LED灯具标准体系建设的分析

陈超中 施晓红 杨樾 发表于 2010-04-19 17:56:08 收藏 已收藏
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LED灯具标准体系建设的分析

陈超中 施晓红 杨樾 发表于 2010-04-19 17:56:08

LED灯具标准体系建设的分析

本文通过对我国灯具标准体系现状的分析,对灯具标准的基本原则的阐述,说明了用好光源提供照明服务是制定灯具标准基本任务,揭示出目前的灯具标准体系覆盖了LED 灯具,同时通过对LED 灯具特性的分析,提出了制定LED 灯具特殊性能要求标准的主要考虑,明确了LED 灯具标准应纳入现有灯具标准的渠道。

  上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海) 全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会 上海时代之光照明电器检测有限公司上海 200233

  LED进入照明领域,在照明领域中出现了各种各样的LED 产品,比如LED 替代白炽灯、MR16、PAR灯、荧光灯的光源和一系列灯具,如装饰灯具、道路灯具、投光灯具、嵌入式灯具和台灯等等。在LED产品出现和应用的同时,用户对LED 灯具产品的质量也提出了要求,经常有人问:LED 灯具有考核标准吗?

  作为一种受人瞩目的新的照明产品,使用 LED 光源的灯具如何满足应用的要求,并对其在安全、激光安全、性能和能效方面的表现进行科学的评价,是目前LED 灯具产品面临的一大课题。
要解决这一问题,应从了解现有灯具标准体系开始,明确制定灯具标准的基本原则,当以科学的眼光
看清LED 灯具的特性时,我们就会了解,现有灯具标准已经覆盖了LED 灯具,由于LED 灯具的一些特性,还需要对LED 灯具提出附加要求,制定LED 灯具的特殊要求标准。

  一、我国灯具标准体系已经基本建立并在逐步完善

  在LED光源尚未进入照明领域时,我国的灯具标准体系已经基本建立完成。内容涉及到灯具的电气安全、灯具的光度测量、个别常用灯具的性能要求和电磁兼容要求[1],以及重要灯具另部件的技术要求。近年来,随着国家能源政策的出台和节能减排要求的公布,目前还正在对常用灯具的能效进行研究并制订相应的节能要求和标准。

  我国在制订上述标准中基本上采用下列原则:凡是涉及人身和财产安全的安全标准都等同采用国际标准,如IEC,对光度标准和个别常用灯具的性能要求以及重要灯具另部件的技术要求根据国际标准(有CIE-国际照明委员会和IESNA-北美照明学会)和国内的具体情况制订适合国情的标准。至于当前开展的常用灯具的节能要求—能效指标及其评价,也参考国内和国外的标准制定适合我国情况的标准[2]。

  二、在制订上述标准中一些基本看法和掌握原则

  灯具是与人类活动和社会发展息息相关的一个产业,规范它的质量水准是一件涉及国计民生的重要事情,因此在以往的标准制订过程中始终贯彻以下几个原则:

  1.光源发光和灯具用光的两分离原则

  任何场合照明使用的光线都是光源发出的,而不是灯具,灯具只是为了使光发散得更好、使用上更安全方便而提供的一种设备,因此灯具的标准仅规定如何用好光源的内容,不涉及对光源本身的要求,如发光和构造等方面。

  2.灯具命名与光源分离的原则

  灯具是利用光源发出的光线,而光线就是为了照明服务,因此灯具的取名与标准命名的走向与光源无关,也就是说不会制订“白炽灯投光灯具和金卤灯投光灯具”之类的标准。

  3.灯具标准的命名就是为了照明服务的原则

  采用光源发出的光用来照明服务一定要通过灯具,直接在现场工作的各种光源也是以灯具形式出现的,我们称呼的是灯具而不是光源,只是在需要说清楚时才在后面加上一句采用什么光源的补充的话,因此灯具的命名直接体现它的服务能力、对象和场所。

  4.安全和性能两分离的原则

  灯具是电器产品,用电安全是头等大事,况且国际上也见安全要求看成应该统一的内容并出现和实施了许多国际性、地区性或国家的基础标准,如IEC、CIE[3],以及欧洲、韩国以及台湾地区等的标准。至于灯具的性能标准,大多是各国根据自己的特点和要求加以规范或制订,没有强制要统一,因此,内容上有时会差异较大。

