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厘清LED灯具与LED光源的本质 2013/4/8 17:53:52
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厘清LED灯具与LED光源的本质

陈超中 施晓红 王晔

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)

[概  要针对某些技术文件中普遍存在的LED光源与LED灯具技术指标混淆不分的现象,文章指出,满足照明需求的配光是对LED灯具的要求,而不是对LED光源的要求,而流明维持率应是LED光源要完成的试验,同时说明了LED灯具应满足的经典的性能项目。文章强调LED灯具的高效能应以满足经典的性能要求为前提条件,不能以牺牲照明环境舒适性和可靠性的代价来追逐LED灯具效能。

[关键词] LED光源;LED灯具;LED;光效;LED光效;效能;LED灯具效能;流明维持

Clarify the Essence of LED Luminaire and LED Light Source

Chen Chaozhong, Shi Xiaohong, Wang Ye

    China National Luminaire Supervision Testing Center (CLTC)National Center of Supervision & Inspection on Electric Light Source Quality (Shanghai)

Abstract: In allusion to the phenomena of confusion technical requirements between LED light source and LED luminarie in some specifications, this article indicates that light distribution which meet the lighting requirements is suitable to LED luminarie, not to LED light source, whereas lumen maintenance is the test item for LED light source. At the same time, the article points out the sutra performance items which LED luminaries should fulfill. The article emphasizes that high LED luminaries efficacy should base on the precondition of fulfill the sutra performance items, well luminaries efficacy but poor lighting conformity and reliability is unacceptable.

Key words: LED light source; LED luminaire; LED; luminous efficacy of a source; luminous efficacy of LED light source; luminaire efficacy; LED luminaire efficacy

    一、 LED光源与LED灯具的定义

    1LED光源的定义

    LED光源(LED light source);LED灯或LED模块提供的部件。

    LED灯(LED lamp):带有一个灯头、组合了一个或多个LED模块的光源,除非永久性损坏,LED模块不能拆除。

1LED灯可以是一体化(也称自镇流)、半一体化(也称半镇流)或非一体化(也称非镇流)的,相关图解见1

2:包括符合IEC 60061-1《控制灯头和灯座互换性和安全的量规 第1部分:灯头》单端或双端灯头。

3LED灯通常设计成可以被终端用户或普通人更换。

图1 LED灯类型的图解

    2LED灯具的定义

    LED灯具(LED luminaire);设计为使用LED光源的灯具。

    灯具(luminaire)定义是能分配、透出或转变一个或多个灯发出光线的一种器具,并包括支承、固定和保护灯必需的所有部件(但不包括灯本身),以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的装置。定义还附有一个注,即采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具,但不对整体式光源和整体式自镇流灯进行试验。” 

    二、 LED灯具LED误解为LED光源的原因

    传统灯具中的光源几乎都是可以替换的。随着LED的出现,使用LED模块的灯具多数以不可替换的形式出现,似乎呈现出一体化的趋势,LED光源与LED灯具的界限也似乎分不清楚了。整体是个发光器,可以被视为光源?实际在灯具定义中的“注”中写得明确:采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具使用LED模块的灯具恰恰是一个灯具的例子。

    三、光源具有被不同的灯具使用的特点

    光源被灯具所使用。光源比喻为源水的话,灯具比喻为泉水。LED光源既可以在筒灯用中,又可以用在道路灯具。将“LED路灯”或者“LED隧道灯”理解为“光源”的话,就无法被其他灯具再次利用了,与“灯具”利用“光源”的概念相悖。

    四、外壳防护等级的差异

    作为光源,没有特殊的外壳防护等级的要求或应达到IP20。但是,室内灯具的外壳防护等级至少应达到IP20LED道路灯具的外壳防护等级至少应达到IPX3,隧道灯具的外壳防护等级至少应达到IPX5

    五、LED光源光效不等同于LED灯具效能

    就光源而言,光效是一个经典指标项目,每一种新光源的出现都直接与其达到的更高的光效有关,这样,光效也毫无例外地成为了LED光源的性能的重要指标。当然,光源的其他性能指标项目还包括显色指数、色品坐标、色温和寿命等等。

    对使用传统光源的灯具,灯具的光输出,即灯具转换光源光通量的能力,是灯具性能的经典指标项目。由于LED光源的性能参数尚未达到标准化的程度,而且很多灯具使用的LED光源不可替换,所以,光效的概念也被误用到了LED灯具产品。

