LED射燈燈具全方位解析

隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，光效的不斷提升，LED射燈技術(shù)也在快速發(fā)展。目前的LED射燈幾乎是以替代傳統(tǒng)鹵鎢燈為主。和傳統(tǒng)燈具相比，LED射燈在節(jié)能及長(zhǎng)壽命方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。隨著LED射燈成本的降低，LED射燈的應(yīng)用也逐步開(kāi)始普及?！禠ED射燈燈具全方位解析》分為上下兩集，上集筆者先從LED射燈的技術(shù)要求，常見(jiàn)的規(guī)格類(lèi)型及結(jié)構(gòu)給大家講起。

(一)LED射燈技術(shù)要求

現(xiàn)階段的LED射燈，主要以替代傳統(tǒng)鹵鎢燈為主，相關(guān)的安全要求大多參考傳統(tǒng)照明要求，并根據(jù)LED燈的特點(diǎn)，形成了一套安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。目前，在LED射燈的認(rèn)證方面，國(guó)際上主要以歐洲CE和北美UL認(rèn)證為主，在中國(guó)可進(jìn)行自愿性認(rèn)證(CQC)。

在CE認(rèn)證里包含LVD和EMC兩個(gè)方面，其中LVD是按照EN60968標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行(將升級(jí) IEC 62560);EMC按照EN55015、EN61547、EN61000-3-2和EN61000-3-3標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。此外，LED燈通常還需要額外參照IEC 62471，進(jìn)行光生物安全方面測(cè)試。在北美，通常需要進(jìn)行UL安全和FCC電磁兼容認(rèn)證。UL執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為UL1993、UL8750和UL1310;FCC執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為FCC PART15 Subpart B。在中國(guó)，對(duì)于LED射燈是采用自愿性認(rèn)證(CQC)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB24906-2010(安全)和GB 17743-2007(電磁兼容)。[!--empirenews.page--]

另外，在LED射燈的性能方面，也有諸多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。美國(guó)有能源之星(ENERGY STAR)有相關(guān)要求;中國(guó)有節(jié)能認(rèn)證要求，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為CQC 3129-2010。這些要求中，均對(duì)LED射燈的色溫、顯色指數(shù)、初始光通量、光效、光通維持率、壽命、中心光強(qiáng)、標(biāo)稱(chēng)功率、功率因數(shù)、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)等進(jìn)行了規(guī)定。

推算公式

許多電子產(chǎn)品的壽命是以壞掉來(lái)評(píng)判，但LED是一種壽命很長(zhǎng)的光源，可使用很久都不會(huì)壞。但光通量的輸出卻會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因此行業(yè)內(nèi)通常用光衰至70%所需的時(shí)間來(lái)定義LED光源的壽命，即L70。隨著技術(shù)的進(jìn)步，LED的光衰越來(lái)越緩慢，要完整測(cè)試其光衰至70%的時(shí)間也難以做到。由于電子產(chǎn)品的壽命呈指數(shù)規(guī)律，因此LED通常做較短時(shí)間的老化，通過(guò)采樣光衰數(shù)據(jù)，然后以指數(shù)函數(shù)來(lái)推算其光衰至70%的時(shí)間，推算公式如上圖所示。

LED射燈規(guī)格及類(lèi)型

常見(jiàn)LED射燈規(guī)格及類(lèi)型

通常對(duì)LED老化6000小時(shí)測(cè)試光通維持率LM(Lumen Maintains)，按照指數(shù)規(guī)律，若6000小時(shí)后LM>91.8%，便可宣稱(chēng)25,000小時(shí)的壽命，若LM>94.1%可宣稱(chēng)35,000小時(shí)的壽命，但壽命推算的時(shí)間不超過(guò)測(cè)試時(shí)間的6倍。[!--empirenews.page--]

圖1：光衰指數(shù)曲線(xiàn)

圖2：LED射燈極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線(xiàn)

LED射燈的角度，一般以50%峰值光強(qiáng)的光束角來(lái)定義。如圖2是一個(gè)LED射燈的極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線(xiàn)，可以看出，50%光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的角度分別為±20°左右，因此這個(gè)射燈的角度為40°。

(二)常見(jiàn)LED射燈的規(guī)格及類(lèi)型

圖3：不同燈頭(從左至右為E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3)[!--empirenews.page--]

現(xiàn)階段的LED射燈主要以替代傳統(tǒng)鹵鎢燈為主，因此外形尺寸是參照IEC 60630標(biāo)準(zhǔn)，燈頭參照IEC 60061-1標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)傳統(tǒng)射燈情況，目前的LED射燈主要有MR16、PAR16、PAR20、PAR30、PAR38這幾種。其中MR16通常采用GU5.3燈頭;PAR16主要采用GU10、E26(美洲)/E27(歐洲及中國(guó))、E14燈頭;PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27燈頭。

