LED照明具有光效更高、寿数更长；不含有害物质汞;运用寿数与灯的开关次数简直无关、可发起“随手关灯”；能够瞬间起亮等杰出长处，被以为终将代替白炽灯和节能灯，成为节能照明的干流。实践上，只要在LED灯的性价比全面超越白炽灯、特别是超越现在广泛运用的节能灯后才干成为通用照明灯的干流。
而LED照明的课题看起来十分明确，即在确保光质量的条件下光效需求大幅进步，例如比节能灯高一倍以上;价格需求大幅下降，最好挨近节能灯;使其性价比显着优于节能灯。
现在的LED通用照明灯大多由功率型LED加金属散热器和恒流驱动电路构成。粗笨的金属散热器不只添加了灯的本钱和分量，一起要耗费许多铝资源，有悖环保。一个LED灯就像一个金属球，不利于安全，特别是大功率LED灯。因而，现在不少顾客购买时仍是挑选节能灯。
本文将结合笔者地点公司的研发作业介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高功率、无金属散热器的LED通用照明灯(能够直接替换白炽灯和适当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技能。
该LED通用照明灯的整灯发光功率比荧光节能灯高一倍以上;显色指数可高达96;可制作光通量为几十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯，L70寿数可达30000小时。可直接替换10～100W和更大功率的白炽灯和适当光通量的荧光节能灯。
一、LED芯片4π出光、进步PN结光提取率和实践光效
白光LED发光进程的能效η为：
η =ηI ×ηO × ηC ×K
其间，ηI ：内量子功率；ηO：外量子功率；ηC：光子下转化丢失；K：发光粉吸收。
有人剖析，在抱负情况下[1]，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因而，最高抱负的能效η=39.5%。这儿的外量子功率ηO 指的是光子在出射进程中被芯片、窗口资料，荧光粉及透镜等沿途吸收或在不同折射率介质界面反射回芯片内部再被吸收等的成果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功当量为320 lm/W核算，则最高光效为320×0.395=126 lm/W。这显着是被轻视了。但由此咱们能够看到进步LED光效的一个重要并有巨大潜力的因数是进步光提取率。
LED的光来自LED芯片的PN结，其发光本来是4π立体角全方位均匀出射的自然光，但现在简直一切的LED元件都是≤2π出光的。
LED的运用从初期的指示灯到数码显现和现在的五颜六色大屏幕显现、液晶显现的背照明等，在这些运用中，需求把本来是4π出射的光用反射碗和透镜等集合向前方、即转变为≤2π出射的光，包含直插式、草帽式、外表贴(SMD)和COB等；这样的改换关于这些运用是需求的，也是正确的。
不过，这样的改换让芯片本来向后发射的光集合向前方，将显着下降PN结发射的光的提取率，即下降了LED的实践有用光效，这关于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。假如让LED芯片4π出光，将可显着进步LED PN结发生的光子的提取率、即进步LED的实践光效。
图1是现在许多运用的SMD式LED的光出射示意图。LED芯片被装置在光反射碗的底部，反射碗内有光出射面为平面或曲面的通明介质(图1中为平面的比如)。 芯片PN结向上发射的2π立体角光(以蓝色表明)的一部分可直接从光出射窗出射，另一部分光经通明介质外表全反射后经反射碗反射或直接经反射碗反射后出射。其间，直接出射光约为2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，这儿咱们设通明介质的折射率为1.5，经反射碗反射后出射的光占75%，设反射碗反射率为0.75，若不计反射碗屡次反射和通明介质的吸收丢失，则总光提取率为(25+75×0.75)%=81%。
