LED燈具特性及其標(biāo)準(zhǔn)解析

1、LED燈具特性及其標(biāo)準(zhǔn)解析摘要:本文從LED 燈、燈具及其現(xiàn)狀為切入口,在LED 燈、燈具相關(guān)定義的基礎(chǔ)上,分析了LED 燈具的特點(diǎn)和目前存在的問(wèn)題,并與傳統(tǒng)燈具性能、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)方面做了比較,同時(shí)針對(duì)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC、美國(guó)能源之星(EnergyStar、北美照明學(xué)會(huì)(IESNA在LED燈具有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出版情況和我國(guó)LED 燈具有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出版情況進(jìn)行了介紹。LED 進(jìn)入照明領(lǐng)域,引發(fā)了一場(chǎng)新的照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。由于不同形狀、數(shù)量,尺寸的LED 可以按不同方式排列組合、不同LED 替代燈中的LED 結(jié)構(gòu)可以不同等特點(diǎn),在照明領(lǐng)域中出現(xiàn)了各式各樣的LED 照明產(chǎn)品(例如:LED 裝飾燈具

2、、LED 道路燈具、LED 投光燈具、嵌入式LED 燈具、LED 隧道燈具、LED 臺(tái)燈和交通信號(hào)燈具等及傳統(tǒng)光照明源替代品(例如:LED 替代白熾燈、MR16、PAR 燈、直管形熒光燈T8/T12 等。隨著LED 技術(shù)的不斷提升和人們對(duì)照明感官視覺(jué)追求的進(jìn)一步提高,人們對(duì)LED 燈具的設(shè)計(jì)和性能要求上更加具體,這就對(duì)燈具制造商和照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提出更高的要求。半導(dǎo)體LED 固態(tài)照明是近年來(lái)新近發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè),對(duì)照明終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和燈具制造人員而言,既需要掌握傳統(tǒng)照明行業(yè)的知識(shí)、國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài),又需要熟悉和了解LED 器件方面的知識(shí),特別是要準(zhǔn)確把握LED 燈、燈具界定以及與傳統(tǒng)照明燈具差異性。

3、由于半導(dǎo)體行業(yè)和照明電器行業(yè)分屬不同行業(yè)、以及目前對(duì)半導(dǎo)體LED 固態(tài)照明(SSL缺乏足夠的標(biāo)準(zhǔn)支撐,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)LED 照明產(chǎn)品存在魚(yú)龍混雜的現(xiàn)象,制造商聲稱(chēng)的產(chǎn)品性能往往與實(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn),顏色質(zhì)量、壽命預(yù)測(cè)上更是極度夸大,這對(duì)我國(guó)LED 照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和消費(fèi)者信心的培育上都是不利的。本文從LED 燈、燈具及其現(xiàn)狀為切入口,在LED 燈、燈具相關(guān)定義的基礎(chǔ)上,分析了LED 燈具的特點(diǎn)和目前存在的問(wèn)題,并與傳統(tǒng)燈具性能、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)方面做了比較,同時(shí)針對(duì)我國(guó)和國(guó)際上LED 燈具標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行了介紹,點(diǎn)明應(yīng)結(jié)合LED 燈具的技術(shù)要素來(lái)觀察和追蹤標(biāo)準(zhǔn)的變化和發(fā)展。一、 LED 燈、燈具及相關(guān)定義1、

4、LED 燈-LED 封裝(LED package:包括焊線連接件或其他型式電氣連接件的一個(gè)或多個(gè)LED晶片的組件,可能帶有光學(xué)元件、熱學(xué)、機(jī)械和電氣接口。該裝置不包括電源和標(biāo)準(zhǔn)燈頭。該裝置不能直接與分支電路連接。-LED 陣列或模塊(LED array or module:在印刷線路板或基板上的LED 封裝(元件或晶片的組件,可能帶有光學(xué)元件、附加的熱、機(jī)械和打算連接到LED 驅(qū)動(dòng)器負(fù)載側(cè)的電氣接口。該裝置不含電源和標(biāo)準(zhǔn)燈頭。該裝置不能直接與分支電路連接。-LED 光引擎(LED light Engine:包含LED 封裝(元件或LED 陣列(模塊、LED驅(qū)動(dòng)器、以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣

