世界數(shù)億人口在夜晚有了電燈帶來的光明與快樂生活，以及勞作的方便。

　　白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。自1879年，美國的托馬斯·愛迪生制成了碳化纖維（即碳絲）白熾燈以來，經(jīng)人們對燈絲材料、燈絲結(jié)構(gòu)、充填氣體的不斷改進，白熾燈的發(fā)光效率也相應(yīng)提高。但白熾燈的發(fā)光效率及其他光點參數(shù)比節(jié)能燈、鹵鎢燈等新光源差，正逐步被新光源取代。2012年10月1日起，中國將禁止進口和銷售100瓦以上普通照明白熾燈。

　　圖1 百年白熾燈

　　如何將LED燈設(shè)計制造得如同白熾燈一樣應(yīng)用方便？是擺在千百位LED照明燈具設(shè)計師面前的重大課題。

　　藍光"LED白熾燈"也許可以。

　　藍光"LED白熾燈"的設(shè)想

　　2011年春夏，在設(shè)計"藍光LED光引擎" 時已經(jīng)聯(lián)想到設(shè)計藍光"LED白熾燈"的方案。　　鑒于傳統(tǒng)的白光LED是直接在藍光LED上涂覆黃磷熒光粉的，由于白光LED點亮后熱量很高，黃磷熒光粉在長期高溫熏烤下容易變性，導(dǎo)致用久之后顯色指數(shù)變差。在LED燈具內(nèi)，如將黃磷熒光粉不直接涂覆在白光LED上，而是將黃磷染色在PVC燈罩上，在燈具內(nèi)與藍光LED保持一定的距離，兩者疊加使用，同樣可求得LED燈具的白光或暖白光效果。由于黃磷濾色燈罩遠離LED熱源，因此，不會因LED光源的長期高溫?zé)径匣冃?，CRI（演色性）基本不變；黃磷濾色燈罩的配方可調(diào)，燈光的顏色、色溫可隨客戶的需要調(diào)制，可滿足客制化的要求，生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品。

　　藍光"LED白熾燈"沿用白熾燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了方便傳承百年來白熾燈的使用習(xí)慣，創(chuàng)新其內(nèi)涵是賦予LED節(jié)能、無公害、長壽命的新技術(shù)。以藍光HV LEDs為光源，加上黃磷濾色燈罩。市電經(jīng)AC/DC整流和恒流驅(qū)動電源變換，輸出恒流直流電點亮藍光LED光源，藍光經(jīng)黃磷濾色燈罩的過濾二次發(fā)光，使"LED白熾燈"發(fā)出冷白光或暖白光。工作原理如圖2所示。

　　圖2 "新LED白熾燈"的工作原理

　　藍光"LED白熾燈"由于采用黃磷染色或噴涂黃磷的PVC燈罩，因此在未點亮?xí)r燈泡呈黃磷的黃色，當(dāng)其上電點亮后發(fā)出冷白或暖白的白光。未點亮的藍光"LED白熾燈"如圖3所示。黃磷染色或噴涂黃磷的PVC燈罩是關(guān)鍵技術(shù)。

　　圖3 未點亮的藍光"LED白熾燈"

　　LED光源的選擇

　　藍光"LED白熾燈"的LED光源選擇首選藍光HV LEDs，這樣可以用高壓直流電直接點亮，可以簡化電源和降低電源成本、減少電源占用的空間?！　VLEDs是在芯片生產(chǎn)時在硅片上直接做成的片上系統(tǒng)（SOC）或稱之為模組，這是LED芯片制造技術(shù)上的一個革命性的進步。一個2吋硅晶圓片上，一次可生產(chǎn)幾千個LED管芯，但是用通用的技術(shù)和工藝來生產(chǎn)，各個LED參數(shù)的離散性很大，所以生產(chǎn)之后制造商需要逐個測參數(shù)分檔，客戶只能拿相鄰的三檔放在一單位（燈）里用，才能保證顯示光色的一致性。HV LEDs在生產(chǎn)時使用新一代的工藝和高超加工技術(shù)，使同一硅晶圓片上的幾千個LED管芯的參數(shù)完全一致，使之可以在芯片生產(chǎn)時很方便地就近組成SOC的HV LEDs，如VF50V的模組上有16個LED，它們所有的電參數(shù)完全一樣（圖4）。這樣的藍光HV LEDs使用方便，成本可控。另有一種COB的藍光HV LED，就是用前述的通用技術(shù)生產(chǎn)的、參數(shù)離散型較大的藍光LV LED管芯，經(jīng)測試數(shù)據(jù)后將相同參數(shù)的配置在一起，重新組合成一個光源體。由于需要對LED管芯逐個測試、配對、篩選、組合，還有不少參數(shù)分散的無法配對組合使用，應(yīng)當(dāng)說生產(chǎn)成本會偏高。HV LEDs的工作電流20-60mA，與低壓LED需要300-700mA電流相比，工作時發(fā)熱相對要小一些。

　　圖4 藍光HVLEDs模組

　　Energy Star要求LED球泡燈出光角度必須大于270度，因此LED光源的立體發(fā)光設(shè)計，是擴大燈泡發(fā)光角度的唯一解決方案。在球泡燈燈頭上設(shè)計一銅質(zhì)通心立桿，在其周圍和頂端安置LED燈珠或模塊，這樣可以設(shè)計盡可能大的角度的光輸出，實現(xiàn)類似白熾燈的發(fā)光。銅質(zhì)通心立桿可以幫助LED燈珠的散熱，由于銅質(zhì)通心立桿的面積有限，藍光"LED白熾燈"如求較大的發(fā)光角度，目前只能適用于3W的小功率球泡燈，它相當(dāng)于25W的白熾燈。如犧牲球泡燈接近燈頭的發(fā)光區(qū)域，用來安裝鋁質(zhì)