  5.强调在灯具标准中要用好光源的原则

  许多光源在不同的工况条件下有不同的表现,有的变亮了,有的变暗了,有的会缩短寿命,如此等等。关键的问题是光源的性能与环境温度有关。为了用好光源,规定灯具提供的环境是极其重要的内容。三、LED 发展并应用于照明后,采用LED 为光源的一些情况

  (一)LED 的一些表现和人们对它的揣测

  (1)LED 与传统光源不同的地方
  一种怕热的光源;
  一种2π方向发光的光源;
  一种光源和灯具基本不能分开的灯具。
  (2)LED 在节能和环保上的表现使人们更为重视的心态和期待从发挥LED 的功效、用好LED 上与传统灯具有不同的内容。
  (3)LED 还有不少不尽如人意的地方尚未了解深和透,造成不少未知世界。让人猜测……

(二)采用LED 的灯具的一些特性

  不论是传统光源灯具还是LED 灯具,其功能是相同的,都是为各类场所提供安全舒适的功能照明或五光十色的装饰照明。灯具设计的任务是从光源出发,通过光学系统、电气配件、散热措施和机械部件和结构的良好合,形成一个既具有环境适应性、又具有良好照明性能、同时还能和谐地存在于一个环境中的照明器具。

  LED 具有与传统光源不同的特性,LED 灯具也呈现出与传统灯具不同的方面。

  1.光学系统

  灯具的光学系统是灯具的灵魂,其目的是根据选定光源的特性设计一套符合照明要求的灯具光学系统。通常灯具的光学系统由光源、灯座、反射器和透光罩组成。

  与传统光源灯具的光学系统相比,LED 灯具光学系统具有如下特性:

  (1)光学系统一般由LED 芯片和透镜组成LED 单元或LED 单元阵列组成,阵列有时排列在平整的铝基板上、也可能在突起的或凹下的成型基板上,灯具使用、或不使用透光罩。

  由于 LED 单元具有2π发光的光度特性,灯具的光度系统与传统光源灯有很大区别。

  制造商根据照明需求,将多个 LED 单元或数十个LED 单元组合在基板上,而这种组合是由灯具制造商完成的,所以必须控制组合后LED 单元光色的一致性,考核LED 灯具的色空间均匀度。

  (2)由于LED 的光电特性对PN 结温度的变化非常敏感;封装树脂在高温和强光照射下会快速劣化;长期的光辐射会使荧光粉的光致转换率逐渐降低,并导致色座标会偏移。

  在给出 LED 灯具寿命评价方法时,应考虑温度的影响,并在限制色偏移的条件下,考核LED 灯具的流明维持率。

  2.电气配件

  LED 驱动电源是构成LED 灯具性能优劣的关键要素,也是灯具选择或设计要件之一。

  LED 是2V—3V 的低电压恒流源驱动,所以不象普通的白炽灯泡可以直接连接220V 的交流市电,必须要设计复杂的变换电路驱动LED。

  LED 灯具电气设计应考虑灯具要使用LED 特性和数量、灯具的安装地点,以及灯具在电网中的位置来考虑电气安全、恒流驱动、抗扰度和EMI,选择或设计合适的LED 驱动电源。

  LED 驱动电源的可选择参数包括与内部元器件工作温度相关的测温点与温度、驱动方式(恒压型、恒流型、或恒压恒流混合型)、功率因数、输出电流和输出电压的稳定性、单一功率负载或功率范围负载、能效等级。如是独立式安装,外壳防护等级、防触电类型、浪涌和雷击防护的适宜性也是重要参数。

  除了驱动电源本身以外,它与LED 模组的电气连接也是LED 灯具电气系统的重要组成部分,应充分考虑这些电气连接的安全性,包括应采用标准的连接件、充分绝缘、防触电保护等,特别应注意的是,由于可能存在多路连接,未来保证安装和维护是电气连接的正确可靠,应对连接件进行识别,如电源极性标记等。

