射灯

? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 简析 LED射灯  钟雄 徐廷军 朱庆山 黄瑞彬 四川九洲光电科技股份有限公司 LED 技术的快速发展，光效的不断提升，LED 射灯技术也在快速发展。目前的 LED 射灯 几乎是以替代传统卤钨灯为主。相比传统灯具，LED 射灯在节能及长寿命方面具有显著优势。 随着 LED 射灯成本的降低，LED 射灯的应用也逐步开始普及。本文将从 LED 射灯的技术要求， 常见 LED 射灯的规格及类型， LED 射灯结构，LED 射灯选购常识，以及 LED 射灯发展方向这 几个方面做简单介绍和思考。 一、LED 射灯技术要求 现阶段的 LED 射灯，主要以替代传统卤钨灯为主，相关的安全要求大多参考传统照明要 求，并根据 LED 灯的特点，形成了一套安全认证。目前，在 LED 射灯的认证方面，国际 上主要以欧洲 CE 和北美 UL 认证为主，在中国可进行自愿性认证（CQC）。 在 CE 认证里包含 LVD 和 EMC 两个方面，其中 LVD 是按照 EN60968 标准执行（将升级 IEC 62560）；EMC 按照 EN55015、EN61547、EN61000-3-2 和 EN61000-3-3 标准执行。此外，LED 灯通常还需要额外参照 IEC 62471，进行光生物安全方面测试。在北美，通常需要进行 UL 安全和 FCC 电磁兼容认证。UL 执行标准为 UL1993、UL8750 和 UL1310；FCC 执行标准为 FCC PART15 Subpart B。在中国，对于LED射灯是采用自愿性认证（CQC），执行标准为GB24906-2010 （安全）和 GB 17743-2007（电磁兼容）。 另外，在 LED 射灯的性能方面，也有诸多标准规定。美国有能源之星(ENERGY STAR)有 相关要求；中国有节能认证要求，执行标准为 CQC 3129-2010。这些要求中，均对 LED 射灯 的色温、显色指数、初始光通量、光效、光通维持率、寿命、中心光强、标称功率、功率因 数、产品标识等进行了规定。 许多电子产品的寿命是以坏掉来评判，但 LED 是一种寿命很长的光源，可使用很久都不 会坏。但光通量的输出却会随着时间而衰减，因此行业内通常用光衰至 70%所需的时间来定 义 LED 光源的寿命，即 L70。随着技术的进步，LED 的光衰越来越缓慢，要完整测试其光衰 至 70%的时间也难以做到。由于电子产品的寿命呈指数规律，因此 LED 通常做较短时间的老 化，通过采样光衰数据，然后以指数函数来推算其光衰至 70%的时间，推算如下： ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 通常对 LED 老化 6000 小时测试光通维持率 LM（Lumen Maintains），按照指数规律， 若 6000 小时后 LM >91.8%，便可宣称 25,000 小时的寿命，若 LM>94.1%可宣称 35,000 小时 的寿命，但寿命推算的时间不超过测试时间的 6 倍。 图 1.光衰指数曲线 LED 射灯的角度，一般以 50%峰值光强的光束角来定义。如图 2 是一个 LED 射灯的极坐 标光强分布曲线，可以看出，50%光强对应的角度分别为±20°左右，因此这个射灯的角度 为 40°。 图 2.LED 射灯极坐标光强分布曲线 二、常见 LED 射灯的规格及类型 现阶段的 LED 射灯主要以替代传统卤钨灯为主，因此外形尺寸是参照 IEC 60630 标准， 灯头参照 IEC 60061-1 标准。根据传统射灯情况，目前的 LED 射灯主要有 MR16、PAR16、PAR20、 PAR30、PAR38 这几种。其中 MR16 通常采用 GU5.3 灯头；PAR16 主要采用 GU10、E26（美洲） /E27（欧洲及中国）、E14 灯头；PAR20/PA30/PAR38 主要采用 E26、E27 灯头。 ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 图 3. 各种灯头（从左至右依次为 E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3） 三、常见 LED 射灯的结构简析 目前的 LED 射灯均为自镇流式，即 LED 驱动电源全部内置在灯体内部，直接接电即可使 用。 图 4.LED 射灯（PAR16-GU10）拆解图 如上图的射灯拆解图可以看到，目前的 LED 射灯主要光学器件（透镜、反光杯）、LED 光源、散热器、驱动电源、灯头这几部分组成。但各厂家的 LED 射灯，由于采用的材料、工 艺、LED 封装方式不同，使得射灯在设计和加工上会有一些差别。 