結(jié)構(gòu)材料對LED日光燈及LED球泡燈光熱性能的影響?Date：2016-10-29???? 人氣：4104
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?？梢姡坠釲ED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。
光源的顯色性取決于它的光譜功率分布，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。
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。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.
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。
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。
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。
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?jǐn)U散而向上漫射，其光線比較柔和。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(biāo)和縱坐標(biāo)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(yuǎn)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(biāo)和色參數(shù)數(shù)據(jù)?？梢?，無論是平均顏色坐標(biāo)還是中心顏色坐標(biāo)，三類LED日光燈的發(fā)光顏色區(qū)域都在標(biāo)準(zhǔn)白光E附近。進一步，對兩個維度(Cangle、Gammaangle)色度測量分析每種LED日光燈在各個角度的色度性能。
圖9～圖11為LED日光燈的三維色差分布圖。可見，每一種LED日光燈的色品指數(shù)都有兩條曲線，其中一條為Cangle等于0°的曲線，代表軸向色度性能，另一條為Cangle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(biāo)波動最小，穩(wěn)定性最好。對于LED日光燈的徑向顏色性能，即Cangel為90°時燈具上各個點的顏色坐標(biāo)。
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(biāo)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。
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。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。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。
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。
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。
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。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。
2.2芯片排布對色坐標(biāo)的影響
色坐標(biāo)和色度量如表9、表10所示。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(biāo)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(biāo)，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(xì)小的波動，v'坐標(biāo)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(biāo)穩(wěn)定度要比模塊一和模塊二稍差，尤其是v'坐標(biāo)，108°～180°處的穩(wěn)定度非常不好。模塊一的顏色坐標(biāo)穩(wěn)定性最好，模塊二次之。
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。
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。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。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。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.
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(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)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。
總的來說，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(biāo)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(biāo)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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