LED 燈具特性及其標準解析
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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 2、 目前國內(nèi)LED 燈具標準的情況 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。
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IEC LED 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）
LED 燈具有關(guān)的國家標準的出版情況（見表6 和表7）。
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。
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