LED技術(shù)的快速發(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。相比傳統(tǒng)燈具，LED射燈在節(jié)能及長壽命方面具有顯著優(yōu)勢。隨著LED射燈成本的降低，LED射燈的應(yīng)用也逐步開始普及。本文將從LED射燈的技術(shù)要求，常見LED射燈的規(guī)格及類型， LED射燈結(jié)構(gòu)，LED射燈選購常識，以及LED射燈發(fā)展方向這幾個(gè)方面做簡單介紹和思考。
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，國際上主要以歐洲CE和北美UL認(rèn)證為主，在中國可進(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 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，對于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)。
另外，在LED射燈的性能方面，也有諸多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。美國有能源之星(ENERGY STAR)有相關(guān)要求;中國有節(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)稱功率、功率因數(shù)、產(chǎn)品標(biāo)識等進(jìn)行了規(guī)定。
許多電子產(chǎn)品的壽命是以壞掉來評判，但LED是一種壽命很長的光源，可使用很久都不會壞。但光通量的輸出卻會隨著時(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的光衰越來越緩慢，要完整測試其光衰至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，通過采樣光衰數(shù)據(jù)，然后以指數(shù)函數(shù)來推算其光衰至70%的時(shí)間，推算公式如下：
通常對LED老化6000小時(shí)測試光通維持率LM(Lumen Maintains)，按照指數(shù)規(guī)律，若6000小時(shí)后LM >91.8%，便可宣稱25,000小時(shí)的壽命，若LM>94.1%可宣稱35,000小時(shí)的壽命，但壽命推算的時(shí)間不超過測試時(shí)間的6倍。
圖1.光衰指數(shù)曲線
LED射燈的角度，一般以50%峰值光強(qiáng)的光束角來定義。如圖2是一個(gè)LED射燈的極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線，可以看出，50%光強(qiáng)對應(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LED射燈的規(guī)格及類型
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)、E14燈頭;PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27燈頭。
圖3. 各種燈頭(從左至右依次為E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3)
三、常見LED射燈的結(jié)構(gòu)簡析
目前的LED射燈均為自鎮(zhèn)流式，即LED驅(qū)動電源全部內(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
如上圖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)動電源、燈頭這幾部分組成。但各廠家的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和圖6所示。
圖5.多顆大功率LED 圖6.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);對于一些設(shè)計(jì)也有采用玻纖板(FR-4)制作，但需要專門設(shè)計(jì)散熱焊盤。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)動電源輸出線連接到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7所示。
圖7.多個(gè)光學(xué)器件組合的射燈
2.LED驅(qū)動電源
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)動主要采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，分隔離式和非隔離式。隔離電源的初級和次級形成了電氣隔離，在射燈設(shè)計(jì)時(shí)，只需要將電源初級與外殼或其它人體可接觸部分做好充分的防觸電即可，而次級通常為安全電壓，可做簡單防護(hù)即可。這類電源相對安全可靠，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，但該類電源效率高，體積小。除開關(guān)電源外，還有多種其它LED驅(qū)動方式，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8所示。
圖8.電源灌膠射燈
由于LED的可控制性，因此各廠家都有開發(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，都是通過控制LED的驅(qū)動電流或電壓的方式，改變LED的亮度。
3.燈殼散熱器
燈殼散熱器是考量各廠商設(shè)計(jì)能力的主要地方。大多數(shù)廠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，各廠家為了加大射燈的散熱能力，通常采用翅片的方式，如圖9所示。
圖9.帶翅片的LED射燈散熱器 圖10.鑲件注塑散熱器
四、LED射燈的選購常識
射燈根據(jù)出光面大小可分為PAR16、PAR20、PAR30、PAR38這幾種，常用燈頭有GU10、E27、E14等，這類射燈都是采用市電85~265VAC供電。此外還有一種MR16射燈，燈頭為GU5.3，是采用12VAC供電，其前端還有一個(gè)電子變壓器或工頻變壓器將市電22OVAC轉(zhuǎn)換為12VAC。
