解析LED燈具特性及其標準

     本文從LED亮化工程 燈、燈具及其現(xiàn)狀為切入口，在LED亮化工程 燈、燈具相關定義的基礎上，分析了LED亮化工程 燈具的特點和目前存在的問題，并與傳統(tǒng)燈具性能、評價和設計方面做了比較，同時針對國際電工委員會（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學會（IESNA）在LED亮化工程燈具有關標準的出版情況和我國LED亮化工程 燈具有關的國家標準的出版情況進行了介紹。
　　LED亮化工程 進入照明領域，引發(fā)了一場新的照明技術領域的革命。由于不同形狀、數(shù)量，尺寸的LED亮化工程 可以按不同方式排列組合、不同LED亮化工程 替代燈中的LED亮化工程 結(jié)構(gòu)可以不同等特點，在照明領域中出現(xiàn)了各式各樣的LED亮化工程 照明產(chǎn)品（例如：LED亮化工程 裝飾燈具、LED亮化工程 道路燈具、LED亮化工程 投光燈具、嵌入式LED亮化工程 燈具、LED亮化工程 隧道燈具、LED亮化工程 臺燈和交通信號燈具等）及傳統(tǒng)光照明源替代品（例如：LED亮化工程 替代白熾燈、MR16、PAR 燈、直管形熒光燈T8/T12 等）。隨著LED亮化工程 技術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亮化工程 燈具的設計和性能要求上更加具體，這就對燈具制造商和照明產(chǎn)品設計師提出更高的要求。

　　半導體LED亮化工程 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亮化工程 器件方面的知識，特別是要準確把握LED亮化工程 燈、燈具界定以及與傳統(tǒng)照明燈具差異性。由于半導體行業(yè)和照明電器行業(yè)分屬不同行業(yè)、以及目前對半導體LED亮化工程 固態(tài)照明（SSL）缺乏足夠的標準支撐，現(xiàn)階段國內(nèi)LED亮化工程 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、壽命預測上更是極度夸大，這對我國LED亮化工程 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亮化工程 燈、燈具及其現(xiàn)狀為切入口，在LED亮化工程 燈、燈具相關定義的基礎上，分析了LED亮化工程 燈具的特點和目前存在的問題，并與傳統(tǒng)燈具性能、評價和設計方面做了比較，同時針對我國和國際上LED亮化工程 燈具標準情況進行了介紹，點明應結(jié)合LED亮化工程 燈具的技術要素來觀察和追蹤標準的變化和發(fā)展。
　　一、 LED亮化工程 燈、燈具及相關定義
　　1、 LED亮化工程 燈
　　-LED亮化工程 封裝（LED亮化工程 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亮化工程晶片的組件，可能帶有光學元件、熱學、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亮化工程 陣列或模塊（LED亮化工程 array or module）：在印刷線路板或基板上的LED亮化工程 封裝（元件）或晶片的組件，可能帶有光學元件、附加的熱、機械和打算連接到LED亮化工程 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亮化工程 光引擎（LED亮化工程 light Engine）：包含LED亮化工程 封裝（元件）或LED亮化工程 陣列（模塊）、LED亮化工程驅(qū)動器、以及其他光度、熱學、機械和電氣元件的整體組合。該裝置要通過一個與LED亮化工程 燈具匹配的常規(guī)連接器直接連接到分支電路，該LED亮化工程 燈具設計成不使用標準燈座。
　　-非整體式LED亮化工程 燈（LED亮化工程 lamp， non-integrated）：含有LED亮化工程 陣列（模塊）或者LED亮化工程 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亮化工程 驅(qū)動器。該裝置不能直接與分支電路連接。
　　-整體式LED亮化工程 燈（LED亮化工程 lamp， integrated）：包含LED亮化工程 封裝（元件）或LED亮化工程 陣列（模塊）、LED亮化工程 驅(qū)動器、標準燈頭以及其他光度、熱學、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亮化工程 燈具
　　-LED亮化工程 燈具（LED亮化工程 luminaire）是包括基于LED亮化工程 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亮化工程 的發(fā)光元件的可能形式是LED亮化工程 封裝（元件）、LED亮化工程 陣列（模塊）、LED亮化工程 光引擎或LED亮化工程 燈。LED亮化工程 燈具打算直接與分支電路連接。
　　-混合型LED亮化工程 燈具（Hybrid LED亮化工程 luminaire）：裝有基于LED亮化工程 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亮化工程 驅(qū)動器
　　LED亮化工程 驅(qū)動器（LED亮化工程 driver）：含有電源和LED亮化工程 控制電路的裝置，目的是使LED亮化工程 封裝（元件）、或LED亮化工程 陣列（模塊）或LED亮化工程 燈工作。
　　解讀與LED亮化工程 相關的上述定義為我們區(qū)別LED亮化工程 燈和LED亮化工程 燈具提供了依據(jù)，總體來說LED亮化工程光源和LED亮化工程 燈具的主要區(qū)別在于是否與分支電路直接連接，LED亮化工程 燈是一種設計成不打算與分支電路直接連接的產(chǎn)品，而LED亮化工程 燈具是一種設計成要直接連接到分支電路的產(chǎn)品。
