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LED灯具特性及其标准解析 2012/9/11 17:58:33
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LED灯具特性及其标准解析

陈超中  施晓红  李为军  王晔

[上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)上海时代之光照明电器检测有限公司 全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会 中国照明学会灯具专业委员会 上海 200233]

摘  要本文从LED灯、灯具及其现状为切入口,在LED灯、灯具相关定义的基础上,分析了LED灯具的特点和目前存在的问题,并与传统灯具性能、评价和设计方面做了比较,同时针对国际电工委员会(IEC)、美国能源之星(EnergyStar、北美照明学会(IESNA)在LED灯具有关标准的出版情况和我国LED灯具有关的国家标准的出版情况进行了介绍。

关键词LED灯 LED灯具 色差异 寿命 标准

    LED进入照明领域,引发了一场新的照明技术领域的革命。由于不同形状、数量,尺寸的LED可以按不同方式排列组合、不同LED替代灯中的LED结构可以不同等特点,在照明领域中出现了各式各样的LED照明产品(例如:LED装饰灯具、LED道路灯具、LED投光灯具、嵌入式LED灯具、LED隧道灯具、LED台灯和交通信号灯具等)及传统光照明源替代品(例如:LED替代白炽灯、MR16、PAR灯、直管形荧光灯T8/T12等)。随着LED技术的不断提升和人们对照明感官视觉追求的进一步提高,人们对LED灯具的设计和性能要求上更加具体,这就对灯具制造商和照明产品设计师提出更高的要求。

    半导体LED固态照明是近年来新近发展起来的产业,对照明终端产品设计师和灯具制造人员而言,既需要掌握传统照明行业的知识、国内外标准动态,又需要熟悉和了解LED器件方面的知识,特别是要准确把握LED灯、灯具界定以及与传统照明灯具差异性。

    由于半导体行业和照明电器行业分属不同行业、以及目前对半导体LED固态照明(SSL)缺乏足够的标准支撑,现阶段国内LED照明产品存在鱼龙混杂的现象,制造商声称的产品性能往往与实际结果相差甚远,颜色质量、寿命预测上更是极度夸大,这对我国LED照明产业的发展和消费者信心的培育上都是不利的。

    本文从LED灯、灯具及其现状为切入口,在LED灯、灯具相关定义的基础上,分析了LED灯具的特点和目前存在的问题,并与传统灯具性能、评价和设计方面做了比较,同时针对我国和国际上LED灯具标准情况进行了介绍,点明应结合LED灯具的技术要素来观察和追踪标准的变化和发展。

一、 LED灯、灯具及相关定义

1、 LED

    -LED封装(LED package):包括焊线连接件或其他型式电气连接件的一个或多个LED晶片的组件,可能带有光学元件、热学、机械和电气接口。该装置不包括电源和标准灯头。该装置不能直接与分支电路连接。

    -LED阵列或模块(LED array or module):在印刷线路板或基板上的LED封装(元件)或晶片的组件,可能带有光学元件、附加的热、机械和打算连接到LED驱动器负载侧的电气接口。该装置不含电源和标准灯头。该装置不能直接与分支电路连接。

    -LED光引擎(LED light Engine):包含LED封装(元件)或LED阵列(模块)、LED驱动器、以及其他光度、热学、机械和电气元件的整体组合。该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路,该LED灯具设计成不使用标准灯座。

    -非整体式LED灯(LED lamp, non-integrated):含有LED阵列(模块)或者LED封装(元件)和标准灯头的组件。该装置打算通过标准灯座连接到灯具的LED驱动器。该装置不能直接与分支电路连接。

    -整体式LED灯(LED lamp, integrated):包含LED封装(元件)或LED阵列(模块)、LED驱动器、标准灯头以及其他光度、热学、机械和电气元件的整体组合。该装置打算通过标准化的灯座直接与分支电路连接。

2、 LED灯具

    -LED灯具(LED luminaire)是包括基于LED的发光元件和匹配的驱动器,以及配光部件、固定和保护发光元件的部件、以及将器具连接到分支电路部件的完整照明器具。基于LED的发光元件的可能形式是LED封装(元件)、LED阵列(模块)、LED光引擎或LED灯。LED灯具打算直接与分支电路连接。