    1、 LED光源光效和LED灯具效能的概念

    LED光源光效(luminous efficacy of a source)定义是光源发出的光通量与其自身所消耗的电功率之比。单位为lm/W。是不包含电器附件的损失的。

    LED灯具效能(luminaire efficacy)定义是指在灯具的声称使用条件下,灯具发出的初始总光通量与其所消耗的功率之比,单位为lm/W。是包含电器附件的损失的。

    “光效”用于评价LED光源,“效能”用于评价LED灯具,LED光源光效与LED灯具效能都表示电能转化为光能的效率,是描述照明产品节能特性的指标项目,但其内涵是不同的。

    2、不同的光通量

    LED光源光效中的光源光通量是指裸光源(还未装入灯具时的状态)发出的光通量。其中LED光源可以是一体化LED灯或一体化LED模块、半一体化LED灯或半一体化LED模块或非一体化LED灯或非一体化LED模块。

    LED灯具效能表述式中的分子----光通量是指光源装入灯具、同时使用所需的LED控制装置或LED控制装置的电源后灯具发出的光通量。其中LED控制装置或LED控制装置的电源可以是整体式、内装式或独立式的。使用LED光源的灯具可能使用反射器、扩散板或透镜。

    装入灯具的光源可能是单个光源或多个光源的集合,但由于热能、电能的相互作用造成的效率损失,以及灯具光学系统的效率,LED灯具的光通量并不等于LED光源光通量或其简单累加。

LED光源光效中的光通量与灯具效能中的光通量的测量状态不同,前者是在脉冲状态测得,后者是在稳态的工作状态下测得。

    LED光源光效中的光是无所指向性的,只要光能发出来,各个方向的都认可。而LED灯具效能中的光是有所指向性的,光需要发到有用的区域。

    在使用相同LED光源的情况下,LED灯具的光通量小于LED光源的光通量。

    3、不同的输入功率

    LED光源光效表式中的分母与LED灯具效能中的分母含义也不相同。例如,对于非一体化LED模块, LED光源所消耗的电功率的仅是指LED模块所消耗的功率,不包括LED控制装置消耗的功率。LED灯具效能中的消耗的电功率是指灯具的输入功率,不仅包括LED光源,还包括LED控制装置所消耗的功率。LED灯具消耗的电功率大于LED光源消耗的电功率。

    4LED灯具效能与LED光源光效的关系

    由于所涉及光通量和电功率的范围不同,造成LED光源光效不同于LED灯具效能,光源光效远大于灯具效能。其一是LED进入灯具后,结温升高,光输出减少(热损失);其二是光源进入灯具、并使用LED控制装置或其电源后存在的系统损耗;其三是光线经过灯具光学系统后的损失,即灯具效率(光损失)。

    灯具效能=光源光效×1-进入灯具后光通量的热损失)×(1-电器附件系统的损失)×(1-进入灯具光学系统后的光损失)%

    从上面的分析可以看出,光源光效与灯具效能是完全不同的,不能混为一谈。

    六、LED灯具的经典性能要求项目

    1、室内灯具

    就室内一般照明用的LED筒灯、LED平板灯具等而言,经典的性能要求项目如下:

    a) 光度性能

    -距高比

    灯具距高比是表征灯具配光特性指标的项目。距高比大小不同的灯具应用于不同的照明场合,具体按室内设施的高配合灯具的出光度来选择合适的距高比,从而获得较大范围内均匀照明。距高比为配合照明设计需要同时控制单位面积上的耗能(LPD)(能源的浪费对于给定高度的室内空间,距高比数值越大,表明灯具的安装间距越大,给定空间安装的灯具数量越少。

-初始光通量、光通量维持率

-灯具效能

    b) 眩光控制

    LED筒灯:保护角、亮度限制(VDT作业环境、非VDT作业环境)。

    LED平板灯具:亮度限制(VDT作业环境、非VDT作业环境)、亮度均匀度。

    c) 色度

    显色指数、相关色温、不同灯具的色差异、空间色品不一致性、色维持。

    2、 室外灯具

    就道路照明灯具而言,经典的性能要求项目如下:

