市场分析LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比.docx
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市场分析LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比
(市场分析)LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比
LED球泡灯市场分析和各类球泡灯电源方案对比
LED球泡灯全面取代白炽灯的时代即将到来
进入2011年以后,LED逐渐向室内照明进军,这也意味着开始向民用家庭进军。
壹方面这是壹个大喜事,因为民用的市场是非常之大;另壹方面也是壹个极为严重的挑战,因为民用市场要求成本特别低,可靠性特别高。
当下离开完全满足民用市场的要求仍很远,能够说仍有很长的路要走。
最普通的民用灯就是白炽灯,也就是我们普通用的灯泡。
所以如果LED要取代白炽灯泡,就要开发出壹种无论于灯头形状仍是外型上均和白炽灯泡类似的灯泡,这就是我们通常称为LED球泡灯。
能够想象,球泡灯的市场是十分巨大的。
壹.对LED球泡灯的要求
因为要替换白炽灯,所以至少要有以下几方面的要求:
1.亮度要相当白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数。
LED虽然也能够只讲瓦数,可是由于LED的光效仍于不断发展,只说瓦数且不能代表其流明数。
白炽灯最常用的瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。
如果要讲流明数,那么能够用白炽灯的发光效率来计算。
白炽灯的发光效率于7.5-12lm/W。
瓦数越大效率越高。
所之上面列出几种瓦数的白炽灯的相对流明数能够列表如下:
如果采用LED来取代,也能够得出相应的瓦数。
可是因为LED的发光效率于不断攀升,所以很难给出准确的数字。
假定采用目前通常的LED1,其光效为100lm/W,假如采用最高光效的LED2,其光效为130lm/W(暖白的光效会低于此值)。
就能够得出对这俩种光效LED相应的瓦数来。
可是因为LED需要恒流源,而恒流源有壹定的效率,假定为85%,另外因为LED不可能采用透明泡壳,而只能采用乳白泡壳。
其透光率大约为85%。
二者相乘等于0.72。
.考虑之上因素以后就能够得出和白炽灯相当的瓦数来。
由表中可见,LED2于同样亮度时大约能够节省10倍的功率。
有壹点需要特别说明的。
就是从目前LED球泡灯的光效和散热来说,它仍不可能做到10瓦之上,也就是说目前仍只有能够取代60-75W白炽灯的LED球泡灯。
当然PAR灯就另当别论了(后面将讨论)。
2.外形要类似通常白炽灯为梨形的,所以LED球泡灯也应当为梨形的。
这点是很容易做到。
可是白炽灯为全玻璃制品,LED因为要散热就很难采用全玻璃的结构。
下面会详细讨论LED球泡灯的结构。
3.体积大小要相当,因为LED需要恒流源和散热器,所以这是非常难做到的
4.重量要相当,同样因为LED需要恒流源和散热器,所以这也是非常难做到的
5.灯头要相同中国过去大均是采用卡口式,改革开放以后大均改用和美国壹样的螺口式。
就是美国的E26或E27。
这点也仍是很容易做到的
6.电源要相同,均应该是220VAC(或美国的110VAC),这也是没问题的
二.LED球泡灯的结构
LED球泡灯能够分为外部结构和内部结构。
我们先来见壹下它的外部结构。
壹个典型的LED球泡灯的外形如图1所示(这是作者最近于美国硅谷Fry’s电子商店上见到的最大功率的LED球泡灯,价$40):
图1.LED球泡灯的外形
这是壹个5W的LED球泡灯,全长13cm,散热器长5cm,直径4.5cm,泡壳长5.2cm,直径5.5cm,重量114克。
它大约能够取代45W的白炽灯。
其外部结构主要包括3个部分,壹个是灯头,二是散热器,三是泡壳。
而内部结构则主要是2部分,壹是恒流驱动电源,二是LED灯板(包括铝基板和LED)于内(图2)。
图2.球泡灯的构成
下面分别来讨论这几个部分的构成。
