LED照明燈具特性及LED標(biāo)準(zhǔn)解析

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(diǎn)和目前存在的問題，并與傳統(tǒng)燈具性能、評價(jià)和設(shè)計(jì)方面做了比較，同時(shí)針對國際電工委員會（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學(xué)會（IESNA）在LED燈具有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出版情況和我國LED燈具有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)的出版情況進(jìn)行了介紹。

LED進(jìn)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(diǎn)，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(jìn)一步提高，人們對LED燈具的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)動態(tài)，又需要熟悉和了解LED器件方面的知識，特別是要準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，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(fèi)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(diǎn)和目前存在的問題，并與傳統(tǒng)燈具性能、評價(jià)和設(shè)計(jì)方面做了比較，同時(shí)針對我國和國際上LED燈具標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行了介紹，點(diǎn)明應(yīng)結(jié)合LED燈具的技術(shù)要素來觀察和追蹤標(biāo)準(zhǔn)的變化和發(fā)展。

一、LED燈、燈具及相關(guān)定義

1、LED燈

LED封裝（LEDpackage）：包括焊線連接件或其他型式電氣連接件的一個(gè)或多個(gè)LED晶片的組件，可能帶有光學(xué)元件、熱學(xué)、機(jī)械和電氣接口。該裝置不包括電源和標(biāo)準(zhǔn)燈頭。該裝置不能直接與分支電路連接。

LED陣列或模塊（LEDarrayormodule）：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(jī)械和打算連接到LED驅(qū)動器負(fù)載側(cè)的電氣接口。該裝置不含電源和標(biāo)準(zhǔn)燈頭。該裝置不能直接與分支電路連接。

LED光引擎（LEDlightEngine）：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(jī)械和電氣元件的整體組合。該裝置要通過一個(gè)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(jì)成不使用標(biāo)準(zhǔn)燈座。

非整體式LED燈（LEDlamp,non-integrated）：含有LED陣列（模塊）或者LED封裝（元件）和標(biāo)準(zhǔn)燈頭的組件。該裝置打算通過標(biāo)準(zhǔn)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（LEDlamp,integrated）：包含LED封裝（元件）或LED陣列（模塊）、LED驅(qū)動器、標(biāo)準(zhǔn)燈頭以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣元件的整體組合。該裝置打算通過標(biāo)準(zhǔn)化的燈座直接與分支電路連接。

2、LED燈具

LED燈具（LEDluminaire）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(hù)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。基于LED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（HybridLEDluminaire）：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（LEDdriver）：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(jì)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(jì)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(gè)與燈具匹配的連接器，不是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的連接器，LED光引擎可以改善某些LED燈具的可維護(hù)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(jià)和設(shè)計(jì)方面存在著很多不同地方。

1、在LED燈具性能評價(jià)方面

a）色空間均勻度評價(jià)來評價(jià)LED燈具的存在的不同觀察角顏色差異。

傳統(tǒng)光源單個(gè)發(fā)光體的特征不同，LED燈具使用的LED燈是多個(gè)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(jià)來評價(jià)LED燈具顏色的空間分布情況。

b）用壽命來評價(jià)LED燈具的耐用性。

傳統(tǒng)光源的壽命性能的測量和評價(jià)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的燈的控制裝置來滿足要求，所以一般不評價(jià)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(biāo)準(zhǔn)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(jià)才能確定。在評價(jià) LED燈具壽命時(shí)，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(jià)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(jià)，而LED燈具使用光效評價(jià)。

d）不像傳統(tǒng)照明光源可單獨(dú)進(jìn)行光度測試，光度測量時(shí)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(dú)測量，光度測量時(shí)應(yīng)采用絕對法對燈具整體進(jìn)行光度測試。

2、在LED燈具設(shè)計(jì)方面

LED燈具在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣配件、散熱措施以及結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)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：

（1）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(shí)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(gè)LED單元或數(shù)十個(gè)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。

（2）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(qiáng)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(biāo)會偏移。出LED燈具壽命評價(jià)時(shí)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(jì)要件之一。LED燈具電氣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮燈具要使用LED特性和數(shù)量、燈具的安裝地點(diǎn)，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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)的連接件、充分絕緣、防觸電保護(hù)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(diǎn)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(jì)中主要目標(biāo)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(biāo)有相應(yīng)tc的驅(qū)動器。而驅(qū)動器獨(dú)立安裝時(shí)，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(jī)械部件和結(jié)構(gòu)

機(jī)械的作用是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)械防護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)散熱片應(yīng)設(shè)計(jì)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(jìn)行維護(hù)時(shí)，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(shí)，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(biāo)桿，我們對2007年至2009年檢測的200個(gè)LED路燈光度數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)發(fā)現(xiàn)，只有3個(gè)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(biāo)桿要求相差甚遠(yuǎn)，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(jì)只考慮了防浪涌干擾的功能，忽略了燈具安全標(biāo)準(zhǔn)中對電氣強(qiáng)度的要求，應(yīng)強(qiáng)調(diào)LED路燈設(shè)計(jì)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(zhǔn)確。

5、產(chǎn)品標(biāo)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(jì)者仍然不信任SSL產(chǎn)品。他們說需要更多的標(biāo)準(zhǔn)。

8、成本仍然太高，但政府高調(diào)激勵(lì)使用SSL產(chǎn)品。

四、國外LED燈具標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)LED燈具標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和測試方法來表征其性能和安全性，國家標(biāo)準(zhǔn)和測試方法對新照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)和培育消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)的出版情況以及正在制訂IECLED燈具有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)情況，同時(shí)就我國LED燈具有關(guān)的GB國家標(biāo)準(zhǔn)的出版情況進(jìn)行了介紹。

目前國內(nèi)LED燈具標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)（僅EMC）對應(yīng)的LED燈具有關(guān)GB國家標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)大部分集中在安全標(biāo)準(zhǔn)上，性能有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍缺乏。

在LED光生物安全性檢測標(biāo)準(zhǔn)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IEC60825-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(kuò)散光束輸出特性與激光存在顯著的不同，IEC60825-1標(biāo)準(zhǔn)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CIES009/E:2002《燈和等系統(tǒng)的光生物安全性》。此標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行評估，包括發(fā)光二極管（LED）但不包括激光。此標(biāo)準(zhǔn)適合用來評價(jià)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(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)改為 IEC62471.目前許多歐洲國家已經(jīng)開始使用IEC62471標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)制定完成，可以使用。為與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，我國也于2006年發(fā)布了等同采用IEC62471的國家標(biāo)準(zhǔn)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。