射燈的角度一般在65°以下，主要用于局部照明、重點(diǎn)照明等場合。各廠家的角度大多集中在12°、24°、36°這幾種范圍。
根據(jù)《GB 50034-2004 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，室內(nèi)照明光源相關(guān)色溫可分為三組，小于3300K為暖色，適用于客房、臥室、病房、酒吧、餐廳;3300K～5300K為中間色，適用于辦公室、教室、閱覽室、診室、檢驗(yàn)室、機(jī)加工車間、儀表裝配;大于5300K為冷色，適用于熱加工車間、高照度場所[1]。目前國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本是引用《ANSI C78.377》，將色溫分為2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K、6500K這幾個(gè)檔次，各色溫允許的色容差范圍如表一。
表一.LED色溫色容差范圍
因此LED射燈通常也按此進(jìn)行色溫分類。但LED射燈主要應(yīng)用于室內(nèi)照明，色溫主要集中在2700K、3000K、4000K和5700K這幾個(gè)檔次。
在《GB 50034-2004 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，長期工作或停留的房間或場所，照明光源的顯色指數(shù)(Ra)不宜小于80。在燈具安裝高度大于6m的工業(yè)建筑場所，Ra可低于80，但必須能夠辨別安全色[1]。
在LED射燈選購時(shí)，需詳細(xì)閱讀廠家提供的說明書或包裝說明，確定產(chǎn)品的供電電壓以及產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，包括光通量、色溫、功率、顯色指數(shù)、角度等。在室內(nèi)照明中，進(jìn)行 LED射燈選購時(shí)，首先要確定是采用市電直接供電，還是采用變壓器轉(zhuǎn)換后供電，以此來選擇是購買MR16還是其它射燈;其次要確定射燈的燈頭和出光尺寸;然后還需確認(rèn)你所需射燈的角度范圍;最后可根據(jù)上述《GB 50034-2004 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，根據(jù)使用場合確認(rèn)色溫、顯色指數(shù)以便達(dá)到想要的照明效果。如果對燈具參數(shù)不是很懂的情況下，可以查看包裝上的等效標(biāo)示，看等效于多少功率的傳統(tǒng)燈具，從而進(jìn)行選擇。
由于現(xiàn)有各廠家的LED射燈良莠不齊，很多廠家為了解決散熱和電源放置空間的問題，不是完全參照IEC 60630設(shè)計(jì)射燈外形，而射燈在有些時(shí)候是作為一些燈具的光源使用，因此需要明確該LED射燈是否可以裝入該燈具內(nèi)。如果不能裝入，還需要再購買與之相匹配的燈具外殼，進(jìn)行整體式替換。對于MR16射燈，由于其前端有一個(gè)電子變壓器或工頻變壓器，購買MR16時(shí)還需要確認(rèn)是否可以與該變壓器兼容。如果不兼容就會出現(xiàn)燈閃或不亮的情況。對于可控硅調(diào)光的射燈，還需要考慮燈具與調(diào)光器的兼容性問題，否則會出現(xiàn)調(diào)光時(shí)燈閃爍或不能調(diào)光的現(xiàn)象。
五、LED射燈發(fā)展方向及其規(guī)格接口標(biāo)準(zhǔn)化思考
目前的LED射燈都是以替代傳統(tǒng)鹵鎢燈射燈為主，受其外形、燈頭和安裝要求的限制，使得LED射燈的設(shè)計(jì)面臨許多的困難。在現(xiàn)有射燈標(biāo)準(zhǔn)的尺寸范圍內(nèi)，很難將一個(gè)LED射燈做到高功率和高光通量，同時(shí)配光、散熱、電氣安全等方面也面臨諸多困難，不能體現(xiàn)LED的長壽命、高光效等特點(diǎn)，不利于LED照明的健康發(fā)展。
LED本是一種新型光源，LED射燈是最早能體現(xiàn)LED特點(diǎn)的應(yīng)用產(chǎn)品之一。應(yīng)根據(jù)LED特點(diǎn)，制定一套新型的LED射燈規(guī)格接口標(biāo)準(zhǔn)。對LED射燈的外形尺寸、模組分塊、參數(shù)分檔、標(biāo)準(zhǔn)接口等進(jìn)行規(guī)定，實(shí)現(xiàn)LED的模塊化和互換性，從而推進(jìn)LED照明的健康發(fā)展。
目前，國際上的ZHAGA聯(lián)盟，其吸引了來自美國、亞洲和歐洲數(shù)百家燈具、光源、LED模組等制造商及行業(yè)相關(guān)企業(yè)，已經(jīng)在開展LED燈具的規(guī)格接口標(biāo)準(zhǔn)制定。其致力于加強(qiáng)LED模組及其控件在機(jī)械、測試、參數(shù)等方面的兼容性。相關(guān)技術(shù)規(guī)范已經(jīng)有出版，部分已修訂多次。在中國，由國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭組織了九洲光電等多家企業(yè)，也在積極開展相關(guān)工作。
六、小結(jié)
隨著LED技術(shù)的不斷成熟、成本的不斷降低，LED射燈已初步獲得普及，將大量應(yīng)用到各種場合，但LED射燈的發(fā)展和普及還面臨著許多的問題。如何開發(fā)高性價(jià)比的LED射燈;如何解決高功率、高光通量LED射燈的散熱問題;如何實(shí)現(xiàn)LED射燈的模塊化和互換性;如何充分體現(xiàn)LED的長壽命、高光效、可控性特點(diǎn)，讓老百姓可以享受到豐富多彩的照明下，獲得更實(shí)惠、更安全可靠的LED產(chǎn)品，還需要各廠家及業(yè)界人士共同努力。
參考文獻(xiàn)：
[1] GB 50034-2004《 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》
[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《反射型自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能技術(shù)規(guī)范》
[6] GB 24906_2010《普通照明用50V以上自鎮(zhèn)流LED燈安全要求》
[7] GB17743《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》
[8] 《ANSI C78.377》
