拆解LED灯泡,揭露其内部设计奥秘

来源:本站整理 作者:秩名2013年01月28日 09:49
[导读] 发光二极管(LED)为光源的照明器具凭借功耗低、寿命长的特点逐渐开始在市场上渗透。其中,意欲替代白炽灯泡、灯泡型荧光灯等传统灯泡的灯泡型LED照明(以下,简称LED灯泡)近来更是备受关注。下面我透过拆解LED灯泡让大家了解其制作流程。

  以发光二极管(LED)为光源的照明器具凭借功耗低、寿命长的特点逐渐开始在市场上渗透。其中,意欲替代白炽灯泡、灯泡型荧光灯等传统灯泡的灯泡型LED照明(以下,简称LED灯泡)近来更是备受关注。因为按照LED寿命计算的灯泡的单位时间价格已经与传统灯泡相当,所以,有望在普通家庭中加速普及。

  率先推出低价LED灯泡的厂商是夏普。夏普以实际售价不到4000日元的低价格为卖点进军LED灯泡市场。这一价格的设定非常具有冲击力,约为当时LED灯泡市售价格的一半。东芝照明(Toshiba Lighting)迅速做出反应,于夏普产品发布的11天之后,发布了与夏普的新型低价LED灯泡产品*1、*2。

  图1:低价LED灯泡东芝照明与夏普陆续上市了价格约为以往一半,即零售价不到4000日元的普通灯泡型LED照明(LED灯泡)。为了防止发光效率下降、寿命缩短,LED的散热非常重要。因此,LED灯泡的下半部分为铝合金铸件制造的散热器

  灯泡的下半部为散热部件

  低价格化并不意味着LED灯泡可以抛弃功耗低、寿命长等特有的优点。而且,产品要想立足于市场,还需要具有较高的散热能力。

  LED灯泡发出的光线中红外线成分少。因此,与白炽灯泡、灯泡型荧光灯相比,光线照射部分升温较慢*3。但LED自身会发热,所以散热对策不可缺少。一旦超过LED芯片的容许温度,LED的发光效率就会下降,对灯泡的寿命也会产生不良影响。

  从外部来看,LED灯泡的特征可以说是提高了散热性的结果。从侧面看LED灯泡,整体下侧的一半以上为散热器(图1)。东芝照明、夏普都采用了铝合金铸件制造的散热器。

  比较二者的散热器,除颜色外,形状差异也非常明显。在高度方面虽然夏普产品稍微多些,但散热器沟道面积则是东芝照明的较大。东芝照明产品的沟道深度从下到上逐渐递增,而夏普的则是上下基本等高。

  散热器的表面积越大,散热性能越高。在外形尺寸有限的情况下,加大沟道深度是增加表面积的方法之一,但随着沟道深度的增加,电源电路底板、树脂壳等的内部安装空间会随之减少*4。

  东芝照明的散热器内部空间为圆柱形,夏普产品则为接近外形的圆锥形(图2)。树脂壳在保持绝缘性的同时,把电源电路底板安装在灯泡壳体上。

  图2:LED灯泡的主要结构东芝照明LED灯泡散热器(外壳)的圆筒侧面有16片直角三角形沟道,上覆圆板。上面直接固定LED基片。电源电路底板固定在杯状树脂壳中,从散热器下方插入。另一方面,夏普LED灯泡的散热器呈有锥度的圆筒形状,表面安装有60片高度不到几mm的叶片。LED基片固定在散热器上方覆盖的圆板状金属板上。电源电路底板固定在散热器上方插入的圆锥形(但侧面大部分镂空)树脂壳A中。(点击放大)

  LED芯片是LED灯泡的最大热源,在灯泡中是把复数个LED芯片封装在一起,然后安装在铝合金制成的基片上的。这种铝合金的LED基片被固定在散热器的上部。夏普的产品中,LED基片与散热器之间还夹有金属板。

  本文将结合东芝照明产品及夏普产品的LED灯泡拆解图,详细介绍其内部构造。

  散热器连接构造各不相同

  扩散LED光线的半球状部分被称为“球形灯罩”。东芝照明的球形灯罩为聚碳酸酯制,利用粘合剂固定于散热器上方的4个位置。而普通灯泡的球形灯罩一般为玻璃制造。这是因为LED光线不容易发热,所以能够采用树脂。而且,采用树脂之后,在灯泡掉落时也不易破裂,安全性由此提高。

  球形灯罩下方配置的是LED基片。在东芝照明的产品中,6.9W(白色、总光通量565lm)额定功耗的产品中,LED基片上的LED封装数量为7个(图3)*5。

  图3:东芝照明LED灯泡的上部 LED基片背面与散热器(外壳)上表面接触,直接利用2颗螺丝固定。

  东芝照明的LED基片上安装有连接电源电路线的连接器。连接器是无需焊接的产品,估计是优先考虑了组装的简易性。附带一提的是,东芝照明的LED灯泡是在日本国内工厂组装的。

  LED基片由2颗螺丝固定,拆下基片后可以看到散热器的上表面。这一部分利用机械加工进行了平坦化处理,只需对LED基片进行螺丝固定即可与基片背面充分贴合从而获得导热性能。

  夏普的LED灯泡的球形灯罩为玻璃制造*6。7.5W(日光色、总光通量560lm)额定功耗产品的LED基片上配备了6个LED封装(图4)。电源电路底板之间的布线采用焊接方式连接。

  图4:夏普LED灯泡的上部 LED基片利用3颗螺丝固定在金属板上,二者之间涂有导热油。另外,与电源电路底板的布线进行了焊接。

  LED基片通过3颗螺丝固定在金属板上,二者之间涂布了导热硅脂(Grease)。固定LED基片的不是铝合金铸件制造的散热器,而是另外的金属板。材质虽然为铝合金,但表面看不出机械加工痕迹。用这种金属板固定LED基片,两者的贴合性能有可能不够充分,所以需要使用导热硅脂。

  金属板利用3颗螺丝(不是固定LED基片的螺丝)被固定在散热器上。取下金属板可以看到,散热器内部充满了黑色树脂(图5)*7。估计这些树脂是促进导热的填充材料,但这些树脂与金属板的背面并未接触,所以推测其主要目的是向散热器传导电源电路底板的热量,而不是LED封装发出的热量。

  图5:夏普LED灯泡的内部金属板利用3颗螺丝固定在散热器(外壳)上。散热器内部充满了填充材料,但是与金属板背面不接触,热量只能通过金属板与散热器的接触部分传导。另外,二者之间配置有O环,确保了气密性。(点击放大)

  散热器与金属板的接触部分呈环状,面积并不算大。金属板背面的接触部分有整圈的凸缘,不仅组装时容易定位,而且略微扩大了接触面积。另外,金属板的外沿裸露于灯泡的外部,成为灯泡设计上的点缀。

  配置于金属板与散热器接触部分周边的O形环用途不详。如果是为了保持气密性,那么该环的作用应该是防止液体树脂填充后的材料外漏,防止从外部进水。促进热量从金属板向散热器传导也是可以想象得到的目的之一。

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