【专家思路】蓝光“LED白炽灯“的设计思考

　　白炽灯（incandescent lamp）自发明至今全世界使用了100多年。白炽灯是将交流市电直接加在钨丝电阻上，使其发热而发光，从而照亮黑暗，使全世界数亿人口在夜晚有了电灯带来的光明与快乐生活，以及劳作的方便。

　　白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的托马斯·爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。但白炽灯的发光效率及其他光点参数比节能灯、卤钨灯等新光源差，正逐步被新光源取代。2012年10月1日起，中国将禁止进口和销售100瓦以上普通照明白炽灯。

　　图1 百年白炽灯

　　如何将LED灯设计制造得如同白炽灯一样应用方便？是摆在千百位LED照明灯具设计师面前的重大课题。

　　蓝光"LED白炽灯"也许可以。

　　蓝光"LED白炽灯"的设想

　　2011年春夏，在设计"蓝光LED光引擎" 时已经联想到设计蓝光"LED白炽灯"的方案。　　鉴于传统的白光LED是直接在蓝光LED上涂覆黄磷荧光粉的，由于白光LED点亮后热量很高，黄磷荧光粉在长期高温熏烤下容易变性，导致用久之后显色指数变差。在LED灯具内，如将黄磷荧光粉不直接涂覆在白光LED上，而是将黄磷染色在PVC灯罩上，在灯具内与蓝光LED保持一定的距离，两者叠加使用，同样可求得LED灯具的白光或暖白光效果。由于黄磷滤色灯罩远离LED热源，因此，不会因LED光源的长期高温烧烤而老化变性，CRI（演色性）基本不变；黄磷滤色灯罩的配方可调，灯光的颜色、色温可随客户的需要调制，可满足客制化的要求，生产差异化的产品。

　　蓝光"LED白炽灯"沿用白炽灯的结构设计是为了方便传承百年来白炽灯的使用习惯，创新其内涵是赋予LED节能、无公害、长寿命的新技术。以蓝光HV LEDs为光源，加上黄磷滤色灯罩。市电经AC/DC整流和恒流驱动电源变换，输出恒流直流电点亮蓝光LED光源，蓝光经黄磷滤色灯罩的过滤二次发光，使"LED白炽灯"发出冷白光或暖白光。工作原理如图2所示。

　　图2 "新LED白炽灯"的工作原理

　　蓝光"LED白炽灯"由于采用黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩，因此在未点亮时灯泡呈黄磷的黄色，当其上电点亮后发出冷白或暖白的白光。未点亮的蓝光"LED白炽灯"如图3所示。黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩是关键技术。

　　图3 未点亮的蓝光"LED白炽灯"

　　LED光源的选择

　　蓝光"LED白炽灯"的LED光源选择首选蓝光HV LEDs，这样可以用高压直流电直接点亮，可以简化电源和降低电源成本、减少电源占用的空间。　　HVLEDs是在芯片生产时在硅片上直接做成的片上系统（SOC）或称之为模组，这是LED芯片制造技术上的一个革命性的进步。一个2吋硅晶圆片上，一次可生产几千个LED管芯，但是用通用的技术和工艺来生产，各个LED参数的离散性很大，所以生产之后制造商需要逐个测参数分档，客户只能拿相邻的三档放在一单位（灯）里用，才能保证显示光色的一致性。HV LEDs在生产时使用新一代的工艺和高超加工技术，使同一硅晶圆片上的几千个LED管芯的参数完全一致，使之可以在芯片生产时很方便地就近组成SOC的HV LEDs，如VF50V的模组上有16个LED，它们所有的电参数完全一样（图4）。这样的蓝光HV LEDs使用方便，成本可控。另有一种COB的蓝光HV LED，就是用前述的通用技术生产的、参数离散型较大的蓝光LV LED管芯，经测试数据后将相同参数的配置在一起，重新组合成一个光源体。由于需要对LED管芯逐个测试、配对、筛选、组合，还有不少参数分散的无法配对组合使用，应当说生产成本会偏高。HV LEDs的工作电流20-60mA，与低压LED需要300-700mA电流相比，工作时发热相对要小一些。

　　图4 蓝光HVLEDs模组

　　Energy Star要求LED球泡灯出光角度必须大于270度，因此LED光源的立体发光设计，是扩大灯泡发光角度的唯一解决方案。在球泡灯灯头上设计一铜质通心立杆，在其周围和顶端安置LED灯珠或模块，这样可以设计尽可能大的角度的光输出，实现类似白炽灯的发光。铜质通心立杆可以帮助LED灯珠的散热，由于铜质通心立杆的面积有限，蓝光"LED白炽灯"如求较大的发光角度，目前只能适用于3W的小功率球泡灯，它相当于25W的白炽灯。如牺牲球泡灯接近灯头的发光区域，用来安装铝质