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LED灯具与传统灯具的差异

  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灯
LED封装(LEDpackage):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(LEDarrayormodule):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(LEDlightEngine):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(LEDlamp,nonintegrated):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(LEDlamp,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(LEDluminaire)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(HybridLEDluminaire. :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(LEDdriver):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
灯具的光学系统是灯具的灵魂,其目的是根据选定光源的特性设计一个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:
(1)LED灯具光学系统一般由LED 芯片和透镜组成LED单元或LED单元阵列组成,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的光电特性对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。出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LED是2V~3V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。
当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**高调激励使用SSL产品。

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