5、元件的整體組合。該裝置要通過(guò)一個(gè)與LED 燈具匹配的常規(guī)連接器直接連接到分支電路,該LED 燈具設(shè)計(jì)成不使用標(biāo)準(zhǔn)燈座。-非整體式LED 燈(LED lamp, non-integrated:含有LED 陣列(模塊或者LED 封裝(元件和標(biāo)準(zhǔn)燈頭的組件。該裝置打算通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)燈座連接到燈具的LED 驅(qū)動(dòng)器。該裝置不能直接與分支電路連接。-整體式LED 燈(LED lamp, integrated:包含LED 封裝(元件或LED 陣列(模塊、LED 驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)燈頭以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣元件的整體組合。該裝置打算通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的燈座直接與分支電路連接。2、 LED 燈具-LED 燈具(LED lu

6、minaire是包括基于LED 的發(fā)光元件和匹配的驅(qū)動(dòng)器,以及配光部件、固定和保護(hù)發(fā)光元件的部件、以及將器具連接到分支電路部件的完整照明器具。基于LED 的發(fā)光元件的可能形式是LED 封裝(元件、LED 陣列(模塊、LED 光引擎或LED 燈。LED 燈具打算直接與分支電路連接。-混合型LED 燈具(Hybrid LED luminaire:裝有基于LED 的發(fā)光元件和諸如白熾燈或熒光燈等其他類(lèi)型光源的燈具。3、 LED 驅(qū)動(dòng)器LED 驅(qū)動(dòng)器(LED driver:含有電源和LED 控制電路的裝置,目的是使LED 封裝(元件、或LED 陣列(模塊或LED 燈工作。解讀與LED 相關(guān)的上述定義為

7、我們區(qū)別LED 燈和LED 燈具提供了依據(jù),總體來(lái)說(shuō)LED光源和LED 燈具的主要區(qū)別在于是否與分支電路直接連接,LED 燈是一種設(shè)計(jì)成不打算與分支電路直接連接的產(chǎn)品,而LED 燈具是一種設(shè)計(jì)成要直接連接到分支電路的產(chǎn)品。LED 光引擎也屬于LED 燈,但其特性介于LED 燈具和整體式LED 燈,與整體式LED 燈的區(qū)別是它含有一個(gè)與燈具匹配的連接器,不是標(biāo)準(zhǔn)燈頭,而與LED 燈具的區(qū)別是它不能與分支電路直接連接。由于可以具有設(shè)定的配光功能和標(biāo)準(zhǔn)化的連接器, LED 光引擎可以改善某些LED 燈具的可維護(hù)性。二、 LED 燈具與傳統(tǒng)光源燈具的差異性目前LED 燈具與傳統(tǒng)光源燈具就性能、評(píng)價(jià)和設(shè)

8、計(jì)方面存在著很多不同地方。1、在LED 燈具性能評(píng)價(jià)方面a 色空間均勻度評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)價(jià)LED 燈具的存在的不同觀察角顏色差異。傳統(tǒng)光源單個(gè)發(fā)光體的特征不同,LED 燈具使用的LED 燈是多個(gè)發(fā)光體組成并發(fā)光的,LED 燈具中的發(fā)光體之間存在顏色差異性,需要使用色空間均勻度評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)價(jià)LED 燈具顏色的空間分布情況。b 用壽命來(lái)評(píng)價(jià)LED 燈具的耐用性。傳統(tǒng)光源的壽命性能的測(cè)量和評(píng)價(jià)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,而且具有互換性,所以傳統(tǒng)光源燈具的壽命可以通過(guò)替換損壞的光源、以及按10 年壽命設(shè)計(jì)的燈的控制裝置來(lái)滿足要求,所以一般不評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源燈具的壽命。LED 燈具的壽命與LED 本身壽命、LED 驅(qū)動(dòng)器以及燈具提供給

