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、燈具相關定義的基礎上，分析了LED燈具的特點和目前存在的問題，并與傳統燈具性能、評價和設計方面做了比較，同時針對國際電工委員會（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學會（IESNA）在LED燈具有關標準的出版情況和我國LED燈具有關的國家標準的出版情況進行了介紹。

　　LED進入照明領域，引發了一場新的照明技術領域的革命。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，在照明領域中出現了各式各樣的LED照明產品（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LED技術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燈具的設計和性能要求上更加具體，這就對燈具制造商和照明產品設計師提出更高的要求。

　　半導體LED固態照明是近年來新近發展起來的產業，對照明終端產品設計師和燈具制造人員而言，既需要掌握傳統照明行業的知識、國內外標準動態，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。由于半導體行業和照明電器行業分屬不同行業、以及目前對半導體LED固態照明（SSL）缺乏足夠的標準支撐，現階段國內LED照明產品存在魚龍混雜的現象，制造商聲稱的產品性能往往與實際結果相差甚遠，顏色質量、壽命預測上更是極度夸大，這對我國LED照明產業的發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、燈具相關定義的基礎上，分析了LED燈具的特點和目前存在的問題，并與傳統燈具性能、評價和設計方面做了比較，同時針對我國和國際上LED燈具標準情況進行了介紹，點明應結合LED燈具的技術要素來觀察和追蹤標準的變化和發展。

　　一、LED燈、燈具及相關定義

　　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或多個LED晶片的組件，可能帶有光學元件、熱學、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）：在印刷線路板或基板上的LED封裝（元件）或晶片的組件，可能帶有光學元件、附加的熱、機械和打算連接到LED驅動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驅動器、以及其他光度、熱學、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。該裝置打算通過標準燈座連接到燈具的LED驅動器。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驅動器、標準燈頭以及其他光度、熱學、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（LEDluminaire）是包括基于LED的發光元件和匹配的驅動器，以及配光部件、固定和保護發光元件的部件、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驅動器

　　LED驅動器（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相關的上述定義為我們區別LED燈和LED燈具提供了依據，總體來說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品，而LED燈具是一種設計成要直接連接到分支電路的產品。

　　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、評價和設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。

　　傳統光源單個發光體的特征不同，LED燈具使用的LED燈是多個發光體組成并發光的，LED燈具中的發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。

　　傳統光源的壽命性能的測量和評價已經標準化，而且具有互換性，所以傳統光源燈具的壽命可以通過替換損壞的光源、以及按10年壽命設計的燈的控制裝置來滿足要求，所以一般不評價傳統光源燈具的壽命。LED燈具的壽命與LED本身壽命、LED驅動器以及燈具提供給LED的環境等諸多因素有關，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和傳統燈具不同。傳統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光源從燈具內分離出來單獨測量，光度測量時應采用絕對法對燈具整體進行光度測試。

　　2、在LED燈具設計方面

　　LED燈具在光學系統設計、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）光學系統

　　燈具的光學系統是燈具的靈魂，其目的是根據選定光源的特性設計一個符合具體照明要求的燈具光學系統。通常傳統光源燈具的光學系統由光源、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：

　?。?）LED燈具光學系統一般由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LED單元或數十個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。

　?。?）由于LED的光電特性對PN結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換率逐漸降低，并導致色座標會偏移。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驅動電源是構成LED燈具性能優劣的關鍵要素，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，以及燈具在電網中的位置來考慮電氣安全、恒流驅動、抗擾度和EMI,選擇或設計合適的LED驅動電源。

　　由于LED是2V~3V的低電壓恒流源驅動，所以不象普通的白熾燈泡可以直接連接220V的交流市電，必須要設計電源和控制電路來驅動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燈具也是會發熱的，LED燈具的熱來自LED光電轉換中的損耗以及LED驅動電源。與傳統電光源發光原理（白熾燈的熱幅射和熒光燈等的氣體放電）不同，LED的發光是電致發光，由于轉換效率的問題，輸出的大部分能量主要以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化熱能。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是發熱部件外，LED燈具中的驅動器也是發熱部件，為了保證具有與LED光源協調的壽命，LED驅動器的熱控制也非常重要，如果采用內裝的驅動電源，燈具應根據其內環境溫度選擇標有相應tc的驅動器。而驅動器獨立安裝時，則應根據安裝地可能的環境溫度選擇相應tc驅動器。

　　d）機械部件和結構

　　機械的作用是通過結構設計把燈具的光學系統、電氣系統和熱系統的位置和相互關系確定下來，使燈具得以在設定的環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、軟纜或軟線的走線結構、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光源燈具類似內部結構以外，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型連接的傳統光源一樣，LED燈具也應使用軟線固定架。

　　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，也不應回避它目前存在的一些不足。

　　1、我國生產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LED路燈光度數據進行評價發現，只有3個LED路燈能夠滿足DOE規定的路燈光度分布和能效的相關要求，合格率僅為1.5%.所測的LED路燈質量離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，在滿足安全要求的基礎上考慮其他功能。

　　3、市場上存在一些質量非常差的產品，表現為不明亮、短壽命、顏色差。

　　4、產品聲稱的性能不準確。

　　5、產品標簽上的信息不充分。

　　6、顏色質量方面存在很多問題，如顯色性。

　　7、照明設計者仍然不信任SSL產品。他們說需要更多的標準。

　　8、成本仍然太高，但政府高調激勵使用SSL產品。

　　四、國外LED燈具標準和國內LED燈具標準的情況

　　類似傳統照明產品，市場上銷售的LED照明燈具需要依賴產業發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品設計和培育消費者信心是非常關鍵的。下面，我們以表格的形式羅列了國際照明協會（IEC）、美國能源之星（EnergyStar）、北美照明學會（IESNA）LED燈具有關標準的出版情況以及正在制訂IECLED燈具有關的標準情況，同時就我國LED燈具有關的GB國家標準的出版情況進行了介紹。

　　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燈具有關國際IEC標準（僅EMC）對應的LED燈具有關GB國家標準（僅EMC）基本滿足現行LED燈具電磁兼容性測試要求。而除EMC外的與LED燈具有關的國際IEC標準大部分集中在安全標準上，性能有關標準仍缺乏。

　　在LED光生物安全性檢測標準上，由于LED出身于半導體行業，一直以來，LED的光生物安全問題都是按照IEC60825-1標準進行衡量。然而，隨著研究水平的不斷深入，人們發現LED的寬光譜和擴散光束輸出特性與激光存在顯著的不同，IEC60825-1標準明顯不能夠完全滿足LED產業發展的需求。鑒于此，CIE于2002年發布了CIES009/E:2002《燈和等系統的光生物安全性》。此標準可對發射200nm到3000nm波長范圍的燈和燈系統光學輻射的光生物危害進行評估，包括發光二極管（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改為 IEC62471.目前許多歐洲國家已經開始使用IEC62471標準進行LED燈具的光生物安全性評估。所以，從技術上講，LED燈具的光生物安全性標準目前已經制定完成，可以使用。為與國際標準接軌，我國也于2006年發布了等同采用IEC62471的國家標準GB/T20145-2006《燈和等系統的光生物安全性》，為LED燈具光生物安全性能檢測提供技術支撐。