空間結構對LED燈絲燈光學性能的影響

黎豐橋，陳 仁，黃家旋，黃付果，鄧婷婷，劉智權，陀子望

(1.佛山科學技術學院 物理與光電工程學院，廣東 佛山 528200；2.佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528200)

引言

發光二極管(LED)作為新一代的發光光源，將其應用于照明領域，能夠較大程度降低照明功耗。一種采用LED光源、外觀效果和發光效果類似白熾燈的新型LED燈絲燈進入燈具市場，得到懷舊人們的喜愛。經過技術的革新與發展，LED燈絲燈在光電性能、電磁兼容和可靠性等基本成熟，已逐漸成為替代75 W以下功率白熾燈的照明解決方案。但是，采用直立對稱排列結構的LED燈絲燈空間光分布不均勻，較難通過能源之星認證[1，2]。

因此，本文以廣泛使用的A19燈絲燈為研究對象，參考能源之星認證對球泡燈的光電性能指標要求，使用光學設計軟件進行模擬仿真，采用試錯法，設計并制作實驗樣品，測試和分析光的空間分布，探索照明效果較優的燈絲空間結構。

1 LED燈絲燈結構和設計標準

1.1 LED燈絲燈空間結構

與普通的白熾燈相比較，LED燈絲燈的外形結構和燈頭規格完全相同，但發光光源、光源空間結構排布和驅動方式完全不同。LED燈絲主要由發光芯片、散熱基板和熒光粉三部分組成。LED燈絲的發展根據基體材料的變化經歷了三代，基體材料從藍寶石、石英玻璃到透明陶瓷。

LED燈絲燈在玻璃芯柱上將支架做成多種不同的空間結構，主要有垂直型、錐型和螺旋型結構?？墒褂贸Ｒ師艚z點焊排布的方式，也可使用柔性燈條結合支架的方式，實現不同的外觀效果和照明效果[3-7]。由于燈絲燈由多條燈絲進行空間排列，光的空間分布受燈絲燈的在空間的排列位置和排列角度影響，不合理的排列容易引起光的空間分布不均勻，導致照度分布不均勻，產生典型的“燈下黑”現象等問題，影響燈絲燈的實際推廣應用。

LED燈絲燈通常采用玻璃作為泡殼，根據對玻璃外殼表面處理方法的不同進行分類，可劃分為透明玻璃泡、噴金泡、蒸鋁泡、磨砂泡和乳白泡等，其中磨砂泡和乳白泡能夠較好改善空間光照明均勻性效果。磨砂泡可以在一定程度上提升泡殼霧化度，改善空間光均勻性。但是當燈絲燈點亮后，由于LED燈條自身亮度高，可以看到條狀的發光器件，出現局部明暗不均的發光效果。乳白泡具有較高的霧化效果，霧化效果高的乳白泡可大大改善LED燈絲燈的空間光的均勻度，是燈絲燈較為理想的泡殼選型。但霧化效果高帶來的缺點就是透光率低，良好照明效果是以降低燈絲燈發光效率為代價的，燈絲燈的空間光均勻性和發光效率通常是互相矛盾的[8-10]。

1.2 能源之星認證標準

LED燈絲燈是一種球泡燈光源，產品出口美國等國家，光學性能等指標需要符合能源之星(Energy Star)認證的要求。能源之星是美國能源部和美國環保署共同推行的一項政府計劃，旨在更好地保護生存環境，節約能源[11]。1992年由美國環保署發起，最早在電腦產品上推廣，現在納入此認證范圍的產品已達30多類，如家用電器、制熱或制冷設備、電子產品和照明產品等。目前在中國市場參與能源之星認證的照明產品，主要包括：LED光源、節能燈、燈具、交通信號燈和出口指示燈等。本文所研究的A19燈絲燈，即為國內常規的A60燈泡，定位為全向燈，這類燈具可根據能源之星認證要求進行設計。認證對于全向燈光的空間分布要求如圖1所示，以燈具的平面來劃分角度，在燈具的0～130°范圍內80%的光強值與該區域光強平均值差異小于35%且全部小于60%，同時在130～180°分布5%的光通量。

圖1 能源之星認證標準光的空間分布要求Fig.1 Requirements of lighting distribution by Energy Star Certification

