LED灯具与光源的基本概念要点.docx
《LED灯具与光源的基本概念要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED灯具与光源的基本概念要点.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
LED灯具与光源的基本概念要点
LED灯具与光源的基本概念
一、与LED有关的光源定义
无论LED阵列、LED模块还是LED灯，都是光源。
（1）灯（lamp）：
为产生光辐射（通常为可见的）而制作的光源。
注：
此术语有时也用于某些类型的照明器。
（2）发光二极管（LightEmittingDiode（LED））：
正向偏压时发出非相干光辐射的p-n结半导体器件。
发出的光谱可能在紫外、可见光或红外波长区域。
（3）LED晶片（LEDdie）：
一小块装配在给定功能LED线路上的发光的半导体材料。
（4）LED阵列或模块（LEDarrayormodule）：
在印刷线路板或基板上的LED封装（元件）或晶片的组件，可能带有光学元件、附加的热、机械和打算连接到LED驱动器负载侧的电气接口。
该装置不含电源和标准灯头。
该装置不能直接与分支电路连接。
如图1所示。
（5）LED封装（LEDpackage）：
包括焊线连接件或其他型式电气连接件的一个或多个LED晶片的组件，可能带有光学元件、热学、机械和电气接口。
该装置不包括电源和标准灯头。
该装置不能直接与分支电路连接。
如图2所示。
（6）LED驱动器（LEDdriver）：
含有电源和LED控制电路的装置，目的是使LED封装（元件）、或LED阵列（模块）或LED灯工作。
（7）非整体式LED灯（LEDlamp,non-integrated）：
含有LED阵列（模块）或者LED封装（元件）和标准灯头的组件。
该装置打算通过标准灯座连接到灯具的LED驱动器。
该装置不能直接与分支电路连接。
（8）整体式LED灯（LEDlamp,integrated）：
包含LED封装（元件）或LED阵列（模块）、LED驱动器、标准灯头以及其他光度、热学、机械和电气元件的整体组合。
该装置打算通过标准化的灯座直接与分支电路连接。
如图4所示。
（9）LED光引擎（LEDlightEngine）：
包含LED封装（元件）或LED阵列（模块）、LED驱动器、以及其他光度、热学、机械和电气元件的整体组合。
该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路，该LED灯具设计成不使用标准灯座。
二、灯具和LED灯具的定义
（1）GB7000.1-2007给出的灯具（luminaire）定义是“能分配、透出或转变一个或多个灯发出光线的一种器具，并包括支承、固定和保护灯必需的所有部件（但不包括灯本身），以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的装置。
”定义还附有一个注，即“采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具，但不对整体式光源和整体式自镇流灯进行试验。
”
（2）“ANSI/IESNARP-16-05照明工程学的命名和定义”中有关LED灯具（LED luminaire）定义是包括基于LED的发光元件和匹配的驱动器，以及配光部件、固定和保护发光元件的部件、以及将器具连接到分支电路部件的完整照明器具。
基于LED的发光元件的可能形式是LED封装（元件）、LED阵列（模块）、LED光引擎或LED灯。
LED灯具打算直接与分支电路连接。
LED灯具例子如图5所示。
（3）混合型LED灯具（HybridLEDluminaire）:
装有基于LED的发光元件和诸如白炽灯或荧光灯等其他类型光源的灯具。
LED灯具与光源的基本概念
（二）
一、如何界定LED灯具和LED光源
灯具和LED灯具的定义给出以下几个重要的信息：
1．GB7000.1-2007定义中给出了灯具的结构特征，灯具内具有控制灯发出光线的部件，还有提供灯机械支承部件、点灯电路和电源连接部件和保护灯的部件，也就是具体灯具中的控光部件（反射器、透光的棱镜或平板玻璃、格栅等等）、支承灯的灯座、灯的控制装置、电容器、启动器及其电路等必须的辅助装置，固定这些部件的机械结构或装置、电源连接方式（GB7000.1第5.1条规定电源连接方式）、以及保护灯所必须的外壳防护措施等。
2．当使用了不可替换的灯或LED灯时，结构特征为灯具的发光器具不会因此有所改变，这种情况下，GB7000.1-2007定义的“注”中强调的是，采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具，但不对整体式光源和整体式自镇流灯进行试验。
3．传统光源以带有标准灯头为鲜明特征，而LED光源形式多样，为了有所识别，ANSI/IESNARP-16-05给出的LED灯具定义中识别出了LED灯具中光源的形式，即光源可以是LED阵列（LEDarray）、LED模块（LEDmodule）或LED灯（LEDlamp）。
4．ANSI/IESNARP-16-05定义了LED灯具与LED灯区别的关键点，即LED灯具打算直接与分支电路连接，而LED光源不直接与分支电路连接，其中：
-LED模块不含有电源，不能与分支电路直接连接；
-LED阵列既不包括电源，也不包括标准灯头，不能与分支电路直接连接；
-整体式LED灯需通过标准灯座、非整体式LED灯需通过灯具中的灯座才能与分支电路连接。
5.在LED的相关的术语中，还应明确了LED驱动器、LED控制线路及LED电源的区别：
-LED驱动器是指含有LED控制线路和LED电源的装置；
-LED电源是指没有控制功能、但能在其设计限值内提供所需电流、电压和功率的变压器、电源（调制）、电池或其他装置；
