LED燈具特性及其標準解析

LED進入照明領(lǐng)域，引發(fā)了一場新的照明技術(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，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、LED道路燈具、LED投光燈具、嵌入式LED燈具、LED隧道燈具、LED臺燈和交通信號燈具等）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照明感官視覺追求的進一步提高，人們對LED燈具的設(shè)計和性能要求上更加具體，這就對燈具制造商和照明產(chǎn)品設(shè)計師提出更高的要求。 　　半導(dǎo)體LED固態(tài)照明是近年來新近發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，對照明終端產(chǎn)品設(shè)計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、國內(nèi)外標準動態(tài)，又需要熟悉和了解LED器件方面的知識，特別是要準確把握LED燈、燈具界定以及與傳統(tǒng)照明燈具差異性。由于半導(dǎo)體行業(yè)和照明電器行業(yè)分屬不同行業(yè)、以及目前對半導(dǎo)體LED固態(tài)照明（SSL）缺乏足夠的標準支撐，現(xiàn)階段國內(nèi)LED照明產(chǎn)品存在魚龍混雜的現(xiàn)象，制造商聲稱的產(chǎn)品性能往往與實際結(jié)果相差甚遠，顏色質(zhì)量、壽命預(yù)測上更是極度夸大，這對我國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和消費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燈具的特點和目前存在的問題，并與傳統(tǒng)燈具性能、評價和設(shè)計方面做了比較，同時針對我國和國際上LED燈具標準情況進行了介紹，點明應(yīng)結(jié)合LED燈具的技術(shù)要素來觀察和追蹤標準的變化和發(fā)展。 　　一、LED燈、燈具及相關(guān)定義 　　1、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或多個LED晶片的組件，可能帶有光學(xué)元件、熱學(xué)、機械和電氣接口。該裝置不包括電源和標準燈頭。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、機械和打算連接到LED驅(qū)動器負載側(cè)的電氣接口。該裝置不含電源和標準燈頭。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)動器、以及其他光度、熱學(xué)、機械和電氣元件的整體組合。該裝置要通過一個與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)計成不使用標準燈座。 　　-非整體式LED燈（LED lamp,non-integrated）：含有LED陣列（模塊）或者LED封裝（元件）和標準燈頭的組件。該裝置打算通過標準燈座連接到燈具的LED驅(qū)動器。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)動器、標準燈頭以及其他光度、熱學(xué)、機械和電氣元件的整體組合。該裝置打算通過標準化的燈座直接與分支電路連接。 　　2、LED燈具 　　-LED燈具（LED luminaire）是包括基于LED的發(fā)光元件和匹配的驅(qū)動器，以及配光部件、固定和保護發(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?；贚ED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型光源的燈具。 　　3、LED驅(qū)動器 　　LED驅(qū)動器（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)的上述定義為我們區(qū)別LED燈和LED燈具提供了依據(jù)，總體來說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)別是它含有一個與燈具匹配的連接器，不是標準燈頭，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)定的配光功能和標準化的連接器，LED光引擎可以改善某些LED燈具的可維護性。 　　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、評價和設(shè)計方面存在著很多不同地方。 　　1、在LED燈具性能評價方面 　　a）色空間均勻度評價來評價LED燈具的存在的不同觀察角顏色差異。 　　傳統(tǒng)光源單個發(fā)光體的特征不同，LED燈具使用的LED燈是多個發(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價來評價LED燈具顏色的空間分布情況。 　　b）用壽命來評價LED燈具的耐用性。 　　傳統(tǒng)光源的壽命性能的測量和評價已經(jīng)標準化，而且具有互換性，所以傳統(tǒng)光源燈具的壽命可以通過替換損壞的光源、以及按10年壽命設(shè)計的燈的控制裝置來滿足要求，所以一般不評價傳統(tǒng)光源燈具的壽命。