三.球泡灯的电源
因为球泡灯均是用市电供电,所以电源也必须是市电交流输入的,英文称为Off-Line,有把中文译成离线式是很不恰当的,因为英文原意是FromLine的意思,应该译成于线,但又会和网络的于线相混,所以不如就直接称为市电式电源。
球泡灯的市电式电源基本指标如下:
1.电源基本类型:
主要分隔离式和非隔离式俩种,那是指负载端是否和火线220V隔离。
壹般说,非隔离因为不需要隔离变压器,所以成本低,但要求铝基板耐压高,否则散热器就有可能带电。
所以比较不容易通过安规检验。
隔离式就比较安全,比较容易通过安规,但成本高。
2.电源输出功率:
因为球泡灯的体积大小必须和玻壳的白炽灯相当,所以散热器大小有限,目前仍不能超过9W。
3.电源效率:
壹般隔离式于80-85%左右,非隔离式于90%左右
4.电源功率因数(PF):
不加PF校正于0.5-0.6,加PF校正于0.9-0.99左右
5.体积大小:
由于球泡灯留给电源的空间很小,所以体积的限制很严。
下面来介绍几种典型的球泡灯电源。
3.1非隔离式电源
下面是壹个采用美国安森美NCP1014的非隔离式电源原理图(图3)
图3.非隔离式电源原理图
这个电源的基本指标如下:
图4.NCP1014LEDGT外形图
其实这个电源的核心就是壹个恒流二极管NSI45025,以确保LED恒流于25mA。
所以它只能用于小功率贴片式的LED。
其中外加的集成电路NCP1014实际上是壹个有源式的功率因数校正(PFC),能够把它的功率因数提高到>0.9以满足美国能源之星的要求。
输入端的L1,C1,C2是壹个防电磁干扰EMI的滤波器。
它的缺点是非隔离,所以220V会直接加到负载LED上。
其实假如不要求功率因数的话,那么采用恒流二极管(CRD)的电源方案能够做得很简单(图5)。
图5.最简单的采用恒流二极管的球泡灯电源
这种电源的功率因数大约于0.5-0.6之间。
因为电路简单,所以体积能够做得很小,而且成本很低。
3.2隔离式电源
为了提高安全性,最好采用隔离式电源,这样就多了壹个隔离变压器,增加了体积、成本,降低了效率。
图6是壹个采用iWatt公司iW3610的反激式隔离电源电路图。
其实这个芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分类似。
图6.采用iW3610的隔离式电源的电路图
其主要技术指标如下表所示:
这个电路仍能够自动检测墙上有无可控硅调光器,如果有的话就能够调光,其调光范围能够从2%调到100%。
而且最后采用了PWM调光,调光频率高达900Hz,因此避免了闪烁。
另外由于采用了准谐振控制使其总效率高达85%。
它仍有壹个特点是采用变压器初级反馈从而取消了光耦合器件。
它的外形图如图7所示。
其外形是专门为球泡灯而设计。
图7.iW3610的演示板
四.球泡灯的散热器
球泡灯的LED通常焊接于壹块铝基板(LED底板)上,这块铝基板再和壹片圆形铝散热板固定,然后再把这块铝散热板固定到散热器外壳上去(见图8)。
图8.LED底板如何固定到散热器上去
图中的铝散热板上能够见出有精加工的痕迹。
经过精加工以后LED底板就能够直接固定上去,否则的话,二者之间会有气隙,需要涂覆硅导热胶以改善导热。
球泡灯由于体积的限制所以散热是壹个大问题。
无论是哪种散热器均是只能依靠对流和辐射俩种方法来把热量散发到空气中去,而这俩种散热的能力均是和它的散热的面积成正比。
而球泡灯的散热面积能够如下计算。
假定其散热器能够近似为壹个截去尖顶的圆锥体。
假定大圆锥体的高度为H,直径为D,而截去的小圆锥体的高度为h,直径为d。
图9截顶的圆锥体
圆锥体的侧面积为πHD/2,所以截去壹个尖顶以后的侧面积是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。
假定H=8cm,h=3cm,D=5cm,d=3cm,那么这个截顶以后的侧面积就是48.7cm2,可近似为50平方厘米。
而因为大多数散热器均开了沟槽,以增加其散热面积,开沟槽以后所增加的散热面积为沟槽深度g乘长度l再乘2,再乘以沟槽数。