-LED控制线路不含有电源，是设计用于调节输出电压、电流或工作循环来转换或其他方式以控制提供给LED封装（元件）或LED阵列（模块）电能的量和特性的电子元件。
根据这些概念可以了解，LED工作需要的LED电源和LED控制线路，可以分开而各自独立存在，也可以组合在一起，LED电源和LED控制线路组合在一起时就是LED驱动器。
6.整体式LED灯与非整体式LED灯都带有标准灯头，而且具有相似的外形特征，它们之间区别的关键点是是否带有LED驱动器。
整体式LED灯是带有LED驱动器的LED模块或阵列，可以通过标准化的灯座连接到分支电路，整体式LED灯可以替代普通照明用白炽灯或CFL灯。
非整体式LED灯是不带有LED驱动器的LED模块或阵列，它需要通过灯具中的灯头与分支电路连接，此灯具应含有非整体式LED灯工作需要的LED驱动器。
非整体式LED等不能直接替代白炽灯或CFL灯。
7.LED光引擎是一个介于LED灯具和LED灯之间的器件，与LED灯的区别是它不含有标准灯头，而是含有一个与灯具匹配的连接器。
与LED灯具的区别是它不能与分支电路直接连接，与灯具的相同点是可以具有设定的配光功能，例如具有特有的道路灯具配光。
LED光引擎使使用不带标准灯头LED光源的LED灯具具有可维护性。
二、易被误作光源的情况
1．某些类型的“灯具”被习惯地称作“灯”
从灯具和灯的定义可以知道，一般情况下，“灯”是指光源，各种类型的灯均以发光的物理原理来命名，如白炽灯、高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯、紫外灯、场致发光灯、卤钨灯等等，灯的命名和分类与应用的场所及用于何种灯具无关；而“灯具”则是指照明器，它包括点亮光源所需的附件和电路、使光源发出的光重新分配以满足应用需求的光学部件，以及灯具安装、固定、调节所需部件的总成，灯具的分类及命名与其安装方式或设计使用的场所或目的有关，如固定式吸顶灯具、可移式台式灯具、可移式落地灯具、道路照明灯具、隧道照明灯具、庭院灯具、泛光灯具和应急照明灯具，等等。
但正如“灯”的定义中的“注”所述，“灯”这个术语有时也用于某些类型的照明器。
也许是由于习惯的关系，很多人把“道路照明灯具”称作“路灯”，把“天花板表面安装灯具”称作“吸顶灯”，但这里的路灯、吸顶灯并不是指光源，而是指道路照明灯具和天花板表面安装的灯具。
2．光源不可替换的照明器具属于灯具
从灯具的定义可以知道，照明电器标准中所说的“灯具”不涉及光源的类型，也就是说在评价灯具及其进行的检验中，只对提供光源正常工作的相关部件或环境进行评价，而不对光源本身进行评价或检验。
由于是耐用消费品，灯具的设计寿命比光源长得多，所以灯具内的光源通常是一种可替换部件。
随着光源寿命的逐步延长，光源固定方式的变化，以及灯具对耐用性要求的降低，某些灯具设计成光源不可替换的，也就是说，光源一旦损坏，灯具就报废。
根据照明电器术语标准和灯具标准对“灯具”的定义，这种光源不可替换的照明器具仍属于灯具。
对于光源不可替换的灯具，除了光源不可替换以外，根据应用需求的光度学设计、点亮灯具需要的电路及其附件，以及灯具固定的装置等，与光源可替换的灯具完全一样，所不同的是，在光源不可替换的灯具内可能不使用灯座，光源的机械固定和电气连接分别由机械固定装置和光源连接器完成。
在LED应用于照明之前，已经有采用不可替换光源的灯具的例子，比较典型的如电源插座安装的夜灯，夜灯中的光源既有可替换的也有不可替换的，但它们都属于灯具，评价夜灯的灯具安全标准是GB7000.212-2008《灯具第2-12部分：
特殊要求电源插座安装的夜灯》。
显色性
基本概念：
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：
高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种：
1.忠实显色：
能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。
2.效果显色：
要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。
显色指数计算方法：
CIE推荐定量评价光源显色性的“测验色”法规定用黑体或标准照明体D作为参考光源，将其显色指数定为100，并规定了若干测试用的标准颜色样品；通过在参考光源下和待测光源下对标准样品形成的色差，评定待测光源显色性，用显色指数来表示。
光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数Ri
光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra
其中8个颜色样品分别为：
暗灰色、暗黄色、深黄绿色、黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫色、红紫色。
如下图所示：
常用光源的一般显色指数：
结合我国实际情况，可将光源的一般显色指数划分为三个范围。
一般显色指数（Ra）
质量分类
100~75
75~50
<50
优
一般
劣
光源显色性的质量分差
白炽灯、碘钨灯、溴钨灯、镐灯等几种光源的一般显色指数Ra均超过85，适用于辨色要求较高的视觉工作，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映、染料、彩色印刷、纺织、食品工业等行业。
荧光灯的显色指数在70~80之间，显色效果较差，其中高压钠灯最差Ra为20~25.
什么是光衰
LED光衰的概念
LED光衰是指LED经过一段时间的点亮后,其光强会比原来的光强要低,而低的这一部分就是LED的光衰。