LED芯片向下发射的2π光(以赤色表明)，要通过芯片背镀反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、屡次反射、屡次碗底和壁的吸收，估量出射率约为60%(取决于反射碗壁和底、电极外表、电极之间介质面、固晶胶等的反射率)。
因而，LED芯片光的总提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即约30%的光被LED元件吸收而变为热能。
图2是LED芯片4π出光的示意图。其间LED芯片为芯片基板是通明的芯片，至少一串彼此串联或串并联的芯片被用通明胶固定在一个LED发光元件的通明基板上，芯片上覆有通明介质层或发光粉胶层。
若芯片基板为蓝宝石，蓝宝石上的外延层和PN结为GaN，P电极为ITO，LED元件通明基板为玻璃，通明介质为硅胶，它们的折射率别离为1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由图2可见，脱离LED芯片PN结向上和向下发射的各半球2π的光都能够顺畅出射，蓝宝石基板内部根本上没有屡次反射吸收，若不计介质吸收，LED芯片的光简直可100%出射。
即4π出光的LED元件的实践发光功率要比SMD式LED高约(100-71)/71=41%。咱们的试验成果根本与此相符。
可见，让LED芯片4π出光可进步LED元件的实践发光功率约40%，一起削减LED的发热量。考虑到现有LED元件的不同结构，4π出光应可比≤2π出光的光效高30%以上。
其实这个概念简直一切LED作业者早就知道，但没有能有用，其关键是没有能处理LED芯片的散热问题。
二、气体散热剖析
要让LED芯片4π出光，芯片四周有必要是高透光率并且可散热的通明介质。人们很简略首要想到的是用液体散热，因为通明介质中、液体的导热率一般都比气体要高得多。例如水的导热率为0.5 W/(m·K)，是空气导热率0.025的20倍。
十多年来一向有人在研讨用液体散热来到达LED芯片4π出光，但液体散热仍有一些难以克服的困难，例如，液体的粘滞系数比气体大许多，水的粘粘滞系数为8937μP，是空气的10倍，是氦的77倍，高粘滞系数导致LED芯片周围很简略因为芯片发热使液体相变气化，而发生的气体因为液体的高粘滞系数而难于跑掉，芯片简略被停止的气体围住，而任何停止的气体都是良绝热体，因而简略使芯片过热而焚毁。此外，还有液体简略电解、腐蚀芯片和发光资料、泡壳破碎后的污染等问题，至今还没有很好的有用产品。
气体与液体比较，尽管导热率低，但粘滞系数比液体小的多，简略构成气体对流，有用地把LED作业时发生的热带走散发掉，然后取得杰出的散热作用。
初期，人们把LED芯片装置在条状或平板型通明基板上，在空气中作业，运用空气散热。但因为空气的导热率低、粘滞系数高，难以有用散热。若LED芯片装置在一个平板上，则热量会集更不利于散热，因而难以制成光效高，又能满意输出光通量的LED灯。例如，Ushio的LED灯丝灯，输出光通量仅36 lm，光效仅60 lm/W[2]。又如松下的LED芯片装置在一通明平板上的空气散热的LED灯泡，输出光通量为210 lm，光效为47 lm/W[3]。这些LED芯片4π出光的LED灯泡的光效反而低于用现有≤2π出光的LED元件制成的LED灯，现有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡灯的功率为40～90 lm/W，其原因在于没有处理LED芯片的有用散热问题，致使LED芯片的PN结温升高、光效低，输出光通量小。
笔者地点的公司有用地处理了4π出光芯片的散热问题[4]，其计划是：把至少一串相同或不同发光色的LED芯片用通明胶涣散固定装置在一个通明基板条上，芯片和通明基板条四周有至少一层通明胶层或发光粉层;通明基板二端有电引出线，制成LED发光条(或称LED灯丝);所述LED发光条被装置在一个真空密封的透光泡壳内，泡壳内充有高导热率、低粘滞系数的传热并维护LED的气体;LED的电极经真空密封泡壳的芯柱的引出线引出，经LED驱动器与一电衔接器衔接，电衔接器用于衔接外电源，制成一个外形与白炽灯类似、高光效、无金属散热器的LED灯丝灯，可直接替换白炽灯和节能灯。