LED燈具的壽命與LED本身壽命、LED驅(qū)動器以及燈具提供給LED的環(huán)境等諸多因素有關(guān)，而且目前LED燈形式較多，除了帶標準燈頭的LED以外，其他LED燈不具有互換性，這樣對不同的LED燈具，其壽命只有通過相關(guān)的壽命評價才能確定。在評價LED燈具壽命時，不僅要聲稱光通維持壽命（LX），還要聲稱失效率（FX）。 　　c）燈具可以利用的光通量比例的評價參數(shù)和傳統(tǒng)燈具不同。傳統(tǒng)照明燈具用燈具效率來評價，而LED燈具使用光效評價。 　　d）不像傳統(tǒng)照明光源可單獨進行光度測試，光度測量時可以使用相對法，LED光源對溫度極其敏感，不適宜將LED光源從燈具內(nèi)分離出來單獨測量，光度測量時應(yīng)采用絕對法對燈具整體進行光度測試。 　　2、在LED燈具設(shè)計方面 　　LED燈具在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、電氣配件、散熱措施以及結(jié)構(gòu)等設(shè)計方面與傳統(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)計一個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2π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： 　?。?）LED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LED單元或數(shù)十個LED單元組合在基板上，應(yīng)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。 　?。?）由于LED的光電特性對PN結(jié)溫度的變化非常敏感；封裝樹脂在高溫和強光照射下會快速劣化；長期的光輻射會使熒光粉的光致轉(zhuǎn)換率逐漸降低，并導(dǎo)致色座標會偏移。出LED燈具壽命評價時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)計要件之一。LED燈具電氣設(shè)計應(yīng)考慮燈具要使用LED特性和數(shù)量、燈具的安裝地點，以及燈具在電網(wǎng)中的位置來考慮電氣安全、恒流驅(qū)動、抗擾度和EMI,選擇或設(shè)計合適的LED驅(qū)動電源。 　　由于LED是2V~3V的低電壓恒流源驅(qū)動，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)計電源和控制電路來驅(qū)動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)采用標準的連接件、充分絕緣、防觸電保護等。 　　c）散熱措施 　　與傳統(tǒng)光源燈具一樣，LED燈具也是會發(fā)熱的，LED燈具的熱來自LED光電轉(zhuǎn)換中的損耗以及LED驅(qū)動電源。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)換效率的問題，輸出的大部分能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點陣振動的形式轉(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燈具散熱設(shè)計中主要目標是有效地將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。 　　對于LED燈具，除了LED是發(fā)熱部件外，LED燈具中的驅(qū)動器也是發(fā)熱部件，為了保證具有與LED光源協(xié)調(diào)的壽命，LED驅(qū)動器的熱控制也非常重要，如果采用內(nèi)裝的驅(qū)動電源，燈具應(yīng)根據(jù)其內(nèi)環(huán)境溫度選擇標有相應(yīng)tc的驅(qū)動器。而驅(qū)動器獨立安裝時，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)動器。 　　d）機械部件和結(jié)構(gòu) 　　機械的作用是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計把燈具的光學(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，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)燈具的機械系統(tǒng)由固定光源、反射器、燈的控制裝置等部件的結(jié)構(gòu)、軟纜或軟線的走線結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、機械防護結(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)光源燈具類似內(nèi)部結(jié)構(gòu)以外，其他LED燈不帶有標準燈頭，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。同時散熱片應(yīng)設(shè)計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行維護時，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燈具存在的問題 　　由于LED具有的多重特殊性，我們對它的美好未來充滿期待的同時，也不應(yīng)回避它目前存在的一些不足。 　　