  3.散热措施

  与传统光源灯具一样,LED 灯具也是会发热的,LED 灯具的热来自LED 光电转换中的损耗以及LED驱动电源。

  传统电光源按发光原理分为典型白炽灯的热幅射光源和荧光灯等的气体放电光源两大类,前者是利用物体加热时辐射发光的原理做成的光源,而后者是在高温和电场双重作用下,直接激发形成分子发光,两者的发光过程都需要热,同时,产生的热与发出的光一起向周围辐射。

  LED 的发光原理是在外加电能量作用下,芯片中PN 结电子和空穴的辐射复合发生电致发光,由于转换效率的问题,最终大概只有30%的输入电能转化为光能,其余70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。需要说明是LED 发光过程中产生的热并不是LED 达到标称工作状态所需要的,相反,LED 亮度输出与温度成反比,而且热传递的方式不是辐射而是传导。

  从 LED 发光原理和热传递特性考虑,与传统灯具有很大不同的热管理是LED 灯具散热设计的重要任务,其目标有效地将LED 芯片的热有效地传导出去,并有效地控制灯具的微环境,将LED 结温控制在可接受的范围内。

  LED 结温是灯具光电性能的关键,但由于灯具中LED 结温测量比较困难,可行的评价方法是测量与LED 结温相关的灯具上点的温度,如焊点、基座、灯具外壳等。通过控制这些LED 结温相关点的温度来控制LED 结温。制造商需确定其灯具产品的LED 结温相关的温度控制点和温度,如LED 模块的焊点、基座、灯具外壳等等,制造商确定的这些参数应以产品信息的方式随灯具提供。

  除了 LED 以外,LED 灯具中的驱动电源也是发热部件,为了保证具有与LED 光源协调的寿命,LED驱动电源的热控制也非常重要,灯具应选用具有相应温度适宜性的LED 驱动电源,如果采用内装的驱动电源,灯具应根据其内环境温度选择标有相应tc 的驱动电源。选择独立安装的驱动电源,则应根据安装地可能的环境温度选择具有相应的tc 的电源。

4.机械部件和结构

  机械的作用是通过结构设计把灯具的光学系统、电气系统和热系统的位置和相互关系确定下来,使灯具得以在设定的环境中固定并安全的使用。
 
  传统灯具的机械系统由固定光源、反射器、灯的控制装置等部件的结构、软缆或软线的走线结构、密封结构、机械防护结构、灯具固定结构和灯具调节结构等部分构成,具体由灯座或光源连接器、灯座安装支架、软线固定架、接线端子座、载线座、密封圈、外壳、灯罩、调节手柄和灯具安装架等组成。

  由于 LED 光源的特性,LED 光源有LED 模组、自镇流LED 模组和带有灯头自镇流LED 模组等几种形式,除了最后一种形式以外,其他两种LED 模组不带有灯头,相应的LED 灯具中没有传统的灯座,而是采用连接件。

  5.LED 灯具的光生物安全性

  LED 是窄光束、高亮度的发光器件。随着在LED 的功效不断增大,亮度不断提高,尤其是在大功率白光LED 出现后,LED 光辐射对人体的危害已经引起各方面的广泛关注。过去的LED 出射光不会对人体造成危害的时代也一去不复返了。LED 和其它光源一样,LED 的光辐射理论上也能对人体造成危害。伤害主要发生在人的眼睛和皮肤,如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等,而两者之中更容易受到伤害的是眼睛。

  由于 LED 出身于半导体行业,一直以来,LED 的光生物安全问题都是按照IEC 60825-1。LED 的宽光谱和扩散光束输出特性与激光存在显著的不同,这明显不能够完全满足LED 产业的发展需求。在2002 年CIE 发布了CIE S 009/E:2002《灯和等系统的光生物安全性》,2006 年IEC 组织制定了等同采用CIE009/E:2002 的IEC 62471:2006《灯和等系统的光生物安全性》,我国也于2006 年发布了等同采用CIE009/E:2002 的国家标准GB/T20145-2006《灯和等系统的光生物安全性》。此标准的评估对象为灯和灯系统,对所有非相干宽带电光源,也包括发光二极管(LED)但不包括激光,在200nm 到3000nm 波长范围的光学辐射的光生物危害进行评估。目前许多欧洲国家已经开始使用IEC 62471 标准进行