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半导体

简析LED射灯

LED技术的快速发展,光效的不断提升,LED射灯技术也在快速发展。目前的LED射灯几乎是以替代传统卤钨灯为主。相比传统灯具,LED射灯在节能及长寿命方面具有显著优势。随着LED射灯成本的降低,LED射灯的应用也逐步开始普及。本文将从LED射灯的技术要求,常见LED射灯的规格及类型, LED射灯结构,LED射灯选购常识,以及LED射灯发展方向这几个方面做简单介绍和思考。


一、LED射灯技术要求


现阶段的LED射灯,主要以替代传统卤钨灯为主,相关的安全要求大多参考传统照明要求,并根据LED灯的特点,形成了一套安全认证标准。目前,在LED射灯的认证方面,国际上主要以欧洲CE和北美UL认证为主,在中国可进行自愿性认证(CQC)。


在CE认证里包含LVD和EMC两个方面,其中LVD是按照EN60968标准执行(将升级 IEC 62560);EMC按照EN55015、EN61547、EN61000-3-2和EN61000-3-3标准执行。此外,LED灯通常还需要额外参照IEC 62471,进行光生物安全方面测试。在北美,通常需要进行UL安全和FCC电磁兼容认证。UL执行标准为UL1993、UL8750和UL1310;FCC执行标准为FCC PART15 Subpart B。在中国,对于LED射灯是采用自愿性认证(CQC),执行标准为GB24906-2010(安全)和GB 17743-2007(电磁兼容)。


另外,在LED射灯的性能方面,也有诸多标准规定。美国有能源之星(ENERGY STAR)有相关要求;中国有节能认证要求,执行标准为CQC 3129-2010。这些要求中,均对LED射灯的色温、显色指数、初始光通量、光效、光通维持率、寿命、中心光强、标称功率、功率因数、产品标识等进行了规定。


许多电子产品的寿命是以坏掉来评判,但LED是一种寿命很长的光源,可使用很久都不会坏。但光通量的输出却会随着时间而衰减,因此行业内通常用光衰至70%%所需的时间来定义LED光源的寿命,即L70。随着技术的进步,LED的光衰越来越缓慢,要完整测试其光衰至70%%的时间也难以做到。由于电子产品的寿命呈指数规律,因此LED通常做较短时间的老化,通过采样光衰数据,然后以指数函数来推算其光衰至70%%的时间,推算公式如下:


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通常对LED老化6000小时测试光通维持率LM(Lumen Maintains),按照指数规律,若6000小时后LM >91.8%%,便可宣称25,000小时的寿命,若LM>94.1%%可宣称35,000小时的寿命,但寿命推算的时间不超过测试时间的6倍。


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图1.光衰指数曲线


LED射灯的角度,一般以50%%峰值光强的光束角来定义。如图2是一个LED射灯的极坐标光强分布曲线,可以看出,50%%光强对应的角度分别为±20°左右,因此这个射灯的角度为40°。


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图2.LED射灯极坐标光强分布曲线


二、常见LED射灯的规格及类型


现阶段的LED射灯主要以替代传统卤钨灯为主,因此外形尺寸是参照IEC 60630标准,灯头参照IEC 60061-1标准。根据传统射灯情况,目前的LED射灯主要有MR16、PAR16、PAR20、PAR30、PAR38这几种。其中MR16通常采用GU5.3灯头;PAR16主要采用GU10、E26(美洲)/E27(欧洲及中国)、E14灯头;PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27灯头。


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图3. 各种灯头(从左至右依次为E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3)


三、常见LED射灯的结构简析


目前的LED射灯均为自镇流式,即LED驱动电源全部内置在灯体内部,直接接电即可使用。


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图4.LED射灯(PAR16-GU10)拆解图


如上图的射灯拆解图可以看到,目前的LED射灯主要光学器件(透镜、反光杯)、LED光源、散热器、驱动电源、灯头这几部分组成。但各厂家的LED射灯,由于采用的材料、工艺、LED封装方式不同,使得射灯在设计和加工上会有一些差别。