现已制成了整灯火效高达170 lm/W的A19型LED灯泡;其输出光通量可达760 lm;显色指数(CRI)可达96。最近该公司试验室已制成色温5000K、CRI为71，光效高达193 lm/W的A19灯。其光效比节能灯高一倍以上。然后使LED 4π出光、无金属散热器的LED灯泡进入了实践运用年代。图3是锐迪生4条LED发光条串联的LED灯丝灯示意图。
高导热率低粘滞系数的气体优选氦或氦氢混合气。氦的导热率为0.14 W/(m·K)，是空气的6倍，粘滞系数仅194μP[5]，是空气的1/8;氢的导热系数为0.15，粘滞系数为87.6，且本钱低，但运用欠安全;为下降本钱，可用氦氢混合气。高导热率低粘滞系数气体简略构成有用的对流散热，能够把LED芯片作业时发生的热很快带走，传递给灯泡的泡壳，再经泡壳到周围空气散发掉。
其次，选用导热率较高的发光条通明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、蓝宝石、通明陶瓷、AlN等。一起要选用导热率高、透光率高的固晶胶和发光粉胶，并尽或许减小它们的厚度，还要尽量添加通明基板和发光粉胶与散热气体的触摸面积，以下降LED的PN结到散热气体的热阻。所述至少一层发光粉层可被涂覆在通明基板和LED芯片四周，例如涂覆在发光条有LED芯片和无芯片二面，或仅在有芯片一面，也能够先在通明基板上涂覆一层发光粉层，LED芯片被固定在该发光粉层上、芯片电衔接后再涂覆一层发光粉层。
此外，还能够把发光粉涂覆在灯泡泡壳的内壁上，发光条的LED芯片上仅有一层通明胶，发光粉远离芯片，有利于减小光衰，添加灯的运用寿数。
咱们能够用蓝加红或橙LED芯片以进步CRI，还能够用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光条，而无需用发光粉。所述芯片也能够是芯片基板背镀反射膜的或不通明的芯片，所制成的LED发光条仍为4π出光，但其光效将比芯片基板是通明的要低。所述芯片还能够用倒装LED芯片，倒装在印有电衔接线的通明基板上制成发光条，还可用一个芯片上有多个PN结的高压LED芯片(HVLED)制作发光条，以削减芯片之间的电衔接线，进步成品率和出产功率。
这类LED灯丝灯的光效要比现有用≤2π出光的LED元件制成的球泡灯高30%以上，并且无金属散热器，可节约许多铝，更环保，分量轻，现在现已开端被商场承受，批量出产。
但是，也有人忧虑它的运用寿数难以到达30000小时或以上，难以制成输出光通量高于800 lm的大功率LED灯。下文会对此别离叙说。
三、寿数剖析
LED灯寿数首要取决于LED PN结的作业温度和发光粉的光衰。
图4所示为现在常用的GaN LED的不同PN结温的光通量衰减图[6、7]，图中标有不同结温时的L70寿数。由图可见，若结温<85℃，L70寿数可达30000小时以上。LED PN结的温度不简略丈量，用主波峰的位移、结电压改动、红外成像仪、发光功率的改动等能够估量PN结的结温。
图5所示为相对光通量和结温的联系[7]，由图5可见，在安稳LED输入功率的条件下，安稳光通量比冷态光通量下降10%时的结温为75～85℃。安稳功率条件下光通量的改动，即相对光效的改动。因而咱们能够丈量灯的初始光效和热安稳后相同输入功率的安稳光效之比来估量LED灯安稳作业时PN结的结温，若此安稳光效和初始光效之比≥0.9，由图4和5可见、灯的寿数估量可达30000小时以上。当然，一起还要计及发光粉的光衰和其它因数;最终还需求以实践丈量来确认。
也就是说，LED灯丝灯的规划，应该满意安稳光效和初始光效之比≥0.9的条件，LED灯丝灯才或许有30000小时以上的运用寿数。
咱们的寿数试验的试验成果如图6所示，该试验成果是14个安稳光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED灯丝灯寿数测验的平均值(Lr)。图中虚线为动力之星35000小时寿数的光衰曲线，其间1000小时被界说为初始值(100%)。由图6可见，所述LED灯丝灯的L70寿数有或许到达30000小时以上。