1.LED 光源及光学器件 目前的 LED 射灯主要采用多颗大功率 LED 及集成封装 LED 制作，如图 5 和图 6 所示。 图 5.多颗大功率 LED 图 6.集成封装 LED 射灯 采用多颗大功率 LED 的方式，通常需要一个电路板将 LED 做电气连接。该电路板大多使 用铝基板制作（MCPCB）；对于一些设计也有采用玻纤板（FR-4）制作，但需要专门设计散 热焊盘。然后用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。多颗大功率 LED 制作的射灯，透镜 通常是采用对每颗 LED 进行独立配光的，再组合成一个光斑透镜。 采用集成封装 LED 制作的射灯，不需要电路板，可以直接将驱动电源输出线连接到 LED 灯上。同样是采用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。该种射灯的二次光学，通常采用 一个透镜或反光杯的方式进行配光，透镜和反光杯的高度都较高，小角度的配光有难度。 此外，对于大出光面得射灯，大多采用多个光学器件组合的方式完成整个灯具的二次配 光设计，如图 7 所示。 ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 图 7.多个光学器件组合的射灯 2.LED 驱动电源 目前的LED射灯大多为内置电源的自镇流式射灯。内置LED驱动主要采用开关电源实现， 分隔离式和非隔离式。隔离电源的初级和次级形成了电气隔离，在射灯设计时，只需要将电 源初级与外壳或其它人体可接触部分做好充分的防触电即可，而次级通常为安全电压，可做 简单防护即可。这类电源相对安全可靠，但要求放置空间大，其转换效率也较低。非隔离电 源由于初次级之间未做电气隔离，需在结构上做更严格的防护隔离，但该类电源效率高，体 积小。除开关电源外，还有多种其它 LED 驱动方式，但其安全性和可靠性都较低，需要在结 构设计上多做努力，以满足相关安全要求。此外，由于电源内置，通常元器件温度都很高， 将直接影响到 LED 射灯的使用寿命和稳定性。因此很多厂家都采用灌胶的方式，改善电源的 散热能力，并提高电源与散热外壳的绝缘性，如果 8 所示。 图 8.电源灌胶射灯 由于 LED 的可控制性，因此各厂家都有开发可调光的的 LED 射灯。现有的主要调光方式 有可控硅调光、PWM 调光、0-10V 调光、DALI 调光、DMX51 调光、电力载波调光等，都是通 过控制 LED 的驱动电流或电压的方式，改变 LED 的亮度。 3.灯壳散热器 灯壳散热器是考量各厂商设计能力的主要地方。大多数厂家的散热器都是采用铝材质， 加工工艺有机加工及模具成型等方式。在结构设计上，各厂家为了加大射灯的散热能力，通 常采用翅片的方式，如图 9 所示。 ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 图 9.带翅片的 LED 射灯散热器 图 10.镶件注塑散热器 另外，灯壳部分也有用导热塑胶或陶瓷材料制作的，均采用模具成型的方式。这两种材 料具有良好的绝缘性能，可使产品具有高的电气安全性能，便于内部 LED 驱动的安全隔离。 但这两种材料的导热系数较低，不利于热传导，对于对热传导要求不高的室内产品可以使用。 此外塑胶材料还有重量轻的特点，可以使 LED 射灯的重量得到大幅度的减轻。 四、LED 射灯的选购常识 射灯根据出光面大小可分为 PAR16、PAR20、PAR30、PAR38 这几种，常用灯头有 GU10、 E27、E14等，这类射灯都是采用市电85~265VAC供电。此外还有一种MR16射灯，灯头为GU5.3， 是采用 12VAC 供电，其前端还有一个电子变压器或工频变压器将市电 22OVAC 转换为 12VAC。 射灯的角度一般在 65°以下，主要用于局部照明、重点照明等场合。各厂家的角度大 多集中在 12°、24°、36°这几种范围。 根据《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》，室内照明光源相关色温可分为三组，小于 3300K 为暖色，适用于客房、卧室、病房、酒吧、餐厅；3300K～5300K 为中间色，适用于办 公室、教室、阅览室、诊室、检验室、机加工车间、仪表装配；大于 5300K 为冷色，适用于 热加工车间、高照度场所[1]。目前国际国内相关标准基本是引用《ANSI C78.377》，将色温 分为 2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K、6500K 这几个档次，各色温允 许的色容差范围如表一。 表一.LED 色温色容差范围 ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 因此 LED 射灯通常也按此进行色温分类。