LED射灯灯具全方位解析

随着 LED 技术的迅猛发展，光效的不断提升，LED射灯技术也在快速发展。目前的LED射灯几乎是以替代传统卤钨灯为主。和传统灯具相比，LED射灯在节能及长寿命方面具有显著的优势。随着LED射灯成本的降低，LED射灯的应用也逐步开始普及。《LED射灯灯具全方位解析》分为上下两集，上集笔者先从LED射灯的技术要求，常见的规格类型及结构给大家讲起。

(一)LED射灯技术要求

现阶段的LED射灯，主要以替代传统卤钨灯为主，相关的安全要求大多参考传统照明要求，并根据LED灯的特点，形成了一套安全认证标准。目前，在LED射灯的认证方面，国际上主要以欧洲CE和北美UL认证为主，在中国可进行自愿性认证(CQC)。

在CE认证里包含LVD和EMC两个方面，其中LVD是按照EN60968标准执行(将升级 IEC 62560);EMC按照EN55015、EN61547、EN61000-3-2和EN61000-3-3标准执行。此外，LED灯通常还需要额外参照IEC 62471，进行光生物安全方面测试。在北美，通常需要进行UL安全和FCC电磁兼容认证。UL执行标准为UL1993、UL8750和UL1310;FCC执行标准为FCC PART15 Subpart B。在中国，对于LED射灯是采用自愿性认证(CQC)，执行标准为GB24906-2010(安全)和GB 17743-2007(电磁兼容)。另外，在LED射灯的性能方面，也有诸多标准规定。美国有能源之星(ENERGY STAR)有相关要求;中国有节能认证要求，执行标准为CQC 3129-2010。这些要求中，均对LED射灯的色温、显色指数、初始光通量、光效、光通维持率、寿命、中心光强、标称功率、功率因数、产品标识等进行了规定。

推算公式

许多电子产品的寿命是以坏掉来评判，但LED是一种寿命很长的光源，可使用很久都不会坏。但光通量的输出却会随着时间而衰减，因此行业内通常用光衰至70%所需的时间来定义LED光源的寿命，即L70。随着技术的进步，LED的光衰越来越缓慢，要完整测试其光衰至70%的时间也难以做到。由于电子产品的寿命呈指数规律，因此LED通常做较短时间的老化，通过采样光衰数据，然后以指数函数来推算其光衰至70%的时间，推算公式如上图所示。

LED射灯规格及类型

常见LED射灯规格及类型

通常对LED老化6000小时测试光通维持率LM(Lumen Maintains)，按照指数规律，若6000小时后LM>91.8%，便可宣称25,000小时的寿命，若LM>94.1%可宣称35,000小时的寿命，但寿命推算的时间不超过测试时间的6倍。 

图1：光衰指数曲线

图2：LED射灯极坐标光强分布曲线

LED射灯的角度，一般以50%峰值光强的光束角来定义。如图2是一个LED射灯的极坐标光强分布曲线，可以看出，50%光强对应的角度分别为±20°左右，因此这个射灯的角度为40°。

(二)常见LED射灯的规格及类型

图3：不同灯头(从左至右为E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3)现阶段的LED射灯主要以替代传统卤钨灯为主，因此外形尺寸是参照IEC 60630标准，灯头参照IEC 60061-1标准。根据传统射灯情况，目前的LED射灯主要有MR16、PAR16、PAR20、PAR30、PAR38这几种。其中MR16通常采用GU5.3灯头;PAR16主要采用GU10、E26(美洲)/E27(欧洲及中国)、E14灯头;PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27灯头。

LED射灯结构简析

(三)常见LED射灯的结构简析

目前的LED射灯均为自镇流式，即LED驱动电源全部内置在灯体内部，直接接电即可使用。

图4：LED射灯(PAR16-GU10)拆解图

如图4的射灯拆解图可以看到，目前的LED射灯主要光学器件(透镜、反光杯)、LED光源、散热器、驱动电源、灯头这几部分组成。但各厂家的LED射灯，由于采用的材料、工艺、LED封装方式不同，使得射灯在设计和加工上会有一些差别。

1. LED光源及光学器件

目前的LED射灯主要采用多颗大功率LED及集成封装LED制作，如图5所示。 

图5：第一张为多颗大功率LED(第二、三张为集成封装LED射灯)

采用多颗大功率LED的方式，通常需要一个电路板将LED做电气连接。该电路板大多使用铝基板制作(MCPCB);对于一些设计也有采用玻纤板(FR-4)制作，但需要专门设计散热焊盘。然后用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。多颗大功率LED制作的射灯，透镜通常是采用对每颗LED进行独立配光的，再组合成一个光斑透镜。

采用集成封装LED制作的射灯，不需要电路板，可以直接将驱动电源输出线连接到LED灯上。同样是采用螺丝或胶粘的方式固定在灯壳散热器上。该种射灯的二次光学，通常采用一个透镜或反光杯的方式进行配光，透镜和反光杯的高度都较高，小角度的配光有难度。

此外，对于大出光面得射灯，大多采用多个光学器件组合的方式完成整个灯具的二次配光设计，如图6所示。

图6：多个光学器件组合的射灯

2. LED驱动电源

目前的LED射灯大多为内置电源的自镇流式射灯。内置LED驱动主要采用开关电源实现，分隔离式和非隔离式。隔离电源的初级和次级形成了电气隔离，在射灯设计时，只需要将电源初级与外壳或其它人体可接触部分做好充分的防触电即可，而次级通常为安全电压，可做简单防护即可。这类电源相对安全可靠，但要求放置空间大，其转换效率也较低。非隔离电源由于初次级之间未做电气隔离，需在结构上做更严格的防护隔离，但该类电源效率高，体积小。

图7：电源灌胶射灯

除开关电源外，还有多种其它LED驱动方式，但其安全性和可靠性都较低，需要在结构设计上多做努力，以满足相关安全要求。此外，由于电源内置，通常元器件温度都很高，将直接影响到LED射灯的使用寿命和稳定性。因此很多厂家都采用灌胶的方式，改善电源的散热能力，并提高电源与散热外壳的绝缘性，如果7所示。由于LED的可控制性，因此各厂家都有开发可调光的的LED射灯。现有的主要调光方式有可控硅调光、PWM调光、0-10V调光、DALI调光、DMX51调光、电力载波调光等，都是通过控制LED的驱动电流或电压的方式，改变LED的亮度。

3. 灯壳散热器

灯壳散热器是考量各厂商设计能力的主要地方。大多数厂家的散热器都是采用铝材质，加工工艺有机加工及模具成型等方式。在结构设计上，各厂家为了加大射灯的散热能力，通常采用翅片的方式，如图8所示。

图8：带翅片的LED射灯散热器(左)　镶件注塑散热器(右)

另外，灯壳部分也有用导热塑胶或陶瓷材料制作的，均采用模具成型的方式。这两种材料具均有良好的绝缘性能，使产品具有高的电气安全性能，便于LED驱动的安全隔离。但这两种材料的导热系数较低，不利于热传导，对于对热传导要求不高的室内产品可以使用。此外塑胶材料还有重量轻的特点，可以使LED射灯的重量得到大幅度的减轻。