9、LED 的環(huán)境等諸多因素有關(guān),而且目前LED 燈形式較多,除了帶標(biāo)準(zhǔn)燈頭的LED 以外,其他LED 燈不具有互換性,這樣對(duì)不同的LED 燈具,其壽命只有通過(guò)相關(guān)的壽命評(píng)價(jià)才能確定。在評(píng)價(jià)LED 燈具壽命時(shí),不僅要聲稱(chēng)光通維持壽命(LX,還要聲稱(chēng)失效率(FX。c 燈具可以利用的光通量比例的評(píng)價(jià)參數(shù)和傳統(tǒng)燈具不同。傳統(tǒng)照明燈具用燈具效率來(lái)評(píng)價(jià),而LED 燈具使用光效評(píng)價(jià)。d 不像傳統(tǒng)照明光源可單獨(dú)進(jìn)行光度測(cè)試,光度測(cè)量時(shí)可以使用相對(duì)法, LED 光源對(duì)溫度極其敏感,不適宜將LED 光源從燈具內(nèi)分離出來(lái)單獨(dú)測(cè)量,光度測(cè)量時(shí)應(yīng)采用絕對(duì)法對(duì)燈具整體進(jìn)行光度測(cè)試。2、在LED 燈具設(shè)計(jì)方面LED 燈具在光

10、學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣配件、散熱措施以及結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方面與傳統(tǒng)光源的燈具相比有明顯出別。a光學(xué)系統(tǒng)燈具的光學(xué)系統(tǒng)是燈具的靈魂,其目的是根據(jù)選定光源的特性設(shè)計(jì)一個(gè)符合具體照明要求的燈具光學(xué)系統(tǒng)。通常傳統(tǒng)光源燈具的光學(xué)系統(tǒng)由光源、燈座、反射器和透光罩組成。由于一些LED 單元具有2發(fā)光的光度特性,燈具的光度系統(tǒng)與傳統(tǒng)光源燈有很大區(qū)別。具體表現(xiàn)特征如下:(1LED 燈具光學(xué)系統(tǒng)一般由LED 芯片和透鏡組成LED 單元或LED 單元陣列組成,陣列有時(shí)排列在平整的鋁基板上、也可能在突起的或凹下的成型基板上,燈具使用、或不使用透光罩。燈具制造商可根據(jù)照明需求,將多個(gè)LED 單元或數(shù)十個(gè)LED 單元組合在基板上,應(yīng)

11、注意控制組合后LED 單元光色的一致性,考核LED 燈具的色空間均勻度。(2由于LED 的光電特性對(duì)PN 結(jié)溫度的變化非常敏感;封裝樹(shù)脂在高溫和強(qiáng)光照射下會(huì)快速劣化;長(zhǎng)期的光輻射會(huì)使熒光粉的光致轉(zhuǎn)換率逐漸降低,并導(dǎo)致色座標(biāo)會(huì)偏移。出LED 燈具壽命評(píng)價(jià)時(shí)通常是在限制色偏移的條件下,考核LED 燈具的流明維持率。b 電氣配件LED 驅(qū)動(dòng)電源是構(gòu)成LED 燈具性能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素,也是燈具選擇或設(shè)計(jì)要件之一。LED 燈具電氣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮燈具要使用LED 特性和數(shù)量、燈具的安裝地點(diǎn),以及燈具在電網(wǎng)中的位置來(lái)考慮電氣安全、恒流驅(qū)動(dòng)、抗擾度和EMI,選擇或設(shè)計(jì)合適的LED 驅(qū)動(dòng)電源。由于LED 是2V3V