　　LED亮化工程 光引擎也屬于LED亮化工程 燈，但其特性介于LED亮化工程 燈具和整體式LED亮化工程 燈，與整體式LED亮化工程 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亮化工程 燈具的區(qū)別是它不能與分支電路直接連接。由于可以具有設定的配光功能和標準化的連接器， LED亮化工程 光引擎可以改善某些LED亮化工程 燈具的可維護性。
　　二、 LED亮化工程 燈具與傳統(tǒng)光源燈具的差異性
　　目前LED亮化工程 燈具與傳統(tǒng)光源燈具就性能、評價和設計方面存在著很多不同地方。
　　1、在LED亮化工程 燈具性能評價方面
　　a） 色空間均勻度評價來評價LED亮化工程 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亮化工程 燈具使用的LED亮化工程 燈是多個發(fā)光體組成并發(fā)光的，LED亮化工程 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亮化工程 燈具顏色的空間分布情況。
　　b） 用壽命來評價LED亮化工程 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亮化工程 燈具的壽命與LED亮化工程 本身壽命、LED亮化工程 驅(qū)動器以及燈具提供給LED亮化工程 的環(huán)境等諸多因素有關，而且目前LED亮化工程 燈形式較多，除了帶標準燈頭的LED亮化工程 以外，其他LED亮化工程 燈不具有互換性，這樣對不同的LED亮化工程 燈具，其壽命只有通過相關的壽命評價才能確定。在評價LED亮化工程 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亮化工程 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亮化工程 光源對溫度極其敏感，不適宜將LED亮化工程 光源從燈具內(nèi)分離出來單獨測量，光度測量時應采用絕對法對燈具整體進行光度測試。
　　2、在LED亮化工程 燈具設計方面
　　LED亮化工程 燈具在光學系統(tǒng)設計、電氣配件、散熱措施以及結(jié)構(gòu)等設計方面與傳統(tǒng)光源的燈
　　具相比有明顯出別。
　　a）光學系統(tǒng)
　　燈具的光學系統(tǒng)是燈具的靈魂，其目的是根據(jù)選定光源的特性設計一個符合具體照明要求的燈具光學系統(tǒng)。通常傳統(tǒng)光源燈具的光學系統(tǒng)由光源、燈座、反射器和透光罩組成。由于一些LED亮化工程 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：
　�。�1）LED亮化工程 燈具光學系統(tǒng)一般由LED亮化工程 芯片和透鏡組成LED亮化工程 單元或LED亮化工程 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亮化工程 單元或數(shù)十個LED亮化工程 單元組合在基板上，應注意控制組合后LED亮化工程 單元光色的一致性，考核LED亮化工程 燈具的色空間均勻度。
　�。�2）由于LED亮化工程 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，并導致色座標會偏移。出LED亮化工程 燈具壽命評價時通常是在限制色偏移的條件下，考核LED亮化工程 燈具的流明維持率。
　　b） 電氣配件
　　LED亮化工程 驅(qū)動電源是構(gòu)成LED亮化工程 燈具性能優(yōu)劣的關鍵要素，也是燈具選擇或設計要件之一。LED亮化工程 燈具電氣設計應考慮燈具要使用LED亮化工程 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，選擇或設計合適的LED亮化工程 驅(qū)動電源。
　　由于LED亮化工程 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，必須要設計電源和控制電路來驅(qū)動LED亮化工程.此外，LED亮化工程 模組的電氣連接也是LED亮化工程 燈具電氣系統(tǒng)的重要組成部分，應充分考慮安全性，應采用標準的連接件、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亮化工程 燈具也是會發(fā)熱的，LED亮化工程 燈具的熱來自LED亮化工程 光電轉(zhuǎn)換中的損耗以及LED亮化工程 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亮化工程 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合發(fā)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化熱能。而熱量在LED亮化工程 內(nèi)的傳遞的方式不是輻射而是傳導。所以在LED亮化工程 燈具散熱設計中主要目標是有效地將LED亮化工程 芯片的熱有效地傳導出去，并有效地控制LED亮化工程 燈具內(nèi)LED亮化工程 結(jié)溫。
　　對于LED亮化工程 燈具，除了LED亮化工程 是發(fā)熱部件外，LED亮化工程 燈具中的驅(qū)動器也是發(fā)熱部件，為了保證具有與LED亮化工程 光源協(xié)調(diào)的壽命，LED亮化工程 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，燈具應根據(jù)其內(nèi)環(huán)境溫度選擇標有相應tc 的驅(qū)動器。而驅(qū)動器獨立安裝時，則應根據(jù)安裝地可能的環(huán)境溫度選擇相應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)設計把燈具的光學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和熱系統(tǒng)的位置和相互關系確定下來，使燈具得以在設定的環(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亮化工程 光源的特性，LED亮化工程 燈有封裝、模組、LED亮化工程 光引擎、整體式LED亮化工程 燈、非整體式LED亮化工程 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亮化工程 燈不帶有標準燈頭，這種情況下，LED亮化工程 燈具具有如下結(jié)構(gòu)特征：