2 燈絲結構設計

2.1 燈絲結構設計

通過燈絲燈的產品市場調研，結合產品開發的經驗，借鑒相關的文獻報道，采用試錯法，研究光空間分布均勻、且發光效率高的燈絲燈[12-14]。根據A19燈絲燈的標準尺寸，制作燈絲燈的玻璃芯柱及玻璃泡殼二維圖紙，采用Solidworks結構設計軟件繪制三維圖，經過旋轉操作得到簡易三維模型，效果如圖2所示。本文設計了常規燈絲排布、圓錐型和交叉空間排布三種方式，并分析燈絲發光面傾斜角度對燈絲燈配光曲線的影響。在Tracepro光學設計軟件中根據三維模型建立等效的發光模型，設置光源發光面及光線參數，追跡光線，分析得到其光強坎德拉曲線圖和光斑，導出IES文件，并在DIALux照明設計軟件中建立空間，導入對應IES文件，設置光源參數觀察模擬照明光斑效果。

圖2 常規燈絲結構模型模擬與照明光斑Fig.2 Simulation of traditional filament structure and lighting spot

常規直立對稱排列燈絲結構模擬模型、配光曲線及照明光斑，如圖2所示?？梢?，在0～30°范圍內其光通量分布較少，光通量主要分布在40°～130°，整體光強分布不均勻，通過照明模擬，出現燈下中心照度偏低，暗斑明顯，出現典型的“燈下黑”的現象。

調整燈絲的傾斜角，將每根燈絲繞中心軸傾斜15°角度，芯片發光面朝上，形成圓錐狀結構，燈絲結構模擬模型、配光曲線及照明光斑如圖3所示。中心光強值有明顯提高，光通量空間分布更為均勻。通過照明模擬，整體照度均勻度有顯著提高，可見“燈下黑”的情況有明顯改善。

圖3 圓錐型燈絲結構模擬模型與照明光斑Fig.3 Simulation of conic filament structure and lighting spot

繼續優化燈絲的結構，以空間交叉排列方式設計新型結構模型，將每根燈絲繞中心軸和水平軸分別傾斜15°，燈絲結構模擬模型、配光曲線及照明光斑如圖4所示，可見光通量和光強值空間分布比較均勻，照明效果得到較大提高。

圖4 交叉型燈絲結構模擬模型與照明光斑Fig.4 Simulation of cross-type filament structure and lighting spot

光學設計仿真分析采用圓錐型和空間交叉燈絲結構，燈絲燈的光強和光通量空間分布更均勻，中心光強值有明顯提高，營造的照明效果較常規型燈絲結構表現更加優秀。

2.2 燈絲結構優化

燈絲在空間的傾斜角度影響光在空間分布的均勻性，因此，可通過改變傾斜角度，優化光在空間分布。分別采用10°、15°和20°傾斜角度，分析圓錐型燈絲和交叉型燈絲結構配光曲線，如圖5所示。可見，隨著傾斜角度的增加，中心光強值逐漸增強，根據照度值與距離的平方成反比、與中心軸線夾角余弦值的三次方成正比的原理，為營造比較均勻的照明效果，應設計均勻的中心光強值，不能太高，也不能太低，避免產生“燈下過亮”或“燈下黑”現象。另外，從實際制作工藝方面出發，考慮成品合格率及美觀等因素，燈絲傾角不應太大。因此，選擇傾斜角度為15°的設計方案，制作實驗樣品，進行實驗測試和配光曲線分析。

3 實驗與分析

3.1 樣品制作

1)材料準備。本次樣品根據光學設計的模型，制作了常規燈絲結構、圓錐型燈絲結構和交叉型燈絲結構，搭配透明泡殼及涂粉泡殼，共六種樣品，每個樣品制作三個，總計18個樣品。球泡配套材料：7 V-22 mA-5 000 K-Ra80的單根燈絲、A60透明泡殼和涂粉泡殼、線性恒流方案電源，以及E26套管鋁燈頭。

2)制作工藝。通過點焊燈絲得到芯柱樣品，再經過封泡排氣工序，得到了初步的毛泡，使用電源裝配經過初步復光，確認功率無異常并正常發光后，再安裝燈頭，得到測試樣品，制作工藝如圖6所示。

3.2 測試與分析

完成樣品制作后首先進行基本的電參數測試，因所用燈絲及電源都相同，故只在三組透明泡殼樣品中各抽取一個樣品進行測試，測試結果如表1所示。在常壓120 V檔位輸入電壓情況下，其輸入功率標稱值為7.5 W，實測為7.3 W，輸出電流為44 mA左右。