1.LED光源及光学器件


目前的LED射灯主要采用多颗大功率LED及集成封装LED制作,如图5和图6所示。


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图5.多颗大功率LED


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图6.集成封装LED射灯


采用多颗大功率LED的方式,通常需要一个电路板将LED做电气连接。该电路板大多使用铝基板制作(MCPCB);对于一些设计也有采用玻纤板(FR-4)制作,但需要专门设计散热焊盘。然后用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。多颗大功率LED制作的射灯,透镜通常是采用对每颗LED进行独立配光的,再组合成一个光斑透镜。


采用集成封装LED制作的射灯,不需要电路板,可以直接将驱动电源输出线连接到LED灯上。同样是采用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。该种射灯的二次光学,通常采用一个透镜或反光杯的方式进行配光,透镜和反光杯的高度都较高,小角度的配光有难度。


此外,对于大出光面得射灯,大多采用多个光学器件组合的方式完成整个灯具的二次配光设计,如图7所示。


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图7.多个光学器件组合的射灯


2.LED驱动电源


目前的LED射灯大多为内置电源的自镇流式射灯。内置LED驱动主要采用开关电源实现,分隔离式和非隔离式。隔离电源的初级和次级形成了电气隔离,在射灯设计时,只需要将电源初级与外壳或其它人体可接触部分做好充分的防触电即可,而次级通常为安全电压,可做简单防护即可。这类电源相对安全可靠,但要求放置空间大,其转换效率也较低。非隔离电源由于初次级之间未做电气隔离,需在结构上做更严格的防护隔离,但该类电源效率高,体积小。除开关电源外,还有多种其它LED驱动方式,但其安全性和可靠性都较低,需要在结构设计上多做努力,以满足相关安全要求。此外,由于电源内置,通常元器件温度都很高,将直接影响到LED射灯的使用寿命和稳定性。因此很多厂家都采用灌胶的方式,改善电源的散热能力,并提高电源与散热外壳的绝缘性,如果8所示。


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图8.电源灌胶射灯


由于LED的可控制性,因此各厂家都有开发可调光的的LED射灯。现有的主要调光方式有可控硅调光、PWM调光、0-10V调光、DALI调光、DMX51调光、电力载波调光等,都是通过控制LED的驱动电流或电压的方式,改变LED的亮度。


3.灯壳散热器


灯壳散热器是考量各厂商设计能力的主要地方。大多数厂家的散热器都是采用铝材质,加工工艺有机加工及模具成型等方式。在结构设计上,各厂家为了加大射灯的散热能力,通常采用翅片的方式,如图9所示。


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图9.带翅片的LED射灯散热器


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图10.镶件注塑散热器


另外,灯壳部分也有用导热塑胶或陶瓷材料制作的,均采用模具成型的方式。这两种材料具有良好的绝缘性能,可使产品具有高的电气安全性能,便于内部LED驱动的安全隔离。但这两种材料的导热系数较低,不利于热传导,对于对热传导要求不高的室内产品可以使用。此外塑胶材料还有重量轻的特点,可以使LED射灯的重量得到大幅度的减轻。


四、LED射灯的选购常识


射灯根据出光面大小可分为PAR16、PAR20、PAR30、PAR38这几种,常用灯头有GU10、E27、E14等,这类射灯都是采用市电85~265VAC供电。此外还有一种MR16射灯,灯头为GU5.3,是采用12VAC供电,其前端还有一个电子变压器或工频变压器将市电22OVAC转换为12VAC。


射灯的角度一般在65°以下,主要用于局部照明、重点照明等场合。各厂家的角度大多集中在12°、24°、36°这几种范围。


根据《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》,室内照明光源相关色温可分为三组,小于3300K为暖色,适用于客房、卧室、病房、酒吧、餐厅;3300K~5300K为中间色,适用于办公室、教室、阅览室、诊室、检验室、机加工车间、仪表装配;大于5300K为冷色,适用于热加工车间、高照度场所[1]。目前国际国内相关标准基本是引用《ANSI C78.377》,将色温分为2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K、6500K这几个档次,各色温允许的色容差范围如表一。