　　-LED亮化工程 燈具中沒有燈座，而是用連接件完成LED亮化工程 燈與燈具的電氣連接，并采用其他方式將LED亮化工程 燈固定到燈具主體上。
　　-為了導出LED亮化工程 芯片產(chǎn)生的熱，LED亮化工程 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)應作相應考慮，以保證安裝的安全性和可靠性。同時散熱片應設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LED亮化工程 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亮化工程 燈具也應使用軟線固定架。
　　三、 LED亮化工程 燈具存在的問題
　　由于LED亮化工程 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亮化工程 路燈光度數(shù)據(jù)進行評價發(fā)現(xiàn)，只有3 個LED亮化工程 路燈能夠滿足DOE規(guī)定的路燈光度分布和能效的相關要求，合格率僅為1.5%.所測的衡陽LED亮化工程 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亮化工程 路燈中普遍存在的絕緣耐壓問題。
　　LED亮化工程 路燈的EMS 設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，應強調(diào)LED亮化工程 路燈設計輸入的充分性，在滿足安全要求的基礎上考慮其他功能。
　　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亮化工程 燈具標準和國內(nèi)LED亮化工程 燈具標準的情況
　　類似傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，市場上銷售的LED亮化工程 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)品設計和培育消費者信心是非常關鍵的。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）、北美照明學會（IESNA）LED亮化工程 燈具有關標準的出版情況以及正在制訂IEC LED亮化工程 燈具有關的標準情況，同時就我國LED亮化工程 燈具有關的GB 國家標準的出版情況進行了介紹。
　　1、目前國內(nèi)LED亮化工程 燈具標準的情況
　　a） LED亮化工程 燈具有關的IEC 標準的出版情況（表1 和表2）
　　
　　2、 目前國內(nèi)LED亮化工程 燈具標準的情況
　　LED亮化工程 燈具有關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亮化工程 燈具有關國際IEC 標準（僅EMC）對應的LED亮化工程燈具有關GB 國家標準（僅EMC）基本滿足現(xiàn)行LED亮化工程 燈具電磁兼容性測試要求。而除EMC外的與LED亮化工程 燈具有關的國際IEC 標準大部分集中在安全標準上，性能有關標準仍缺乏。
　　在LED亮化工程 光生物安全性檢測標準上，由于LED亮化工程 出身于半導體行業(yè)，一直以來，LED亮化工程 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亮化工程 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亮化工程 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)光學輻射的光生物危害進行評估，包括發(fā)光二極管（LED亮化工程）但不包括激光。此標準適合用來評價LED亮化工程 燈具的光生物安全性。最新的CTL 提案（PDSH0748）中涉及到LED亮化工程 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亮化工程 燈具的光生物安全性評估。所以，從技術上講，LED亮化工程 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亮化工程 燈具光生物安全性能檢測提供技術支撐。
　　五、 結(jié)束語
　　綜上所述，隨著衡陽LED亮化工程 技術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亮化工程 產(chǎn)品性能和產(chǎn)品設計將提出更高的要求，這就需要LED亮化工程 制造商、終端產(chǎn)品設計師熟悉并掌握LED亮化工程 燈、燈具定義，了解LED亮化工程 燈具與傳統(tǒng)照明燈具的區(qū)別，并時時跟蹤國內(nèi)外LED亮化工程 燈具最新標準動態(tài)。在產(chǎn)品設計上除了要考慮LED亮化工程 半導體照明燈具與傳統(tǒng)照明燈具差異性外，還要把LED亮化工程 燈具光學、熱學和電學特性與機械性能、散熱設計、安裝結(jié)構(gòu)、美學設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，才能設計出符合現(xiàn)行LED亮化工程 燈具標準要求并且性能出眾的LED亮化工程 半導體照明燈具。

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