但 LED 射灯主要应用于室内照明，色温主要集 中在 2700K、3000K、4000K 和 5700K 这几个档次。 在《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》中规定，长期工作或停留的房间或场所，照明 光源的显色指数(Ra)不宜小于 80。在灯具安装高度大于 6m 的工业建筑场所，Ra 可低于 80， 但必须能够辨别安全色[1]。 在 LED 射灯选购时，需详细阅读厂家提供的说明书或包装说明，确定产品的供电电压以 及产品相关参数，包括光通量、色温、功率、显色指数、角度等。在室内照明中，进行 LED 射灯选购时，首先要确定是采用市电直接供电，还是采用变压器转换后供电，以此来选择是 购买 MR16 还是其它射灯；其次要确定射灯的灯头和出光尺寸；然后还需确认你所需射灯的 角度范围；最后可根据上述《GB 50034-2004 建筑照明设计标准》要求，根据使用场合确认 色温、显色指数以便达到想要的照明效果。如果对灯具参数不是很懂的情况下，可以查看包 装上的等效标示，看等效于多少功率的传统灯具，从而进行选择。 由于现有各厂家的 LED 射灯良莠不齐，很多厂家为了解决散热和电源放置空间的问题， 不是完全参照 IEC 60630 设计射灯外形，而射灯在有些时候是作为一些灯具的光源使用，因 此需要明确该 LED 射灯是否可以装入该灯具内。如果不能装入，还需要再购买与之相匹配的 灯具外壳，进行整体式替换。对于 MR16 射灯，由于其前端有一个电子变压器或工频变压器， 购买 MR16 时还需要确认是否可以与该变压器兼容。如果不兼容就会出现灯闪或不亮的情况。 对于可控硅调光的射灯，还需要考虑灯具与调光器的兼容性问题，否则会出现调光时灯闪烁 或不能调光的现象。 五、LED 射灯发展方向及其规格接口标准化思考 目前的 LED 射灯都是以替代传统卤钨灯射灯为主，受其外形、灯头和安装要求的限制， 使得 LED 射灯的设计面临许多的困难。在现有射灯标准的尺寸范围内，很难将一个 LED 射灯 做到高功率和高光通量，同时配光、散热、电气安全等方面也面临诸多困难，不能体现 LED 的长寿命、高光效等特点，不利于 LED 照明的健康发展。 LED 本是一种新型光源，LED 射灯是最早能体现 LED 特点的应用产品之一。应根据 LED 特点，制定一套新型的 LED 射灯规格接口标准。对 LED 射灯的外形尺寸、模组分块、参数分 档、标准接口等进行规定，实现 LED 的模块化和互换性，从而推进 LED 照明的健康发展。 目前，国际上的 ZHAGA 联盟，其吸引了来自美国、亚洲和欧洲数百家灯具、光源、LED 模组等制造商及行业相关企业，已经在开展 LED 灯具的规格接口标准制定。其致力于加强 LED 模组及其控件在机械、测试、参数等方面的兼容性。相关技术已经有出版，部分已 修订多次。在中国，由国家半导体照明工程研发及产业联盟牵头组织了九洲光电等多家企业， 也在积极开展相关工作。 六、小结 随着 LED 技术的不断成熟、成本的不断降低，LED 射灯已初步获得普及，将大量应用到 各种场合，但 LED 射灯的发展和普及还面临着许多的问题。如何开发高性价比的 LED 射灯； 如何解决高功率、高光通量 LED 射灯的散热问题；如何实现 LED 射灯的模块化和互换性；如 ? ? LE D? w w w .c n l e d w .c o m 何充分体现 LED 的长寿命、高光效、可控性特点，让老百姓可以享受到丰富多彩的照明下， 获得更实惠、更安全可靠的 LED 产品，还需要各厂家及业界人士共同努力。 参考文献： [1] GB 50034-2004《 建筑照明设计标准》 [2] IEC 60630《Maximum lamp outlines for incandescent lamps》 [3] IEC 60061-1《Lamp caps and holders together with gauges for the control of interchangeability and safety –Part 1:Lamp caps》 [4] 《Energy Star Program Requirements for Integral LED Lamps Eligibility Criteria V1.4》 [5] CQC3129-2010《反射型自镇流 LED 灯节能技术规范》 [6] GB 24906_2010《普通照明用 50V 以上自镇流 LED 灯安全要求》 [7] GB17743《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》 [8] 《ANSI C78.377》