1.我國生產(chǎn)的大部分路燈的光度分布不合理。 　　以美國能源部（DOE）出版的SSL燈具符合能源之星的合格判據(jù)作為標桿，我們對2007年至2009年檢測的200個LED路燈光度數(shù)據(jù)進行評價發(fā)現(xiàn)，只有3個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%.所測的LED路燈質(zhì)量離DOE的標桿要求相差甚遠，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問題。 　　LED路燈的EMS設(shè)計只考慮了防浪涌干擾的功能，忽略了燈具安全標準中對電氣強度的要求，應(yīng)強調(diào)LED路燈設(shè)計輸入的充分性，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)品聲稱的性能不準確。 　　5.產(chǎn)品標簽上的信息不充分。 　　6.顏色質(zhì)量方面存在很多問題，如顯色性。 　　7.照明設(shè)計者仍然不信任SSL產(chǎn)品。他們說需要更多的標準。 　　8.成本仍然太高，但政府高調(diào)激勵使用SSL產(chǎn)品。 　　四、國外LED燈具標準和國內(nèi)LED燈具標準的情況 　　類似傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，市場上銷售的LED照明燈具需要依賴產(chǎn)業(yè)發(fā)展標準和測試方法來表征其性能和安全性，國家標準和測試方法對新照明產(chǎn)品設(shè)計和培育消費者信心是非常關(guān)鍵的。下面，我們以表格的形式羅列了國際照明協(xié)會（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學(xué)會（IESNA）LED燈具有關(guān)標準的出版情況以及正在制訂IECLED燈具有關(guān)的標準情況，同時就我國LED燈具有關(guān)的GB國家標準的出版情況進行了介紹。 　　1、目前國內(nèi)LED燈具標準的情況 　　a）LED燈具有關(guān)的IEC標準的出版情況（表1和表2） 　　2、目前國內(nèi)LED燈具標準的情況 　　LED燈具有關(guān)的國家標準的出版情況（見表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)國際IEC標準（僅EMC）對應(yīng)的LED燈具有關(guān)GB國家標準（僅EMC）基本滿足現(xiàn)行LED燈具電磁兼容性測試要求。而除EMC外的與LED燈具有關(guān)的國際IEC標準大部分集中在安全標準上，性能有關(guān)標準仍缺乏。 　　在LED光生物安全性檢測標準上，由于LED出身于半導(dǎo)體行業(yè)，一直以來，LED的光生物安全問題都是按照IEC 60825-1標準進行衡量。然而，隨著研究水平的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)LED的寬光譜和擴散光束輸出特性與激光存在顯著的不同，IEC 60825-1標準明顯不能夠完全滿足LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。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》。此標準可對發(fā)射200nm到3000nm波長范圍的燈和燈系統(tǒng)光學(xué)輻射的光生物危害進行評估，包括發(fā)光二極管（LED）但不包括激光。此標準適合用來評價LED燈具的光生物安全性。 　　最新的CTL提案（PDSH0748）中涉及到LED光生物安全的標準已經(jīng)改為IEC 62471.目前許多歐洲國家已經(jīng)開始使用IEC 62471標準進行LED燈具的光生物安全性評估。所以，從技術(shù)上講，LED燈具的光生物安全性標準目前已經(jīng)制定完成，可以使用。為與國際標準接軌，我國也于2006年發(fā)布了等同采用IEC 62471的國家標準GB/T20145-2006《燈和等系統(tǒng)的光生物安全性》，為LED燈具光生物安全性能檢測提供技術(shù)支撐。 　　五、結(jié)束語 　　綜上所述，隨著LED技術(shù)的不斷提升和人們對照明感官視覺追求的進一步提高，人們對LED產(chǎn)品性能和產(chǎn)品設(shè)計將提出更高的要求，這就需要LED制造商、終端產(chǎn)品設(shè)計師熟悉并掌握LED燈、燈具定義，了解LED燈具與傳統(tǒng)照明燈具的區(qū)別，并時時跟蹤國內(nèi)外LED燈具最新標準動態(tài)。在產(chǎn)品設(shè)計上除了要考慮LED半導(dǎo)體照明燈具與傳統(tǒng)照明燈具差異性外，還要把LED燈具光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)特性與機械性能、散熱設(shè)計、安裝結(jié)構(gòu)、美學(xué)設(shè)計等要素也要考慮進去，只有將它們作為一個整體、系統(tǒng)地優(yōu)化，才能設(shè)計出符合現(xiàn)行LED燈具標準要求并且性能出眾的LED半導(dǎo)體照明燈具。