现在咱们再来看一看灯泡中充高导热率低粘滞系数气体的重要性。图7所示为同一个3.9W的LED灯丝灯，在充有室温下近一个大气压的氦气和折断排气管放入空气后，在相同输入功率条件下，光效随时刻的改动。图中上面一条曲线为充有氦的测验成果，下面一条曲线为相同测验条件下，放入空气后的测验成果。由图可见，在充有氦气时，安稳光效与初始光效之比>0.9，对照图4和5、其PN结的结温<85℃，估计寿数可大于30000小时。
但是一旦放入空气，不只其安稳光效下降了19%，其安稳光效与初始光效之比下降到<0.75，对照图5，其PN结的结温>150℃! 显着现已难以正常作业了。这儿能够显着看到充高导热率、低粘滞系数气体的重要性，也说明晰充空气的LED灯丝灯发光功率低、光通量小的原因。
此外，假定LED灯泡寿数长达30000小时，若以每天作业3小时计，长达20多年的作业期间坚持泡壳内气体的纯度，泡壳有必要真空密封，用现有的有机或无机胶密封都不或许长时刻坚持其气体的纯度。真空密封还能够彻底阻隔周围环境对LED元件的影响，LED能够在彻底没有周围空气中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影响下作业，更有或许运用寿数长达20年以上。
四、陶瓷管LED灯剖析
此前，有人预言、LED灯丝灯只能制作500 lm以下的小功率灯。这样的预言不是没有道理，因为由LED灯丝(发光条)拼装而成的灯丝灯，因为遭到LED灯丝与散热气体触摸面积小、散热面积小、热阻大的约束，单灯的输出光通量的确难以做到>800 lm。
而半导体照明的方针是要代替10～150W通用的白炽灯和与它适当光通量的荧光节能灯。实践上也只要这样，半导体照明才干成为通用照明的干流。参照美国动力之星，40W、60W、75W、100W、150W白炽灯的初始输出光通量别离为450、800、1100、1600和2600 lm。
怎么制成光通量为800～2600 lm的大功率无金属散热器LED照明灯?其关键在于：在坚持LED 4π出光、高功率、低发热的基础上，进一步进步LED的散热面积，减小LED PN结到灯周围散热空气的热阻和进一步进步泡壳的散热才能。
锐迪生处理这个问题的技能计划是[8]：把LED发光条或LED芯片直接紧贴在一个高导热率的通明管的外壁上，所述通明管，例如为通明陶瓷管、石英管、蓝宝石管等，通明陶瓷管具有高达23 W/(m·K)的导热率、高达95%以上的总透光率，其导热率挨近芯片基板蓝宝石，它的内、外外表都与散热气体触摸和散热，大大添加了LED的散热面积、下降了LED芯片PN结到散热气体的热阻。
图8所示为用上述通明陶瓷管LED发光柱制成的A19 LED灯泡的示意图。如图所示，LED发光条被固定在一个通明陶瓷管的外外表上，泡壳芯柱上的玻璃柱上端有一绷簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端与芯柱的引出线衔接并固定，芯柱引出线与灯的驱动器输出衔接，驱动器的输入与灯头衔接，灯头用于衔接外电源，接通外电源即可点亮LED灯。
图9和10为两种不同结构的LED发光柱的截面示意图。图9为LED发光条粘贴在通明陶瓷管外外表的LED发光柱的示意图。图10为LED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED发光柱的示意图。
如图9所示，至少一条LED发光条被用通明胶固定在通明陶瓷管外外表上，图中是有4条发光条的比如。通明陶瓷管上有供装置发光条的平面，各发光条彼此串联或串并联。
图10为LED芯片直接固定在通明陶瓷管上的比如。LED芯片被用通明胶固定在预先涂覆有发光粉层的陶瓷管平面上，也可用混合有发光粉的固晶胶固定在通明陶瓷管的平面上。