    -混合型LED灯具(Hybrid LED luminaire):装有基于LED的发光元件和诸如白炽灯或荧光灯等其他类型光源的灯具。

3、 LED驱动器

    LED驱动器(LED driver):含有电源和LED控制电路的装置,目的是使LED封装(元件)、或LED阵列(模块)或LED灯工作。

    解读与LED相关的上述定义为我们区别LED灯和LED灯具提供了依据,总体来说LED光源和LED灯具的主要区别在于是否与分支电路直接连接,LED灯是一种设计成不打算与分支电路直接连接的产品,而LED灯具是一种设计成要直接连接到分支电路的产品。

    LED光引擎也属于LED灯,但其特性介于LED灯具和整体式LED灯,与整体式LED灯的区别是它含有一个与灯具匹配 的连接器,不是标准灯头,而与LED灯具的区别是它不能与分支电路直接连接。由于可以具有设定的配光功能和标准化的连接器, LED光引擎可以改善某些LED灯具的可维护性。

二、 LED灯具与传统光源灯具的差异性

    目前LED灯具与传统光源灯具就性能、评价和设计方面存在着很多不同地方。

    1、在LED灯具性能评价方面

a) 色空间均匀度评价来评价LED灯具的存在的不同观察角颜色差异。

    传统光源单个发光体的特征不同,LED灯具使用的LED灯是多个发光体组成并发光的,LED灯具中的发光体之间存在颜色差异性,需要使用色空间均匀度评价来评价LED灯具颜色的空间分布情况。

b) 用寿命来评价LED灯具的耐用性。

    传统光源的寿命性能的测量和评价已经标准化,而且具有互换性,所以传统光源灯具的寿命可以通过替换损坏的光源、以及按10年寿命设计的灯的控制装置来满足要求,所以一般不评价传统光源灯具的寿命。LED灯具的寿命与LED本身寿命、LED驱动器以及灯具提供给LED的环境等诸多因素有关,而且目前LED灯形式较多,除了带标准灯头的LED以外,其他LED灯不具有互换性,这样对不同的LED灯具,其寿命只有通过相关的寿命评价才能确定。在评价LED灯具寿命时,不仅要声称光通维持寿命(LX,还要声称失效率(FX

c) 灯具可以利用的光通量比例的评价参数和传统灯具不同。传统照明灯具用灯具效率来评价,而LED灯具使用光效评价。

d) 不像传统照明光源可单独进行光度测试,光度测量时可以使用相对法, LED光源对温度极其敏感,不适宜将LED光源从灯具内分离出来单独测量,光度测量时应采用绝对法对灯具整体进行光度测试。

    2、在LED灯具设计方面

    LED灯具在光学系统设计、电气配件、散热措施以及结构等设计方面与传统光源的灯具相比有明显出别。

a)光学系统

    灯具中的光学系统是灯具的灵魂,根据选定光源的特性设计符合具体照明要求的灯具光学系统。通常传统光源灯具的光学系统由光源、灯座、反射器和透光罩组成。由于一些LED单元具有2π发光的光度特性,灯具的光度系统与传统光源灯有很大区别。具体表现特征如下:

1LED灯具光学系统一般由LED芯片和透镜组成的LED阵列或LED模块,阵列有时排列在平整的铝基板上、也可能在突起的或凹下的成型基板上,灯具使用、或不使用透光罩。灯具制造商可根据照明需求,将多个LED单元或数十个LED单元组合在基板上,应注意控制组合后LED单元光色的一致性,考核LED灯具的色空间均匀度。

2)由于LED性对PN结温度的变化非常敏感;封装树脂在高温和强光照射下会快速劣化;长期的光辐射会使荧光粉的光致转换率逐渐降低,并导致色座标会偏移。LED灯具寿命评价时通常是在限制色偏移的条件下,考核LED灯具的流明维持率。

b) 电气配件

    LED驱动电源是构成LED灯具性能优劣的关键要素,也是灯具选择或设计要件之一。LED灯具电气设计应考虑灯具要使用LED特性和数量、灯具的安装地点,以及灯具在电网中的位置来考虑电气安全、恒流驱动、抗扰度和EMI,选择或设计合适的LED驱动电源。

