结构材料对LED日光灯及LED球泡灯光热性能的影响

范夏雷,金尚忠,陈建锋,朱伯明

(1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.慈溪中发灯饰有限公司，浙江 宁波 315336；3.宁波燎原灯具股份有限公司，浙江 宁波 315408)

引言

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[1]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。

图1 不同色温下的LED光效和显色指数[1]Fig.1 Luminous efficiency and color renderinglndex of LED in different color temperature

灯具NVC3000KNVC4000KNVC6000K发光效率109.08lm/W102.67lm/W101.79lm/W显色指数73.573.975.3

光源的显色性取决于它的光谱功率分布[2]，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。

图2 LED日光灯结构Fig.2 Construction of LED fluorescent lamps

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[3]。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，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。

图3 半塑半铝LED日光灯结构Fig.3 Construction of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum

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。

图4 全塑料LED日光灯结构Fig.4 Construction of LED fluorescent lamps with all-plastic

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。

图5 全玻璃LED日光灯结构Fig.5 Construction of LED fluorescent lamps with all-glass

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。

表2 三类日光灯光度量参数比较Table 2 Comparation of optical measurement parameters of 3 types of LED fluorescent lamps

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[4]。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(C angle、Gamma angle)色度测量分析每种LED日光灯在各个角度的色度性能。(实验仪器：GO-R5000全空间快速分布光度计)

图6 三类日光灯配光曲线Fig.6 Distribution curve flux of 3 types of LED fluorescent lamps

图7 三类日光灯等光强曲线Fig.7 Isocandela curve of 3 types of LED fluorescent lamps

灯具平均颜色中心颜色xyu'v'xyu'v'半塑半铝0.31960.33920.19880.47470.31770.33570.19880.4726全塑料0.31930.33510.20010.47250.31370.32920.19840.4686全玻璃0.31300.33430.19610.47110.31220.33480.19530.4713

表4 三类日光灯色度量参数Table 4 Color measurement parameters of 3 types of LED fluorescent lamps

图9 半塑半铝LED日光灯三维色差图Fig.9 3 D color chart of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum

图10 全塑料LED日光灯三维色差图Fig.10 3 D color chart of LED fluorescent lamps with all-plastic

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C angle等于0°的曲线，代表轴向色度性能，另一条为C angle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C angel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。

图11 全玻璃LED日光灯三维色差图Fig.11 3 D color chart of LED fluorescent lamps with all-glass

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[5]。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。

图12 LED日光灯温度测试现场Fig.12 Test site of the temperature of LED fluorescent lamps

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。

表5 半塑半铝LED日光灯温度数据Table 5 Temperature data of LED fluorescent lamps with half-plastic and half-aluminum 单位：℃

表6 全塑料LED日光灯温度数据Table 6 Temperature data of LED fluorescent lamps with all-plastic 单位：℃

表7 全玻璃LED日光灯温度数据Table 7 Temperature data of LED fluorescent lamps with all-glass 单位：℃

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，将芯片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。

图15 三类日光灯的温升曲线Fig.15 Temperature rise curve of 3 types of LED fluorescent lamps

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。

图16 LED球泡灯结构[6]Fig.16 Construction of LED bulbs

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[6]。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。

图17 三类球泡灯芯片排布Fig.17 Chip configuration of 3 types of LED bulbs

灯具总光通量/lm显色指数峰值光强/(cd/m2)平均光束角发光效率/(lm/W)模块一243.4184.432.07206.6°89.36模块二182.3374.826.59295.5°63.64模块三171.3674.029.79181.0°50.72

图18 三类球泡灯的配光曲线Fig.18 Distribution curve flux of 3 types of LED bulbs

图19 三类球泡灯的光强曲线Fig.19 Isocandela curve of 3 types of LED bulbs

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。

表9 三类球泡灯色坐标Table 9 Color coordinate of 3 types of LED bulbs

表10 三类球泡灯色度量参数Table 10 Color measurement parameters of 3 types of LED bulbs

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。

图20 模块一(飞利浦)三维色差图Fig.20 3 D color chart of mode one

图21 模块二(本邦)三维色差图Fig.21 3 D color chart of mode two

图22 模块三(凯萨罗灯)三维色差图Fig.22 3 D color chart of mode three

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。

图23 LED球泡灯温度测试现场Fig.23 Test site of the temperature of LED bulbs

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[7]。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[7]。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[8]。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。

表11 铝材球泡灯温度数据Table 11 Temperature data of LED bulbs with aluminum

表12 导热塑料气泡灯温度数据Table 12 Temperature data of LED bulbs with thermal conductive plastics

表13 陶瓷球泡灯温度数据Table 13 Temperature data of LED bulbs with ceramic

图24 三类球泡灯温升图Fig.24 Temperature rise curve of 3 types of LED bulbs

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。

[1] 宋国华，缪建文，纪宪明，等.发光二极管色容差的研究[J].激光与光电子学进展，2010,47:062301-2.

[2] 曹宇杰，金尚忠，岑松原.高显色指数LED灯的设计[J].光学学报，2011,31(12)：1222002-1-1222002-7.

[3] 陈国辉.LED日光灯管的设计[J].机电工程技术，2010,39(05):49-50.

[4] 徐波.住宅室内设计中的照明设计研究[D].湖南.中南林业科技大学.2010.

[5] LED玻璃荧光灯.中国.实用新型专利.ZL201320010502.3[P].2013-07-10.

[6] 曹宇杰.高显色指数高光效LED球泡灯的研究[D].杭州：中国计量学院，2012.

[7] 汤坤，卓宁泽，施丰华，等.不同材质的LED球泡灯散热器散热能力的研究[J].行业资讯，2013,32(11)：74-75.

[8] 饶连江.陶瓷材料在发光二极管照明中的应用研究[J].光源与照明，2011(1):26.