12、的低電壓恒流源驅(qū)動(dòng),所以不象普通的白熾燈泡可以直接連接220V 的交流市電,必須要設(shè)計(jì)電源和控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。此外,LED 模組的電氣連接也是LED 燈具電氣系統(tǒng)的重要組成部分,應(yīng)充分考慮安全性,應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的連接件、充分絕緣、防觸電保護(hù)等。c 散熱措施與傳統(tǒng)光源燈具一樣,LED 燈具也是會(huì)發(fā)熱的,LED 燈具的熱來(lái)自LED 光電轉(zhuǎn)換中的損耗以及LED 驅(qū)動(dòng)電源。與傳統(tǒng)電光源發(fā)光原理(白熾燈的熱幅射和熒光燈等的氣體放電不同,LED 的發(fā)光是電致發(fā)光,由于轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題,輸出的大部分能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。而熱量在LED 內(nèi)的傳遞的方式不是輻射而是傳導(dǎo)。所以在LED

13、燈具散熱設(shè)計(jì)中主要目標(biāo)是有效地將LED 芯片的熱有效地傳導(dǎo)出去,并有效地控制LED 燈具內(nèi)LED 結(jié)溫。對(duì)于LED 燈具,除了LED 是發(fā)熱部件外,LED 燈具中的驅(qū)動(dòng)器也是發(fā)熱部件,為了保證具有與LED 光源協(xié)調(diào)的壽命,LED 驅(qū)動(dòng)器的熱控制也非常重要,如果采用內(nèi)裝的驅(qū)動(dòng)電源,燈具應(yīng)根據(jù)其內(nèi)環(huán)境溫度選擇標(biāo)有相應(yīng)tc 的驅(qū)動(dòng)器。而驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立安裝時(shí),則應(yīng)根據(jù)安裝地可能的環(huán)境溫度選擇相應(yīng)tc 驅(qū)動(dòng)器。d 機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)機(jī)械的作用是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把燈具的光學(xué)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和熱系統(tǒng)的位置和相互關(guān)系確定下來(lái),使燈具得以在設(shè)定的環(huán)境中固定并安全的使用。傳統(tǒng)燈具的機(jī)械系統(tǒng)由固定光源、反射器、燈的控制裝置等部件

14、的結(jié)構(gòu)、軟纜或軟線的走線結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu)、燈具固定結(jié)構(gòu)和燈具調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成,具體由燈座或光源連接器、燈座安裝支架、軟線固定架、接線端子座、外殼、燈罩和燈具安裝架等組成。由于LED 光源的特性,LED 燈有封裝、模組、LED 光引擎、整體式LED 燈、非整體式LED 燈等幾種形式,除了最后兩種形式可能具有與傳統(tǒng)光源燈具類(lèi)似內(nèi)部結(jié)構(gòu)以外,其他LED 燈不帶有標(biāo)準(zhǔn)燈頭,這種情況下,LED 燈具具有如下結(jié)構(gòu)特征:-LED 燈具中沒(méi)有燈座,而是用連接件完成LED 燈與燈具的電氣連接,并采用其他方式將LED 燈固定到燈具主體上。-為了導(dǎo)出LED 芯片產(chǎn)生的熱,LED 燈具有大量的散熱片,燈

15、具的體積和重量比傳統(tǒng)光源燈具大得多,燈具的安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)作相應(yīng)考慮,以保證安裝的安全性和可靠性。同時(shí)散熱片應(yīng)設(shè)計(jì)成容易清潔或不容易積灰的結(jié)構(gòu),否則,散熱片的效率會(huì)很快降低。-當(dāng)LED 燈具使用了電源線,而且電源線是可以拆卸進(jìn)行維護(hù)時(shí),屬于非Z 型連接,與非Z 型連接的傳統(tǒng)光源一樣,LED 燈具也應(yīng)使用軟線固定架。三、LED 燈具存在的問(wèn)題由于LED 具有的多重特殊性,我們對(duì)它的美好未來(lái)充滿期待的同時(shí),也不應(yīng)回避它目前存在的一些不足。1.我國(guó)生產(chǎn)的大部分路燈的光度分布不合理。以美國(guó)能源部(DOE出版的SSL 燈具符合能源之星的合格判據(jù)作為標(biāo)桿,我們對(duì)2007年至2009 年檢測(cè)的200 個(gè)LED 路