    由于LED2V3V的低电压恒流源驱动,所以不象普通的白炽灯泡可以直接连接220V的交流市电,必须要设计电源和控制电路来驱动LED。此外,LED模组的电气连接也是LED灯具电气系统的重要组成部分,应充分考虑安全性,应采用标准的连接件、充分绝缘、防触电保护等。

c) 散热措施

    与传统光源灯具一样,LED灯具也是会发热的,LED灯具的热来自LED光电转换中的损耗以及LED驱动电源。与传统电光源发光原理(白炽灯的热幅射和荧光灯等的气体放电)不同,LED的发光是电致发光,由于转换效率的问题,输出的大部分能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而热量在LED内的传递的方式不是辐射而是传导。所以在LED灯具散热设计中主要目标是有效地将LED芯片的热有效地传导出去,并有效地控制LED灯具内LED结温。

    对于LED灯具,除了LED是发热部件外,LED灯具中的驱动器也是发热部件,为了保证具有与LED光源协调的寿命,LED驱动器的热控制也非常重要,如果采用内装的驱动电源,灯具应根据其内环境温度选择标有相应tc的驱动器。而驱动器独立安装时,则应根据安装地可能的环境温度选择相应tc驱动器。

d) 机械部件和结构

    机械的作用是通过结构设计把灯具的光学系统、电气系统和热系统的位置和相互关系确定下来,使灯具得以在设定的环境中固定并安全的使用。

    传统灯具的机械系统由固定光源、反射器、灯的控制装置等部件的结构、软缆或软线的走线结构、密封结构、机械防护结构、灯具固定结构和灯具调节结构等部分构成,具体由灯座或光源连接器、灯座安装支架、软线固定架、接线端子座、外壳、灯罩和灯具安装架等组成。由于LED光源的特性,LED灯有封装、模组、LED光引擎、整体式LED灯、非整体式LED灯等几种形式,除了最后两种形式可能具有与传统光源灯具类似内部结构以外,其他LED灯不带有标准灯头,这种情况下,LED灯具具有如下结构特征:

    -LED灯具中没有灯座,而是用连接件完成LED灯与灯具的电气连接,并采用其他方式将LED灯固定到灯具主体上。

    -为了导出LED芯片产生的热,LED灯具有大量的散热片,灯具的体积和重量比传统光源灯具大得多,灯具的安装结构应作相应考虑,以保证安装的安全性和可靠性。同时散热片应设计成容易清洁或不容易积灰的结构,否则,散热片的效率会很快降低。

    -LED灯具使用了电源线,而且电源线是可以拆卸进行维护时,属于非Z型连接,与非Z型连接的传统光源一样,LED灯具也应使用软线固定架。

三、 LED灯具存在的问题

    由于LED具有的多重特殊性,我们对它的美好未来充满期待的同时,也不应回避它目前存在的一些不足。

1.我国生产的大部分路灯的光度分布不合理。

    以美国能源部(DOE)出版的SSL灯具符合能源之星的合格判据作为标杆,我们对2007年至2009年检测的200个LED路灯光度数据进行评价发现,只有3个LED路灯能够满足DOE规定的路灯光度分布和能效的相关要求,合格率仅为1.5%。所测的LED路灯质量离DOE的标杆要求相差甚远,有待大大地提高。

2.在具有防浪涌干扰功能的LED路灯中普遍存在的绝缘耐压问题。

    LED路灯的EMS设计只考虑了防浪涌干扰的功能,忽略了灯具安全标准中对电气强度的要求,应强调LED路灯设计输入的充分性,在满足安全要求的基础上考虑其他功能。

3.市场上存在一些质量非常差的产品,表现为不明亮、短寿命、颜色差。

4.产品声称的性能不准确。

5.产品标签上的信息不充分。

6.颜色质量方面存在很多问题,如显色性。

7.照明设计者仍然不信任SSL产品。他们说需要更多的标准。

8.成本仍然太高,但政府高调激励使用SSL产品。

四、 国外LED灯具标准和国内LED灯具标准的情况

    类似传统照明产品,市场上销售的LED照明灯具需要依赖产业发展标准和测试方法来表征其性能和安全性,国家标准和测试方法对新照明产品设计和培育消费者信心是非常关键的。下面,我们以表格的形式罗列了国际电工委员会(IEC)、美国能源之星(EnergyStar、北美照明学会(IESNA)LED灯具有关标准的出版情况以及正在制订IEC LED灯具有关的标准情况,同时就我国LED灯具有关的GB国家标准的出版情况进行了介绍。