    1)光度性能

    a) 光输出

    光输出就是光通量,研究LED的光通量是为了分析目前LED灯具光输出能力,并根据道路照明国家标准规定的照明要求,对LED路灯的光输出值所适用的道路条件进行预测。城市中的机动车道路分为快速路或主干路、次干路和支干路。路灯发出的光通量是保证路面达到道路照明标准要求的照度水平的基本条件。

    b) 纵向光分布(短投射配光、中投射配光、长投射配光)

    纵向光分布是以最大光强的投射角度进行分类的,纵向投射角度不同的路灯,能够照亮的路面长度就不一样,如果沿道路纵向光线投射角度小的灯具,照亮的路面长度就比较短。

灯具沿道路纵向光线投射角度增大时,灯杆的间距增大,单位道路面积的灯功率(LPD值)就相应减小,光束投射的远或近是路灯节能水平的重要因素之一。

    c) 横向光分布(Ⅰ类、Ⅰ-4类、Ⅱ类、Ⅱ-4类、Ⅲ类、Ⅳ类

    应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯,如某一II类横向配光的路灯的正确应用是4车道,那么如果错误的用于2车道,就会有较大比例的光通量照射到道路以外的区域,光通量的利用率降低,LPD值会受到影响。

    图2是各种光分布灯具用于车行道的示意图,图3是一个Ⅲ类-中投射灯具的在半空间和道路上的等光强图例。

图2 用不同类型灯具的车行道正视图

图3 一个Ⅲ类-中投射灯具的在半球和道路上等光强图

    d) C-90°和C-270°的配光

    描述道路的纵向延伸特性从而适应路边区域和屋边区域的不同照明需求,满足道路被照亮的同时、道路边界线旁的屋边也适当照亮的要求,体现在道路照明标准中的环境比SR值。

    路边需要的光通量多,屋边需要的少,所以路灯在满足上述光度特性以外,还应合理分配路边和屋边的光通量,在光度学上表现为利用系数曲线中的路边和屋边的光通量。测量得到的灯具配光图中C-90°平面和C-270°的配光曲线不能简单得处理成对称形式,否则,将产生灯具光通量分配不合理、造成利用系数不降低灯具的照明效率。

    e)光束均匀度(最大光强的γ角、灯下点附近25º范围内的光强和最大光强的比值I 0-25/I max

    -光线不均匀的照射,路面看起来会一片亮一片暗,障碍物与路面背景间缺乏对比度,使驾驶员观察路面上障碍物的能力降低,看不清路面上及周围的移动物体。

    要得到路面上均匀的照明效果,光束中最大光强的投射角度非常重要,路灯下方的光强I 0应是最小的,随着仰角γ增大,所在γ角的光强I′应增大,I′和I 0满足 I0=I′·cos3γ的函数关系,当光强接近这种函数关系时,路面才能得到均匀的照明效果。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55º-65º时,可以达到照度均匀度的要求。

    与路面照度相比,路面亮度均匀度能对驾驶员观察结果产生更客观的影响。路面的亮度和观察角度有关,还与路面材料有关,当最大光强在垂直面内的投射角度达到65º-75º时,路面的亮度均匀度可达到比较高的水平。

    -灯下点附近25º范围内的光强和最大光强的比值I 0-25/I max

    光束均匀度中另一个重要条件是灯下点的光强应是最小的,随着γ角的增大,光强应逐渐增大。灯下点附近25º范围内的光强I 0-25和最大光强/I max的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。I 0-25/I max≤0.35是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一,当其比值大于0.35时,会产生灯下点亮,灯杆之间暗的光斑不均匀现象。

    f)截光水平(80°-90°的环带光通、80°-90°的光强)

    LED路灯的光源光线亮度可以达到几千万cd/m2,光线的照射方向控制不好,会让驾驶员感受到眩光,容易引起视觉疲劳。眩光的程度强烈时,会影响驾驶员观察路况。眩光的产生,来源于路灯直接射入眼睛的光线。为了改善眩光对视觉的不良影响,要求道路照明灯具具有截光控制措施。从驾驶员的观察位置和观察方向分析,路灯的各个C平面上80°-90°的光输出会直接射入眼睛造成眩光。

    控制80°-90°的环带光通---限制80°-90°的光强是控制路灯眩光的重要途径。

    g)灯具能效

    2)色度

    LED道路照明灯具的相关色温的要求应引起注意,色温应控制在4100K以下。

    3.流明维持率不应该是LED灯具的必选试验

    目前一些LED灯具和LED光源的技术规范或标准中,都有对LED光源和LED灯具进行相同的寿命试验的规定,即进行流明维持率的试验,从1000h,3000h,6000h到10000h。