16、燈光度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),只有3 個(gè)LED 路燈能夠滿足DOE規(guī)定的路燈光度分布和能效的相關(guān)要求,合格率僅為1.5%。所測(cè)的LED 路燈質(zhì)量離DOE 的標(biāo)桿要求相差甚遠(yuǎn),有待大大地提高。2.在具有防浪涌干擾功能的LED 路燈中普遍存在的絕緣耐壓?jiǎn)栴}。LED 路燈的EMS 設(shè)計(jì)只考慮了防浪涌干擾的功能,忽略了燈具安全標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電氣強(qiáng)度的要求,應(yīng)強(qiáng)調(diào)LED 路燈設(shè)計(jì)輸入的充分性,在滿足安全要求的基礎(chǔ)上考慮其他功能。3.市場(chǎng)上存在一些質(zhì)量非常差的產(chǎn)品,表現(xiàn)為不明亮、短壽命、顏色差。4.產(chǎn)品聲稱(chēng)的性能不準(zhǔn)確。5.產(chǎn)品標(biāo)簽上的信息不充分。6.顏色質(zhì)量方面存在很多問(wèn)題,如顯色性。7.照明設(shè)計(jì)者仍然不信任SSL

17、 產(chǎn)品。他們說(shuō)需要更多的標(biāo)準(zhǔn)。8.成本仍然太高,但政府高調(diào)激勵(lì)使用SSL 產(chǎn)品。四、國(guó)外LED 燈具標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)LED 燈具標(biāo)準(zhǔn)的情況類(lèi)似傳統(tǒng)照明產(chǎn)品,市場(chǎng)上銷(xiāo)售的LED 照明燈具需要依賴產(chǎn)業(yè)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法來(lái)表征其性能和安全性,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法對(duì)新照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)和培育消費(fèi)者信心是非常關(guān)鍵的。下面,我們以表格的形式羅列了國(guó)際照明協(xié)會(huì)(IEC、美國(guó)能源之星(EnergyStar、北美照明學(xué)會(huì)(IESNALED 燈具有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出版情況以及正在制訂IEC LED 燈具有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)情況,同時(shí)就我國(guó)LED 燈具有關(guān)的GB 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出版情況進(jìn)行了介紹。1、目前國(guó)內(nèi)LED 燈具標(biāo)準(zhǔn)的情況a LED 燈具有關(guān)

18、的IEC 標(biāo)準(zhǔn)的出版情況(表1 和表22、 目前國(guó)內(nèi) LED 燈具標(biāo)準(zhǔn)的情況 LED 燈具有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出版情況(見(jiàn)表 6 和表 7。 從上面總結(jié)的表格中可以看出，與 LED 燈具有關(guān)國(guó)際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)(僅 EMC對(duì)應(yīng)的 LED 燈具有關(guān) GB 國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)(僅 EMC基本滿足現(xiàn)行 LED 燈具電磁兼容性測(cè)試要求。而除 EMC 外的與 LED 燈具有關(guān)的國(guó)際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)大 部分集中在安全標(biāo)準(zhǔn)上，性能有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍缺乏。 在 LED 光生物安全性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)上，由于 LED 出身于半導(dǎo)體行業(yè)，一直以來(lái)，LED 的光生物安全問(wèn)題都是 按照 IEC 60825-1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量。然而，隨著研究水平的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn) LED 的寬光譜和擴(kuò)散光束輸出特 性與激光存在顯著的不同， 60825-1 標(biāo)準(zhǔn)明顯不能夠完全滿足 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。 IEC 鑒于此， CIE 于 2002 年 發(fā)布了 CIE S 009/E:2002燈和等系統(tǒng)的光生物安全性 。此標(biāo)準(zhǔn)可對(duì)發(fā)射 200nm 到