    1、目前国内LED灯具标准的情况

a) LED灯具有关的IEC标准的出版情况(表1和表2




b) LED照明电器产品有关的美国能源部能源之星要求(见表3



c) LED灯具有关的北美照明学会标准(见表4



d) 正在制订的LED灯具有关的IEC标准的情况(见表5



   
 2、 目前国内LED灯具标准的情况

  LED灯具有关的国家标准的出版情况(见表6和表7)。   



    从上面总结的表格中可以看出,与LED灯具有关国际IEC 标准(仅EMC)对应的LED灯具有关GB国家标准(仅EMC)基本满足现行LED灯具电磁兼容性测试要求。而除EMC外的与LED灯具有关的国际IEC标准大部分集中在安全标准上,性能有关标准仍缺乏。

    在LED光生物安全性检测标准上,由于LED出身于半导体行业,一直以来,LED的光生物安全问题都是按照IEC 60825-1标准进行衡量。然而,随着研究水平的不断深入,人们发现LED的宽光谱和扩散光束输出特性与激光存在显著的不同,IEC 60825-1标准明显不能够完全满足LED产业发展需求。鉴于此,CIE2002年发布了CIE S 009/E:2002《灯和等系统的光生物安全性》。此标准可对发射200nm3000nm波长范围的灯和灯系统光学辐射的光生物危害进行评估,包括发光二极管(LED)但不包括激光。此标准适合用来评价LED灯具的光生物安全性。最新的CTL提案(PDSH0748)中涉及到LED光生物安全的标准已经改为IEC 62471。目前许多欧洲国家已经开始使用IEC 62471标准进行LED灯具的光生物安全性评估。所以,从技术上讲,LED灯具的光生物安全性标准目前已经制定完成,可以使用。为与国际标准接轨,我国也于2006年发布了等同采用IEC 62471的国家标准GB/T 20145-2006《灯和等系统的光生物安全性》,为LED灯具光生物安全性能检测提供技术支撑。

五、 结束语

    综上所述,随着LED技术的不断提升和人们对照明感官视觉追求的进一步提高,人们对LED产品性能和产品设计将提出更高的要求,这就需要LED制造商、终端产品设计师熟悉并掌握LED灯、灯具定义,了解LED灯具与传统照明灯具的区别,并时时跟踪国内外LED灯具最新标准动态。在产品设计上除了要考虑LED半导体照明灯具与传统照明灯具差异性外,还要把LED灯具光学、热学和电学特性与机械性能、散热设计、安装结构、美学设计等要素也要考虑进去,只有将它们作为一个整体、系统地优化,才能设计出符合现行LED灯具标准要求并且性能出众的LED半导体照明灯具。

六、 参考文献

[1] ANSI/IESNA RP-16-05 Addendum b, Nomenclature and Definitions for Illuminating Engineering

[2] Summary reports for Rounds 1-9 of DOE SSL testing are available online at http://www.ssl.energy.gov/caliper.html. Detailed test reports for products tested under the DOE’s SSL testing program can also be obtained online: http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/search.html

[3] 王晔,陈超中,施晓红. LED道路照明灯具光度数据的现状分析[J]. 照明工程学报. 2009, 20(3):54-63,71

[4] 王晔,陈超中,施晓红. LED道路照明灯具光度数据的现状分析(续篇)[J]. 照明工程学报. 2010, 21(3):34-42,55

[5] 陈超中,施晓红,杨樾,王晔. LED灯具标准体系建设研究(上)[J]. 中国照明电器. 2010(1):31-35

[6] 陈超中,施晓红,杨樾,王晔. LED灯具标准体系建设研究(下)[J]. 中国照明电器. 2010(2):35-38,42

[7] 陈超中,施晓红,杨樾,王晔厘清LED照明电器产品及照明有关标准[J]. 中国照明电器. 2010(6):26-31

[8] 陈超中,施晓红,於立成,刘尔立,杨樾,强耀根. LED路灯防浪涌干扰设计中的绝缘耐压问题解析[J]. 中国照明电器. 2010(7):33-37

[9] 施晓红,陈超中,李为军,王晔聚焦LED灯具和LED光源的基本概念.


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