圖7所示為樣品點亮時的實物圖，進行光通量測試得到每個樣品的光通量接近900 lm，均滿足本次該規格樣品對輸出光通量850 lm的要求，因此涂粉泡殼對光通量的損失影響較小。

3.2.1 不同燈絲結構分析

將制作的六組樣品采用空間分光光度計測試光分布，以環帶光通法分割單位立體角的光通量，不同燈絲結構的測試結果如圖8～圖10所示，圓錐型結構的燈絲光分布與模擬時結果差異較大，其原因是由于在實際點焊工藝中，無法使燈絲傾角與所模擬的情況完全一致，導致光分布并不如預期，但比較常規型結構，其光分布情況依然是有所改善。

將測試所得的光通量環帶表格數據以5°角度導出，在認證表格中鑒定得到在0°～130°范圍內的單位立體角光通量數值大于平均光通量數值35%的所占比例(認證要求小于20%)，在表2中以①表示，及與平均光通量差異最大的差異值(認證要求小于60%)，在表2中以②表示。由表2所示，常規燈絲結構透明泡殼燈泡滿足②的要求，但不滿足認證①的要求，圓錐型燈絲結構和交叉型燈絲結構均滿足認證①和②的要求，對應球泡光的空間分布比較均勻，但交叉型燈絲結構的均勻性指標優于圓錐型燈絲結構的。

圖5 圓錐型燈絲和交叉型燈絲結構配光曲線Fig.5 Lighting distribution of conic and cross-typefilament structure

圖6 樣品制作工藝圖Fig.6 Process technique of samples

表1 樣品電參數測試結果

圖7 各組樣品點亮實物圖Fig.7 Light-up bulbs of different samples

圖8 常規型燈絲結構配光曲線測試Fig.8 Lighting distribution of traditional filament structure

圖9 圓錐型燈絲結構配光曲線測試Fig.9 Lighting distribution of conic filament structure

圖10 交叉型燈絲結構配光曲線測試Fig.10 Lighting distribution of cross-type filament structure

表2 透明泡殼各組樣品能源之星認證鑒定結果

3.2.2 涂粉泡殼類型測試分析

使用涂粉的乳白泡殼所制作的樣品進行測試實驗得到的光配光曲線結果如圖8～圖10所示，其認證鑒定結果如表3所示?？梢姡ㄟ^使用涂粉的乳白泡殼，三種燈絲結構均滿足認證①和②的要求，而且均勻度數據明顯提高。因此，涂粉后燈絲燈光的空間分布更加均勻，照明舒適性更高，具有較好的防眩光效果，同時涂粉泡殼交叉型空間結構的燈絲燈具有更均勻的光空間分布。

表3 涂粉泡殼各組樣品認證鑒定結果

3.2.3 優化前后照明光斑分析

將實驗中測試得到的IES文件導入DIALux照明設計軟件進行仿真模擬。圖11為燈絲燈優化前后照明光斑效果圖。為能清晰觀察光斑，設置燈具安裝高度0.5 m，燈正下方1 m×1 m計算工作面，計算得到照度均勻度等結果如表4所示?？梢?，交叉型燈絲結構透明泡殼平均照度和照度均勻度都比較高，平均照度比普通結構透明泡殼高20%左右，具有較均勻的光空間分布,并且光斑得到明顯改善。泡殼改用涂粉時，平均照度下降，接近常規型和圓錐型透明泡殼值，但光源發出的光更為柔和均勻，得到的光斑效果最優。

表4 照度結果對比

圖11 燈絲燈優化前后照明光斑效果圖Fig.11 Lighting spots of filament lamps before and after optimization

4 結論

本文以廣泛使用的A19燈絲燈為對象，研究了燈絲結構和泡殼類型對燈絲燈光空間分布的影響。本文采用光學設計軟件，設計獲得了符合能源之星認證光學性能指標要求的圓錐型和交叉型優化結構，并制作實驗樣品，進行配光曲線測試與分析。研究發現，涂粉泡殼交叉型空間結構的燈絲燈具有較均勻和高效的光空間分布，光通量和照度的分布更均勻，可為照明應用帶來舒適和節能的照明效果。期望本研究的技術解決方案能為燈絲燈企業的研發與生產提供參考。