LED光衰的原因
现阶段的LED产品光衰程度都不同，大功率LED同样存在光衰，抑制光衰有助于削减单位光通量的成本。
各LED厂商都在致力于抑制光衰现象技术，但都没有公布光衰现象发生的原因及其抑制方法的详情。
然而，有厂商透露，芯片的发热及电流集中等若干参数与光衰现象有关。
例如，输入较大电力时，芯片的光发生量增多，同时发热也增多。
这种发热会使芯片内部的量子效率恶化，从而导致光衰现象。
因此，有厂商认为，为抑制光衰现象，采用散热性高的封装构造，即使输入较大电力芯片温度也不会上升的改进会对抑制光衰现象有效。
另外，有观点认为，如果LED芯片内的电流密度变大，就容易引发光衰现象。
图1.Cree公司LED的结温和光衰寿命试验结果
2011年5月，加州大学圣巴巴拉分校的研究院称他们找到了普通照明使用LED技术效率地下的根本原因。
他们总结到，光衰（LEDdroop）是由俄歇复合（Augerrecombination）引起的。
俄歇复合是一种在半导体中发生的，三个带电粒子互相反映反应但不放出光子的现象。
研究者还发现包含散射机制的非直接的俄歇效应非常显著。
这一发现使得以往理论研究中，用直接俄歇过程预测LED光衰和实际测量结果不符的现象得以解释。
研究员认为，因为俄歇效应是内形成机制，所以光衰现象不可消除，但可以最小化。
目前，关于LED产品光衰的规定，应用最广泛的标准为美国能源之星的LM-80-08和国标GB/T24824-2009。
辐射度量基础知识
辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。
光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。
即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。
因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度，但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。
很长时间以来，国际上所采用的辐射度量和光度量的名称、单位、符号等很不统一。
国际照明委员会（CIE）在1970年推荐采用的辐射度量和光度量单位基本上和国际单位制（SI）一致，并在后来为越来越多的国家（包括我国）所采纳。
下表列出了基本的辐射度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。
（1）辐射能（Q）
简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳（J）。
当描述辐射能量在一段时间内积累时，用辐能来表示，例如：
地球吸收太阳的辐射能，又向宇宙空间发射辐射能，使地球在宇宙中具有一定的平均温度，则用辐能来描述地球辐射能量的吸收辐射平衡情况。
为进一步描述辐射能随时间、空间、方向等的分布特性，分别用以下辐射度量来表示。
（2）辐能密度（w）
定义为单位体积元内的辐射能，即
（3）辐射通量（Φ,P）
定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。
实际应用中，对于连续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即辐射通量表示。
因此，辐能量是一个十分重要的辐射度量。
例如，许多光源的发射特性；许多辐射接收器的响应值不取决于辐射能的时间积累值，而取决于辐射通量的大小。
（4）辐射强度（I）
定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即
辐射强度描述了光源辐射的方向特性，且对点光源的辐射强度描述具有更重要的意义
（5）辐亮度（L）
定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即
辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描述。
例如，描述螺旋灯丝白炽灯时，由于描述灯丝每一局部表面（灯丝、灯丝之间的空隙）的发射特性常常是没有实用意义的，而把它作为一个整体，即一个点光源，描述在给定观测方向上的辐射强度；而在描述天空辐射特性时，希望知道其各部分的辐射特性，则用辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。
（6）辐射出射度（M）
定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。
例如，太阳表面的辐射出射度指太阳表面单位表面积向外部空间发射的辐射通量。
（7）辐照度（E）
定义为单位面元被照射的辐射通量，即
辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度。
电磁兼容基础知识
电磁兼容（electromagneticcompatibility简称EMC）
国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：
系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。
EMC包括EMI（electromagnetic interference简称EMI，电磁干扰）及EMS（electromagneticsusceptibility简称EMS，电磁耐受性）两部份。
所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
因此，EMC包括两个方面的要求：
