LED照明燈具特性及LED標準解析

本文從LED燈、燈具及其現狀為切入口，在LED燈、燈具相關(guān)定義的基礎上，分析了LED燈具的特點(diǎn)和目前存在的問(wèn)題，并與傳統燈具性能、評價(jià)和設計方面做了比較，同時(shí)針對國際電工委員會(huì )（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學(xué)會(huì )（IESNA）在LED燈具有關(guān)標準的出版情況和我國LED燈具有關(guān)的國家標準的出版情況進(jìn)行了介紹。

LED進(jìn)入照明領(lǐng)域，引發(fā)了一場(chǎng)新的照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。由于不同形狀、數量，尺寸的LED可以按不同方式排列組合、不同LED替代燈中的LED結構可以不同等特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域中出現了各式各樣的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(zhù)LED技術(shù)的不斷提升和人們對照明感官視覺(jué)追求的進(jìn)一步提高，人們對LED燈具的設計和性能要求上更加具體，這就對燈具制造商和照明產(chǎn)品設計師提出更高的要求。

半導體LED固態(tài)照明是近年來(lái)新近發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，對照明終端產(chǎn)品設計師和燈具制造人員而言，既需要掌握傳統照明行業(yè)的知識、國內外標準動(dòng)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照明燈具差異性。由于半導體行業(yè)和照明電器行業(yè)分屬不同行業(yè)、以及目前對半導體LED固態(tài)照明（SSL）缺乏足夠的標準支撐，現階段國內LED照明產(chǎn)品存在魚(yú)龍混雜的現象，制造商聲稱(chēng)的產(chǎn)品性能往往與實(shí)際結果相差甚遠，顏色質(zhì)量、壽命預測上更是極度夸大，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、燈具及其現狀為切入口，在LED燈、燈具相關(guān)定義的基礎上，分析了LED燈具的特點(diǎn)和目前存在的問(wèn)題，并與傳統燈具性能、評價(jià)和設計方面做了比較，同時(shí)針對我國和國際上LED燈具標準情況進(jìn)行了介紹，點(diǎn)明應結合LED燈具的技術(shù)要素來(lái)觀(guān)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（LEDpackage）：包括焊線(xiàn)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（LEDarrayormodule）：在印刷線(xiàn)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驅動(dòng)器負載側的電氣接口。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（LEDlightEngine）：包含LED封裝（元件）或LED陣列（模塊）、LED驅動(dòng)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(guò)一個(gè)與LED燈具匹配的常規連接器直接連接到分支電路，該LED燈具設計成不使用標準燈座。

非整體式LED燈（LEDlamp,non-integrated）：含有LED陣列（模塊）或者LED封裝（元件）和標準燈頭的組件。該裝置打算通過(guò)標準燈座連接到燈具的LED驅動(dòng)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驅動(dòng)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(guò)標準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)光元件和匹配的驅動(dòng)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（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(lèi)型光源的燈具。

3、LED驅動(dòng)器

LED驅動(dòng)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別LED燈和LED燈具提供了依據，總體來(lái)說(shuō)LED光源和LED燈具的主要區別在于是否與分支電路直接連接，LED燈是一種設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燈的區別是它含有一個(gè)與燈具匹配的連接器，不是標準燈頭，而與 LED燈具的區別是它不能與分支電路直接連接。由于可以具有設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燈具與傳統光源燈具的差異性

目前LED燈具與傳統光源燈具就性能、評價(jià)和設計方面存在著(zhù)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(lái)評價(jià)LED燈具的存在的不同觀(guān)察角顏色差異。

傳統光源單個(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(lái)評價(jià)LED燈具顏色的空間分布情況。

b）用壽命來(lái)評價(jià)LED燈具的耐用性。

傳統光源的壽命性能的測量和評價(jià)已經(jīng)標準化，而且具有互換性，所以傳統光源燈具的壽命可以通過(guò)替換損壞的光源、以及按10年壽命設計的燈的控制裝置來(lái)滿(mǎn)足要求，所以一般不評價(jià)傳統光源燈具的壽命。LED燈具的壽命與LED本身壽命、LED驅動(dòng)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(guò)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(chēng)光通維持壽命（LX），還要聲稱(chēng)失效率（FX）。

c）燈具可以利用的光通量比例的評價(jià)參數和傳統燈具不同。傳統照明燈具用燈具效率來(lái)評價(jià)，而LED燈具使用光效評價(jià)。

d）不像傳統照明光源可單獨進(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光源從燈具內分離出來(lái)單獨測量，光度測量時(shí)應采用絕對法對燈具整體進(jìn)行光度測試。

2、在LED燈具設計方面

LED燈具在光學(xué)系統設計、電氣配件、散熱措施以及結構等設計方面與傳統光源的燈具相比有明顯出別。

a）光學(xué)系統

燈具的光學(xué)系統是燈具的靈魂，其目的是根據選定光源的特性設計一個(gè)符合具體照明要求的燈具光學(xué)系統。通常傳統光源燈具的光學(xué)系統由光源、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，燈具的光度系統與傳統光源燈有很大區別。具體表現特征如下：

（1）LED燈具光學(xué)系統一般由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。燈具制造商可根據照明需求，將多個(gè)LED單元或數十個(gè)LED單元組合在基板上，應注意控制組合后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結溫度的變化非常敏感；封裝樹(shù)脂在高溫和強光照射下會(huì )快速劣化；長(cháng)期的光輻射會(huì )使熒光粉的光致轉換率逐漸降低，并導致色座標會(huì )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驅動(dòng)電源是構成LED燈具性能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素，也是燈具選擇或設計要件之一。LED燈具電氣設計應考慮燈具要使用LED特性和數量、燈具的安裝地點(diǎn)，以及燈具在電網(wǎng)中的位置來(lái)考慮電氣安全、恒流驅動(dòng)、抗擾度和EMI,選擇或設計合適的LED驅動(dòng)電源。