    流明维持率是描述光源寿命的一个指标,其意义是寿命期间某一给定时间光通量值与其初始光通量的比值,以初始光通量的百分数x表示,如70%流明维持率即为光通量为初始光通量的70%。

    与传统光源不同,目前的LED光源尚未标准化,各种型号规格封装组成的大多数LED阵列或LED模块都不提供与产品声称寿命相关的流明维持率等相关参数。由于光源没有提供数据,造成使用LED灯具的不得不进行大量的流明维持率试验。

    根据LED的特点,通常当LED模块不再提供所声称初始光通量的百分比的时候,即认为它已经达到寿终。因此LED模块的寿命通常是指标准条件下,LED光源提供超过所声称的初始光通量百分比x时的时间长度,一般把在流明维持Lx 时的寿命和失效率Fy相结合的形式给出。如L70 时的寿命和失效率F50。

    目前LED灯具中使用的LED光源的形式通常包括LED封装、LED阵列、LED模块和LED灯。除了使用LED灯的灯具以外,寿命通常是描述LED灯具性能的一个重要参数。

    通常LED模块的声称L70寿命达到25000h以上,尽管使用外推法,相应的流明维持率试验时间可以减少,但一般流明维持率的验证试验时间也在6000h以上。这也是目前LED灯具要进行长时间的流明维持率试验的原因。

    相同的LED模块的不同组合可以产生不同的照明产品,如果在各个终端产品都进行流明维持率试验,就会进行大量重复的试验,消耗大量的时间段和成本。

    避免LED灯具的大量寿命试验的解决方案就是LED模块制造商提供的模块的流明维持率数据,就此验证LED灯具的流明维持率水平。

    IEC/PAS 62722-2-1:2012《 LED灯具性能一般要求》规定,当LED模块符合IEC/PAS 62717《普通照明用LED模块性能要求》时,可以不进行LED灯具的流明维持率试验。目前照明电器标委会已经着手将这两个标准转换为我国的国家标准的工作。

    LED在灯具中的应用已经从LED路灯、LED隧道灯、LED筒灯以及LED平板灯等,改变目前的LED灯具进行长期流明维持率试验,应该大力纠正LED模块不进行流明维持率试验,而却对LED灯具进行试验的本末倒置的现状,呼吁LED模块制造商对其产品进行进行流明维持率试验迫在眉睫。

    七、结束语

    1LED灯具经典的性能要求应全面考核,不应偏废。

    一般照明室内LED灯具,距高比、保护角和(或)亮度限制是主要的性能指标项目,不应遗漏。

    LED道路照明灯具,要以满足道路照明标准值(路面亮度及其亮度均匀度、路面照度及其均匀度、阈值增量、环境比)以及道路照明节能评价值(LPD)为根本出发点,LED道路照明灯具标准要明确引入这些照明标准值的要求,成为对LED道路照明灯具的要求。在满足LPD的前提下,实际也是能反应在距高比上面。截光水平、纵向光分布与横向光分布必须明确。

    2LED灯具有配光的要求,LED光源一般而言没有配光要求。

    一般照明室内LED灯具的距高比项目,实际是为了照明设计。

    LED道路照明灯具纵向配光涉及灯具的安装间距,横向配光涉及车道数。

    3LED灯具效能是在LED灯具满足经典的性能要求为前提条件的。

    LED光效作为光源指标项目与是比较单一的,但LED灯具效能是诸多性能要求之一,受其他性能要求的制约,各项性能指标项目应协调一致,不能片面追逐LED灯具效能一个指标,不应以牺牲照明环境舒适性、可靠性等指标为前提。

参考文献

[1] 厘清LED光源光效与LED灯具效能的本质,陈超中 施晓红 杨樾 李为军《中国照明电器》2011年第12期

[2] 共通标准《室内一般照明用LED平板灯具》解读陈超中 施晓红 杨樾 王晔 李为军

[3] LED灯具和LED光源的界定,施晓红  陈超中  李为军  王晔

[4] LED道路照明灯具光度数据的现状分析,王  晔  陈超中  施晓红《照明工程学报》2009第20卷年第3期

[5] GB/T XXXXX-201XLED筒灯性能要求》(报批稿)

[6] 美国能源部对符合能源之星要求的A类灯的补充要求(2008.8),《光源与照明》增刊(2009)第002

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