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LED灯具标准体系建设的分析

2012-02-095851安规与电磁兼容网

  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LED 灯具的光生物安全性评估。此标准适合用来评价LED 灯具的光生物安全性。最新的CTL 提案(PDSH0748)中涉及到LED光生物安全的标准已经改为IEC 62471。LED 灯具的光生物安全已经具有评价标准,即GB/T 20145-2006/IEC 62471:2006《灯和等系统的光生物安全性》。目前,从技术上讲,LED 灯具的光生物安全性标准已经制定完成,可以使用。四、LED 灯具的标准应纳入灯具标准的渠道

  完善灯具标准体系的建议

  在现有灯具标准体系中,补充需要的灯具性能要求标准和LED 性能特殊要求标准。

  1.灯具性能要求

  在已有灯具性能要求的基础上,根据应用的需求,补充不同照明需求的性能标准,规定灯具的光度分布要求,灯具的小环境温度要求,灯具的可维护性要求,灯具的环境适宜性要求,等等。如隧道照明灯具性能要求,学校教室照明灯具性能要求。

  2.LED 灯具性能要求

  对LED 灯具特殊性能要求,我们应从LED 灯具的特性考虑,必要时还应从灯具的照明应用需要考虑,那么就可以满足LED 灯具性能要求标准的需求,制定LED 灯具性能要求的考虑如下:

  -LED 灯具性能的一般要求

  从LED 灯具的特性出发,规定LED 灯具性能的一般要求,包括流明维持率、正常工作条件下结温相关点的温度监测、色空间稳定性和色品的空间不均匀度、功率因数和效能等。

  -灯具应用照明需求的标准

  从LED 应用的热点,考虑相应的LED 灯具性能要求,如LED 道路灯具性能特殊要求、嵌入式LED 灯具特殊性能要求、LED 台灯特殊性能要求,包括灯具的功率、光通量等。

  将来灯具标准的应用

  这样,当上述灯具标准的性能要求和LED 灯具性能要求标准建立完成以后,当我们评价道路灯具性能时,除了上述标准以外,还应使用《LED 灯具性能的一般要求》、《LED 道路灯具性能要求》,当我们评价读写台灯时,还应使用《LED 灯具性能的一般要求》、《LED 台灯性能特殊要求》。

  目前 LED 灯具标准的现状

  正因为对LED 的认识水平不一,正因为对国外还没有比较完整的标准可供参考,正因为国内各地对LED的期盼热情十分高涨,目前已出现了不少类似标准[4]。其实,目前已有的灯具国家标准都适用于LED 灯具,包括安全、性能、电磁兼容和能效等,只是LED灯具的一些已知的特性在现有标准中尚无具体体现,所以应在现有标准的基础上,为保证LED 灯具具有良好的性能和能效,针对LED 灯具的特性,制定LED 灯具特殊的性能和能效标准。

  标准不在于多,而在于能被广泛应用,从而形成科学的统一的技术评价平台,为技术和贸易服务。当我们考虑制定的LED 灯具性能标准时,应坚持制定灯具标准的原则,研究如何保证灯具用好LED 光源、如何满足各类场合照明的需求、如何满足中国国情的需要。

  在现有灯具国家标准体系的范畴内,已有两个灯具的性能要求,即读写台灯性能要求和道路照明性能要求,这两个标准也同样适用于LED 灯具。也就是说,当我们评价LED 读写台灯时,应使用的国家标准是:

  -GB 7000.204-2008 灯具 第2-4 部分:特殊要求 可移式通用灯具

  -GB 7000.1-2007 灯具 第1 部分: 一般要求与试验

  -GB 9473-2008 读写作业台灯性能要求

  -GB 17743-2007 电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法

  -GB 17625.1-2003 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)

  -GB 17625.2-2007 电磁兼容 限值 对每相额定电流≤16A 且无条件接入的设备在公用低压供电系统中产生的电压变化、电压波动和闪烁的限制

  -GB/T 18595-2001 一般照明用设备电磁兼容抗扰度要求评价道路照明灯具的国家标准是:

  -GB 7000.5-2005 道路与街路照明灯具安全要求

  -GB 7000.1-2007 灯具 第1 部分: 一般要求与试验

  - GB/T 24827-2009 道路照明灯具性能要求

  -GB 17743-2007 电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法

  -GB 17625.1-2003 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)

  -GB 17625.2-2007 电磁兼容 限值 对每相额定电流≤16A 且无条件接入的设备在公用低压供电系统中产生的电压变化、电压波动和闪烁的限制

  -GB/T18595-2001 一般照明用设备电磁兼容抗扰度要求

  当然,在我们需要评价其他灯具时,除了安全和电磁兼容标准,就没有相应的照明应用的产品性能标准了,当我们需要评价使用LED 光源的灯具时,我们还没有LED 是否得到很好应用的LED 灯具特殊的性能要求的国家标准,而这就是我们要做的。

  [2]已经制订的灯具节能标准CQC 3105-2009 道路照明灯具节能认证技术规范

  [3]国际性的安全和基础标准

  A.IEC 关于LED 产品的标准体系

  LED 用于照明产品后,IEC 照明陆续出版了数个LED 照明产品的标准,包括一般安全和性能要求、激光安全性标准和灯的生物安全性标准。

  a)源自IEC TC34 的一般安全要求和性能要求

  一般安全要求和性能要求由IEC TC34 归口,激光安全性和生物安全性由TC/SC 76 归口。TC34 还负责别的技术委员会的项目未覆盖的各种相关设备。TC34 关于LED 产品的标准情况如下。

  - 源自IEC TC34/SC 34A(灯,含LED 和辉光启动器)的标准

  IEC 62031 第1 版 (2008-01)一般照明用LED 模块-安全要求(GB 24819-2009《普通照明用LED 模块 安全要求》)

  IEC/PAS 62612 第1 版 (2009-06) 一般照明用自镇流LED 灯-性能要求(GB/T 24823-2009《普通照明用LED 模块 性能要求》)

  - 源自IEC TC34/SC 34B(灯头和灯座)的标准

  IEC 60838-2-2 第1 版(2006-05)杂类灯座-第2-2 部分:特殊要求-LED 模块用连接器(GB 19651.3-2008《杂类灯座 第2-2 部分:LED 模块用连接器的特殊要求》)

  - 源自IEC TC34/SC 34C(灯用附件)的标准

  IEC 61347-2-13 第1 版(2006-05)灯的控制装置-第2-13 部分:直流或交流供电的LED 模块电子控制装置的特殊要求(GB 19510.14-2009《灯的控制装置 第14 部分:LED 模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求》)

  IEC 62384 第1 版(2006-08)+A1(2009-07)直流或交流供电的LED 模块电子控制装置-性能要求(GB/T24825-2009《LED 模块用直流或交流电子控制装置 性能要求》)

  IEC 62386-207 第1 版(2006-08)可寻址数字照明接口 第207 部分:控制装置的特殊要求 LED 模块(设备类型6)

  -源自IEC TC34/SC 34D(灯具)的标准

  IEC 60598-1 第7 版(2008)灯具 第1 部分 一般要求与试验(GB7000.1-2007《灯具 第1 部分: 一般要求与试验》)。

  IEC60598-2 系列(GB7000 具体灯具产品标准系列)。

  IEC TC34/SC 34D 正着手起草《嵌入式LED 灯具-性能要求》。正在制订中的该标准规定了以整体式或内装式LED 模块和LED 装置作为光源、电源电压不大于1000V 的嵌入式LED 灯具的性能要求。《嵌入式LED灯具性能要求》参考了能源之星对固态照明灯具的要求和IEC/PAS 62612 的规定。

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