图10所示为LED芯片固定在陶瓷管外外表上的榜首发光粉层上的比如，LED芯片上掩盖有第二发光粉层。LED芯片经一薄发光粉层被直接固定在高导热率陶瓷管上，其间没有通明基板，仅有一薄层粉胶，芯片的蓝宝石基板根本上直接与陶瓷管触摸，热阻很小，进一步下降了LED的PN结与散热气体之间的热阻，即可下降PN结的作业温度，可进步LED芯片的作业电流和功率，进步输出光通量。一起，还能够用较大功率的中功率LED芯片，以削减LED发光条的数量和LED芯片的数量，削减固晶和打线数，进步出产功率、成品率和可靠性，必要时还可打双线、以进一步进步可靠性。
如图9和10所示的把发光条或芯片直接固定在高导热率管上，还可坚持各发光条和各芯片根本上处于相同的作业温度，然后可下降因单个芯片温升过高而导致整灯失效的几率，以进步灯的可靠性。
图9和10所示的LED发光柱的结构还可有多种改换，例如，用不同结构的发光条;LED芯片能够是有背镀反射膜的或不通明的芯片;LED芯片可用蓝加红或橙LED芯片以进步CRI;也能够用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光柱，而无需用发光粉;也可用倒装LED芯片;还可用HVLED芯片;发光粉也可被涂布在灯泡的泡壳内壁上等。
用上述办法可有用进步单灯的灯功率和输出光通量。但整灯的最终散热仍取决于泡壳与周围空气的热交换，LED发光柱坐落泡壳的中心，泡壳与周围空气的触摸面积有限，即运用直径较大的陶瓷管，也难以制成更大输出光通量的LED通用照明灯。
五、 大功率多管灯剖析
锐迪生用多管灯计划突破了瓶颈[9]，使800～1600lm和更高流明的无金属散热器LED照明灯得以完成。这类多管灯适当于把单灯的泡壳劈开，分红几个，各灯管之间有让空气自在活动的空隙，简略构成空气对流，使各灯管都可有用散热，大大添加了灯管与周围空气的热交换散热才能，然后可进步灯功率和输出光通量。
多管灯的散热计划可称为管内气体对流散热和各灯管之间空气对流散热的两层对流散热技能，能制成体积小、输出光通量更高的无金属散热器的LED通用照明灯。现在现已研发成了光通量为800～1600 lm的多管陶瓷管LED灯和光通量高达4000 lm的试验样灯。
图11所示为一个输出光通量为1600 lm 的4管LED灯的比如。其每一灯管各自真空密封并充有高导热率、低粘滞系数的散热维护气体，每个灯管内各有一个通明陶瓷管LED发光柱;各LED灯管各自恒流或限流驱动，可防止各灯管因LED电流与温度正反馈引起的光衰不一致的问题，确保各灯管光衰一致和长运用寿数。
现已制成2管、3管和4管T5的大功率LED灯。其5000K色温的多管灯的典型参数为：
2管灯：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI:81;灯高:110mm，最大直径:40mm，分量:58g;
3管灯：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI:82;灯高:110mm，最大直径:48mm，分量:64g;
4管灯：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI:81;灯高:110mm，最大直径:52mm，分量:70g;
可见，6.4W 2管灯适当于60W白炽灯;12.2W 4管灯适当于100W白炽灯。整灯火效都在130lm/W以上，无金属散热器，体积小，分量轻。锐迪生的多管灯简略用改动灯管数量、灯管和陶瓷管尺度的方法来制成不同功率的大功率LED照明灯。
六、总结
LED芯片4π出光的光效比现有≤2π出光的LED高30%以上，用高导热率低粘滞系数气体散热，可制成高功率的小功率LED灯丝灯;用高导热率的通明管LED发光柱可进一步进步散热才能，制成更大输出光通量的LED陶瓷管灯;用两层气体对流散热技能的多管LED可制成800-1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯。其整灯火效比节能灯高一倍以上、无金属散热器、本钱低、分量轻、寿数长、可代替10-100W和更高功率白炽灯和适当光通量的节能灯。是新一代LED通用照明灯。因为其光效高、结构简略、本钱低，将有助于促进半导体照明代替白炽灯和节能灯、成为通用照明的干流的年代的降临。