假定沟槽平均深度为0.3cm,长度为5cm,沟槽数为46个,那么开沟槽以后增加的面积为0.3x5x2x46=138.cm2。
总计散热面积为188cm2。
根据经验数据,每瓦所需要的散热面积大约于35-60cm2。
具体要多大取决于环境温度和允许的升温。
因为球泡灯大部分是用于室内,环境温度不是很高,所以能够采用35cm2/W。
所以188cm2的散热面积能够散大约5.3W左右。
不过这只是极为粗略的估计,能够得到壹个数量级的概念而已。
真正的散热情况仍是要实际测定才能够。
日本的技术于线拆解了几种LED球泡灯。
且实测了其泡壳温度,结果如下表所示:
因为室温是相同的,
表10几种球泡灯的外壳温度
表中的球泡灯功率从7.5W到4W。
温升最低的是4W球泡灯,其外壳温度为38度。
温升最高的为东芝照明的7.2W球泡灯,其表面温度高达61度。
这是因为东芝的球泡灯散热器没有开槽沟的缘故。
所以不开槽沟的散热器,虽然表面光滑,外形好见,但其散热效果会差很多。
而表面温度越高,于同样的系统热阻和功耗情况下,LED芯片的结温也越高,LED的寿命就越短。
由于球泡灯散热器面积的限制,所以很难散热超过7-9W。
根据目前的LED光效,它的流明数也就相当于60W白炽灯。
随着以后LED光效的逐年提高,相信会出现同样大小而能取代100W的白炽灯。
散热器的材料目前大多数采用铝合金,因为成本低廉,加工容易,而且导热性好。
可是最近出现了很多绝缘的塑料散热器和陶瓷散热器,其散热效果也不差。
因为最后的散热主要靠对流和辐射。
而对流完全由其形状和面积决定。
辐射则和材料的辐射性有关。
各种材料的热辐射系数如下表所示:
由表中可见,氧化处理是改进金属材料的辐射散热的重要途径。
而导热塑料则不需要任何氧化处理就能够达到极高的辐射系数。
因此只要其外形和金属散热器壹样,那么其对流和辐射的效果是和金属散热器的效果是相同的。
可是其热传导性能肯定不如金属,所以整体散热效果会差壹些。
可是如果把它做得尽可能薄,再加上壹层金属的内壁,就能够把这个热传导低的不利因素降至最低。
当下已经有导热系数大于20w/mk的塑料,可是其单价比较高。
陶瓷散热器的情况和塑料散热器情况壹样。
只是其导热系数能够做得更高,当然成本也要高很多。
图10是上海龙茂微电子公司的6W塑料外壳球泡灯。
它的散热器温度为67度。
图10壹个6W的塑料散热器LED球泡灯
塑料和陶瓷的最大优点是绝缘,所以即使采用非隔离电源也容易通过安规检验。
此外,为了改善泡壳里恒流驱动电源的散热,通常均要加入导热密封胶,以取代导热差的空气。
仍有壹种方法是于散热器上打孔,以便空气的流通。
可是就会有防水的问题。
五.球泡灯的泡壳
所谓泡壳就是指前面透明的玻壳。
于白炽灯中,全部均是由玻璃做成的外壳,可是于球泡灯中,虽然也能够用玻璃做前面的外壳,实际上也是有这样做的。
可是因为LED球泡灯重量很重,要比白炽灯重5倍之上,如果用玻璃做的话,掉于地上,摔破的可能性就大多了。
因此更多的LED球泡灯采用塑料做泡壳,以防摔坏。
而且LED球泡灯因为热量均从散热器散出去了,所以通过泡壳的光大均是可见光,很少有发热的红外线,所以采用塑料来做泡壳也不会由于过热而损坏。
可是塑料外壳的最大问题是透光率的问题。
因为LED存于眩光的问题,所以尽可能采用乳白色的泡壳,以免见到里面的LED灯珠。
而乳白色的泡壳。
其透光率就更成问题了。
所以对于用于LED球泡灯泡壳的塑料有以下要求:
1.具有高透光、高扩散、无眩光、无光影;
2.光源隐蔽性要好(尽可能见不到LED灯珠);
3.透光率达到90%之上;
4.具有高阻燃性;
5.具有高抗冲击强度;
当下国内有壹种称为智光LED光学灯罩的据说能够实现所有之上要求(图11)。
图11各种LED塑料泡壳
假如真的能够实现94%的透光率,而且仍能防眩光,无光影,那么真的是十分理想的了。
其外观图如图12所示。
图12智光LED光学灯罩的外观图
六.几种品牌LED球泡灯
下面列出了几种市面上批量生产的品牌LED球泡灯的实测结果
能够注意到壹个60W的玻壳白炽灯重量只有28g。
要比这些LED球泡灯轻5倍左右。
另外表中的发光效率不是LED本身的发光效率,而是指整个球泡灯的发光效率,其中包括了电源的效率和光罩的透光率。