由于LED是2V~3V的低電壓恒流源驅動(dòng)，所以不象普通的白熾燈泡可以直接連接220V的交流市電，必須要設計電源和控制電路來(lái)驅動(dòng)LED.此外，LED模組的電氣連接也是LED燈具電氣系統的重要組成部分，應充分考慮安全性，應采用標準的連接件、充分絕緣、防觸電保護等。

c）散熱措施

與傳統光源燈具一樣，LED燈具也是會(huì )發(fā)熱的，LED燈具的熱來(lái)自L(fǎng)ED光電轉換中的損耗以及LED驅動(dòng)電源。與傳統電光源發(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，由于轉換效率的問(wèn)題，輸出的大部分能量主要以非輻射復合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉化熱能。而熱量在 LED內的傳遞的方式不是輻射而是傳導。所以在LED燈具散熱設計中主要目標是有效地將LED芯片的熱有效地傳導出去，并有效地控制LED燈具內LED結溫。

對于LED燈具，除了LED是發(fā)熱部件外，LED燈具中的驅動(dòng)器也是發(fā)熱部件，為了保證具有與LED光源協(xié)調的壽命，LED驅動(dòng)器的熱控制也非常重要，如果采用內裝的驅動(dòng)電源，燈具應根據其內環(huán)境溫度選擇標有相應tc的驅動(dòng)器。而驅動(dòng)器獨立安裝時(shí)，則應根據安裝地可能的環(huán)境溫度選擇相應tc驅動(dòng)器。

d）機械部件和結構

機械的作用是通過(guò)結構設計把燈具的光學(xué)系統、電氣系統和熱系統的位置和相互關(guān)系確定下來(lái)，使燈具得以在設定的環(huán)境中固定并安全的使用。

傳統燈具的機械系統由固定光源、反射器、燈的控制裝置等部件的結構、軟纜或軟線(xiàn)的走線(xiàn)結構、密封結構、機械防護結構、燈具固定結構和燈具調節結構等部分構成，具體由燈座或光源連接器、燈座安裝支架、軟線(xiàn)固定架、接線(xiàn)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光源燈具類(lèi)似內部結構以外，其他LED燈不帶有標準燈頭，這種情況下，LED燈具具有如下結構特征：

LED燈具中沒(méi)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光源燈具大得多，燈具的安裝結構應作相應考慮，以保證安裝的安全性和可靠性。同時(shí)散熱片應設計成容易清潔或不容易積灰的結構，否則，散熱片的效率會(huì )很快降低。

當LED燈具使用了電源線(xiàn)，而且電源線(xiàn)是可以拆卸進(jìn)行維護時(shí)，屬于非Z型連接，與非Z型連接的傳統光源一樣，LED燈具也應使用軟線(xiàn)固定架。

三、LED燈具存在的問(wèn)題

由于LED具有的多重特殊性，我們對它的美好未來(lái)充滿(mǎn)期待的同時(shí)，也不應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作為標桿，我們對2007年至2009年檢測的200個(gè)LED路燈光度數據進(jìn)行評價(jià)發(fā)現，只有3個(gè)LED路燈能夠滿(mǎn)足DOE規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?jiǎn)?wèn)題。

LED路燈的EMS設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，應強調LED路燈設計輸入的充分性，在滿(mǎn)足安全要求的基礎上考慮其他功能。

3、市場(chǎng)上存在一些質(zhì)量非常差的產(chǎn)品，表現為不明亮、短壽命、顏色差。

4、產(chǎn)品聲稱(chēng)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(wèn)題，如顯色性。

7、照明設計者仍然不信任SSL產(chǎn)品。他們說(shuō)需要更多的標準。

8、成本仍然太高，但政府高調激勵使用SSL產(chǎn)品。

四、國外LED燈具標準和國內LED燈具標準的情況

類(lèi)似傳統照明產(chǎn)品，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的LED照明燈具需要依賴(lài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展標準和測試方法來(lái)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(huì )（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學(xué)會(huì )（IESNA）LED燈具有關(guān)標準的出版情況以及正在制訂IECLED燈具有關(guān)的標準情況，同時(shí)就我國LED燈具有關(guān)的GB國家標準的出版情況進(jìn)行了介紹。

目前國內LED燈具標準的情況

從上面總結的表格中可以看出，與LED燈具有關(guān)國際IEC標準（僅EMC）對應的LED燈具有關(guān)GB國家標準（僅EMC）基本滿(mǎn)足現行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。

在LED光生物安全性檢測標準上，由于LED出身于半導體行業(yè)，一直以來(lái)，LED的光生物安全問(wèn)題都是按照IEC60825-1標準進(jìn)行衡量。然而，隨著(zhù)研究水平的不斷深入，人們發(fā)現LED的寬光譜和擴散光束輸出特性與激光存在顯著(zhù)的不同，IEC60825-1標準明顯不能夠完全滿(mǎn)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《燈和等系統的光生物安全性》。此標準可對發(fā)射200nm到3000nm波長(cháng)范圍的燈和燈系統光學(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。此標準適合用來(lái)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光生物安全的標準已經(jīng)改為 IEC62471.目前許多歐洲國家已經(jīng)開(kāi)始使用IEC62471標準進(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IEC62471的國家標準GB/T20145-2006《燈和等系統的光生物安全性》，為L(cháng)ED燈具光生物安全性能檢測提供技術(shù)支撐。