表一.LED色温色容差范围


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因此LED射灯通常也按此进行色温分类。但LED射灯主要应用于室内照明,色温主要集中在2700K、3000K、4000K和5700K这几个档次。


在《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》中规定,长期工作或停留的房间或场所,照明光源的显色指数(Ra)不宜小于80。在灯具安装高度大于6m的工业建筑场所,Ra可低于80,但必须能够辨别安全色[1]。


在LED射灯选购时,需详细阅读厂家提供的说明书或包装说明,确定产品的供电电压以及产品相关参数,包括光通量、色温、功率、显色指数、角度等。在室内照明中,进行 LED射灯选购时,首先要确定是采用市电直接供电,还是采用变压器转换后供电,以此来选择是购买MR16还是其它射灯;其次要确定射灯的灯头和出光尺寸;然后还需确认你所需射灯的角度范围;最后可根据上述《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》要求,根据使用场合确认色温、显色指数以便达到想要的照明效果。如果对灯具参数不是很懂的情况下,可以查看包装上的等效标示,看等效于多少功率的传统灯具,从而进行选择。


由于现有各厂家的LED射灯良莠不齐,很多厂家为了解决散热和电源放置空间的问题,不是完全参照IEC 60630设计射灯外形,而射灯在有些时候是作为一些灯具的光源使用,因此需要明确该LED射灯是否可以装入该灯具内。如果不能装入,还需要再购买与之相匹配的灯具外壳,进行整体式替换。对于MR16射灯,由于其前端有一个电子变压器或工频变压器,购买MR16时还需要确认是否可以与该变压器兼容。如果不兼容就会出现灯闪或不亮的情况。对于可控硅调光的射灯,还需要考虑灯具与调光器的兼容性问题,否则会出现调光时灯闪烁或不能调光的现象。


五、LED射灯发展方向及其规格接口标准化思考


目前的LED射灯都是以替代传统卤钨灯射灯为主,受其外形、灯头和安装要求的限制,使得LED射灯的设计面临许多的困难。在现有射灯标准的尺寸范围内,很难将一个LED射灯做到高功率和高光通量,同时配光、散热、电气安全等方面也面临诸多困难,不能体现LED的长寿命、高光效等特点,不利于LED照明的健康发展。


LED本是一种新型光源,LED射灯是最早能体现LED特点的应用产品之一。应根据LED特点,制定一套新型的LED射灯规格接口标准。对LED射灯的外形尺寸、模组分块、参数分档、标准接口等进行规定,实现LED的模块化和互换性,从而推进LED照明的健康发展。


目前,国际上的ZHAGA联盟,其吸引了来自美国、亚洲和欧洲数百家灯具、光源、LED模组等制造商及行业相关企业,已经在开展LED灯具的规格接口标准制定。其致力于加强LED模组及其控件在机械、测试、参数等方面的兼容性。相关技术规范已经有出版,部分已修订多次。在中国,由国家半导体照明工程研发及产业联盟牵头组织了九洲光电等多家企业,也在积极开展相关工作。


六、小结


随着LED技术的不断成熟、成本的不断降低,LED射灯已初步获得普及,将大量应用到各种场合,但LED射灯的发展和普及还面临着许多的问题。如何开发高性价比的LED射灯;如何解决高功率、高光通量LED射灯的散热问题;如何实现LED射灯的模块化和互换性;如何充分体现LED的长寿命、高光效、可控性特点,让老百姓可以享受到丰富多彩的照明下,获得更实惠、更安全可靠的LED产品,还需要各厂家及业界人士共同努力。


参考文献:


[1] GB 50034-2004《 建筑照明设计标准》


[2] IEC 60630《Maximum lamp outlines for incandescent lamps》


[3] IEC 60061-1《Lamp caps and holders together with gauges for the control of interchangeability and safety –Part 1:Lamp caps》


[4] 《Energy Star Program Requirements for Integral LED Lamps Eligibility


Criteria V1.4》


[5] CQC3129-2010《反射型自镇流LED灯节能技术规范》


[6] GB 24906_2010《普通照明用50V以上自镇流LED灯安全要求》


[7] GB17743《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》


[8] 《ANSI C78.377》


(编辑:梁红兵)



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