LED射燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

(三)常見(jiàn)LED射燈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

目前的LED射燈均為自鎮(zhèn)流式，即LED驅(qū)動(dòng)電源全部?jī)?nèi)置在燈體內(nèi)部，直接接電即可使用。

圖4：LED射燈(PAR16-GU10)拆解圖

如圖4的射燈拆解圖可以看到，目前的LED射燈主要光學(xué)器件(透鏡、反光杯)、LED光源、散熱器、驅(qū)動(dòng)電源、燈頭這幾部分組成。但各廠(chǎng)家的LED射燈，由于采用的材料、工藝、LED封裝方式不同，使得射燈在設(shè)計(jì)和加工上會(huì)有一些差別。

1. LED光源及光學(xué)器件

目前的LED射燈主要采用多顆大功率LED及集成封裝LED制作，如圖5所示。[!--empirenews.page--]

圖5：第一張為多顆大功率LED(第二、三張為集成封裝LED射燈)

采用多顆大功率LED的方式，通常需要一個(gè)電路板將LED做電氣連接。該電路板大多使用鋁基板制作(MCPCB);對(duì)于一些設(shè)計(jì)也有采用玻纖板(FR-4)制作，但需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)散熱焊盤(pán)。然后用螺絲或膠粘的方式固定在燈殼散熱器上。多顆大功率LED制作的射燈，透鏡通常是采用對(duì)每顆LED進(jìn)行獨(dú)立配光的，再組合成一個(gè)光斑透鏡。

采用集成封裝LED制作的射燈，不需要電路板，可以直接將驅(qū)動(dòng)電源輸出線(xiàn)連接到LED燈上。同樣是采用螺絲或膠粘的方式固定在燈殼散熱器上。該種射燈的二次光學(xué)，通常采用一個(gè)透鏡或反光杯的方式進(jìn)行配光，透鏡和反光杯的高度都較高，小角度的配光有難度。

此外，對(duì)于大出光面得射燈，大多采用多個(gè)光學(xué)器件組合的方式完成整個(gè)燈具的二次配光設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6：多個(gè)光學(xué)器件組合的射燈

2. LED驅(qū)動(dòng)電源

目前的LED射燈大多為內(nèi)置電源的自鎮(zhèn)流式射燈。內(nèi)置LED驅(qū)動(dòng)主要采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，分隔離式和非隔離式。隔離電源的初級(jí)和次級(jí)形成了電氣隔離，在射燈設(shè)計(jì)時(shí)，只需要將電源初級(jí)與外殼或其它人體可接觸部分做好充分的防觸電即可，而次級(jí)通常為安全電壓，可做簡(jiǎn)單防護(hù)即可。這類(lèi)電源相對(duì)安全可靠，但要求放置空間大，其轉(zhuǎn)換效率也較低。非隔離電源由于初次級(jí)之間未做電氣隔離，需在結(jié)構(gòu)上做更嚴(yán)格的防護(hù)隔離，但該類(lèi)電源效率高，體積小。

圖7：電源灌膠射燈

除開(kāi)關(guān)電源外，還有多種其它LED驅(qū)動(dòng)方式，但其安全性和可靠性都較低，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上多做努力，以滿(mǎn)足相關(guān)安全要求。此外，由于電源內(nèi)置，通常元器件溫度都很高，將直接影響到LED射燈的使用壽命和穩(wěn)定性。因此很多廠(chǎng)家都采用灌膠的方式，改善電源的散熱能力，并提高電源與散熱外殼的絕緣性，如果7所示。[!--empirenews.page--]

由于LED的可控制性，因此各廠(chǎng)家都有開(kāi)發(fā)可調(diào)光的的LED射燈?，F(xiàn)有的主要調(diào)光方式有可控硅調(diào)光、PWM調(diào)光、0-10V調(diào)光、DALI調(diào)光、DMX51調(diào)光、電力載波調(diào)光等，都是通過(guò)控制LED的驅(qū)動(dòng)電流或電壓的方式，改變LED的亮度。

3. 燈殼散熱器

燈殼散熱器是考量各廠(chǎng)商設(shè)計(jì)能力的主要地方。大多數(shù)廠(chǎng)家的散熱器都是采用鋁材質(zhì)，加工工藝有機(jī)加工及模具成型等方式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，各廠(chǎng)家為了加大射燈的散熱能力，通常采用翅片的方式，如圖8所示。

圖8：帶翅片的LED射燈散熱器(左)　鑲件注塑散熱器(右)

另外，燈殼部分也有用導(dǎo)熱塑膠或陶瓷材料制作的，均采用模具成型的方式。這兩種材料具均有良好的絕緣性能，使產(chǎn)品具有高的電氣安全性能，便于LED驅(qū)動(dòng)的安全隔離。但這兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，不利于熱傳導(dǎo)，對(duì)于對(duì)熱傳導(dǎo)要求不高的室內(nèi)產(chǎn)品可以使用。此外塑膠材料還有重量輕的特點(diǎn)，可以使LED射燈的重量得到大幅度的減輕。[!--empirenews.page--]