一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
EMI电磁干扰主要包括传导干扰和辐射干扰及谐波。
传导干扰是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生的干扰；而辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网网络或电子设备；在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
谐波使电能的产生，传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，对电子系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重的干扰。
EMS电磁耐受性主要包括有抗静电干扰，电快速瞬变脉冲群抗扰度，浪涌抗扰度以及电压暂降抗扰度。
所谓静电，指一种处于静止状态的电荷，静电的产生在工业生产中是不可避免的，因此电气和电子设备及器件的抗静电能力是衡量电子设备及器件产品质量的重要指标；电快速瞬变脉冲群抗扰度是指在特定持续时间及周期的脉冲群干扰下设备及器件的耐受能力；浪涌抗扰度是指设备及器件在短时间高压干扰情况下的耐受能力；电压暂降抗扰度是指在供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的冲击下设备及器件的耐受能力。
下图为电磁兼容性主要内容的结构关系
LED基础知识
LED是取自LightEmittingDiode三个单词的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义它是一种可以将电能转化为光能的且具有二极管特性的电子器件。
LED常用半导体砷、磷、镓及其化合物制成，制造LED的材料不同，所产生光子的能量也就不同，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。
由于二极管具有单向导通特性，因此在使用LED时必须正向偏置，此外LED工作时只需1.5~3V的正向电压和几毫安的电流就能发光，允许的工作电流小，因此须串联合适的限流电阻，否则会被损坏。
LED光特性——发光强度
发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司lx）、光通量单位（流明lm）、发光强度单位（坎德拉Candela）。
1cd（坎德拉）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。
（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）。
1lm（流明）指1cd烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。
1lx（勒克司）指1lm的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
一般主动发光体采用发光强度单位坎德拉cd，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明lm，如LCD投影机等；而照度单位勒克司lx，一般用于摄影等领域。
三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。
单个LED的发光强度以cd为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。
封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。
一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
LED热特性——结温及热阻
LED的热学特性主要包括LED结温、热阻（瞬态热阻、稳态热阻）、瞬态变化曲线（加热曲线、冷却曲线）等，结温是指LED的PN结温度，热阻是指LED散热通道上的温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散热能力。
LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效也越高，寿命越长。
检测LED热学特性的关键在于对LED结温的准确测量，现有的对LED结温的测试一般有两种方法：
一种是采用红外测温法测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够；另一种是通过温度敏感参数（temperature-sensitiveparameter，简写为TSP）获取PN结温，这是目前较普遍的LED结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。
LED寿命
LED的寿命主要表现为它的光衰，通常把LED光输出衰减到初始光输出的70%或50%作为判断寿命失效的指标，即光通量维持寿命。
直接测量等待光衰到指定值的做法在工业上的应用十分困难。
但由于LED是高可靠性器件，寿命一般都会超过几千小时甚至是一万多小时，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。
亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。
色度学基本概念
1色坐标和色品图
人眼对于颜色的响应是通过在可见光波段内的光谱辐射功率来传递的。
通过大量观察人们发现，人眼在工作时就好像包含三种类型的接收器，每种对不同但相交迭的波长的光产生响应。
CI
升级会员 