所以,要能达到100lm/W的整体光效仍有壹段路程要走。
.LEDPAR灯
PAR灯实际上是飞利浦公司的壹种大功率卤素灯的规格,飞利浦把它称为“氯铵灯”。
可是这个名字且没有得到推广。
壹般称为“筒灯”或者“射灯”。
而射灯主要是指那种具有MR16插座的灯,所以我们暂时仍称它为PAR灯或筒灯。
因为要和这种PAR灯兼容,所以大功率LEDPAR灯就也采用和PAR灯相同的尺寸。
只是结构不同,瓦数不同,亮度不同。
飞利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图如图13所示。
而相兼容的LED的PAR灯,其外形尺寸和他们完全相同(图14)。
图13.飞利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图
图14和PAR20、PAR30、PAR38相对应的LED筒灯
采用LED以后,由于没有统壹的规格,所以具有各种不同的性能指标,当下选择其中比较典型者和原来飞利浦卤素灯的指标比较如下表所示。
其中光强指标二者所用的单位不同,飞利浦采用cd(烛光),而通常LED则采用lm(流明)。
二者的关系如下:
φ(流明)=4πI(烛光)。
可是因为二者的发射立体角不同,所以无法换算。
只能大致说,卤素灯的发光效率大约为17-33lm/W。
而LED的发光效率于100-130lm/W。
约比卤素灯高4-6倍。
PAR灯和球泡灯的结构基本相同,只是体积大壹些,瓦数大壹些。
因此要求的电源功率也要大壹些。
今年2月美国凌特公司宣布了壹个用于LED恒流驱动的IC(LT3799),它能够驱动4-100W的LED,而且本身带PFC,外置功率MOSFET开关管,反激隔离式而不需要光耦合器,外置元件减到最少,而且仍能够用于可控硅调光。
图15可用于高功率LEDPAR灯的反激式隔离型恒流电源
这个电路图是壹个给24瓦PAR灯用的演示板的电路图。
其主要技术指标如下:
它的演示版的布置图如图16所示。
具体应用时当然也能够设计成圆形。
图16.LT3799的演示版
这个市电恒流源因为功率大,而且能够适应4-100W的宽功率范围,所以壹定是采用外置MOS开关管,而且也因为功率大,所以要求采用功率因数校正(PFC)。
对于不同的功率,除了要选择不同的MOS管外,仍要求选择不同大小的变压器。
变压器加大了整个恒流源的体积和重量,降低了效率。
可是这是为隔离市电所必需的。
八.LED球泡灯的市场前景
据有关方面估计,LED将以每年30%之上的成长率增长直至2014年。
LED球泡灯如果要全部取代白炽灯的话,其全球市场规模达到6400亿美元,而到2010年12月为止,LED球泡灯销售量为2000万颗。
其市场渗透率只有3.2%,预计到2013年能够达到12.5%。
也就是相当于800亿美元的销售额。
而其单价将以每年15-20%的速度递降。
壹个能够取代60W白炽灯的LED球泡灯,于2008年卖90美元,到2010年就只卖40美元。
而中国更是生产和使用白炽灯的大国,2009年生产的白炽灯37.9亿只,约为全球产量的三分之壹,本国每年消费14亿只。
可是中国仍没有规定何时禁止白炽灯的生产的日期,而只是准备通过征收消费税来加快淘汰白炽灯。
然而,目前也只是准备用节能灯来取代白炽灯,而不是用LED球泡灯来取代。
所以虽然中国也生产了不少LED球泡灯,可是主要为出口。
本国销售的只占极少数。
其根本的问题仍是价钱太贵。
不过随着LED发光效率的提高,生产成本的降低,LED球泡灯壹定会有壹天能够全部取代白炽灯。
假定取代全中国的白炽灯需要10年的时间,我们能够来粗略地估计壹下这十年里于中国LED球泡灯的取代过程。
*由于人民币汇率不好预测,所以以美元计
当下LED的最高发光效率大约为140lm/W,预计到2020年,LED的光效将要提升到240lm/W。
这就能够降低电源功耗,减小散热器体积和重量。
从而降低整个LED球泡灯的成本。
那时候,LED球泡灯全面取代白炽灯的时代就会到来!
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