Cree XLamp_LED 在分布式照明中的应用

1、CLD-AP43 REV 1 W W W . C R E E . C O M /X L A M P华刚国际贸易有限公司 香港沙田香港科学园科技大道东 2 号光电子中心 3 楼 301室 电话:+852 2424 8228传真:+852 2422 2737Cree ® XLamp® LED 版权所有 ©2010 Cree, Inc. 保留所有权利。本文档中的信息若有更改,恕不另行通知。 Cree 、 Cree 徽标和 Xlamp 是 Cree, Inc. 的注册商标。简介 .1分布式照明的一般要求 .2现有照明光源 .2照明要求 . . 2性能要求 . . 2实例

2、.3T8 仿真 .3讨论和结论 . . 10设计技巧 .10附录 .12IESNA 照度类别 .12能源之星对特定室内和室外照明应用的要求 .12Cree 可调光 T8 演示灯具 . . 14情况介绍 .14在电气照明的第一个世纪,如今通用的灯泡灯具分离做法已 经促使各种各样基本照明 (灯或灯泡 技术的涌现,这些灯有 数以千计的不同样式和配置,还有数以万计不同的灯具。大量 照明系统,从隐蔽照明到嵌顶式灯盘,都能用单支 (或多支 直管型荧光灯 (LFL 来实现。分布式照明的许多功能性照明要求能通过使用小型 LED 阵列 来满足。橱柜照明、工作灯、户外走道灯和柱灯等众多应用 的一些例子,都能使用

3、Cree XLamp LED 阵列经济地实现。 采用这款新一代 LED 组件,再借助合理的工程和设计实践, 是可以达到 50-90 流明 /瓦的系统光效的。本应用说明综述了各种广泛应用场合下基于任务的照度要求, 以及几种具体实现方法的能源之星要求。我们将更详细地讨 论其中两种应用,对重要的设计特征和生产要求作一回顾, 以创造出有吸引力、 (如果适当 并符合能源之星标准的灯具和灯泡。 在最通用的定义中,分布式照明光源是在照明应用中使用发光表面的一种照明光源。若以线性照明表示,这些光源发出 5-50 lm/cm (12-125 lm/in 的光。若以面积表示,这些光源一般发出 1.540 lm/c

4、m2 (4-40 lm/in2 的光。此定义很广泛,足以涵盖直管型荧光灯、 紧凑型荧光灯 (CFL,小型白炽灯泡(例如 G5.3 灯头 12-V 卤素灯泡。若照明光源是隐藏的,例如橱柜照明或洗墙照明应用,那么光 源照明的均匀性并不非常重要。若用在直接可视的应用场合,则从美学上讲非常偏好采用平滑、均匀的照明表面。除了采用直管型荧光灯 (LFL 创造的许多区域照明应用场合以外,某些应用场合使用小型白炽灯泡,这些灯泡可发出暖白光,但光效较 差,只有 15 lm/W 左右。 T8 LFL 制定了灯效率的性能标准,效率要远高于 90 lm/W。设计良好的系统能达到 70-90 lm/W 的效 率。在分布

5、式照明应用中, LFL 也具有极柔和的发光外观效果。在分布式照明应用中,白炽灯泡最常用于照明光源隐藏的应用场合,例如 橱柜照明或隐蔽照明。 F32T8 灯管每延米可生成 2460 初始 “ 原始 ” 流明 (750 流明 /延尺 1; F28T5 灯管每延米可生成 2130 初始流 明 (650 lm/ft。如果用在 “ 典型的 ” 荧光灯中,并带有光学器件和电源,通常会有最高不超过 30% 的损失;对于 T8,可产生每延米 1720 流明 (525 lm/ft “ 经修饰 ” 或原位输出,对于 T5,可产生每延米 1490 流明 (455 lm/ft 的 “ 经修饰 ” 输出。这些高效率灯泡

6、 通常用在一般的顶部照明中,但是它们也代表了高效率、高容量、低成本的照明技术 这对所有 LED 照明光源而言都是一个现成的竞争 性基准。(ANSI/IESNA北美照明工程协会 (IESNA 针对各种环境和任务制定了一个综合系列的推荐实施规程。其中两份文件 “ 照明工业设施推荐实施规程 ” (Recommended Practice for Lighting Industrial Facilities 和 “ 办公室照明美国国家标准实施规程 ” (American National Standard Practice for Office Lighting,里面含有一些基于任务的照度推荐表,适合

7、于线性照明和区域照明应用。这些推荐实施规程的通用框架 包含在 IESNA 照明手册 (第 9 版 (IESNA Lighting Handook, 9th Edition 中。附录的表 3 对这些一般类别和照度要求进行了 总结。 “IESNA 推荐实施规程 (RP 系列 ” 为更详细的一组与位置相关的任务列出了照度要求。(2008 年美国能源部 /环保总署文件 “ 能源之星 ®固态照明灯具标准 ” (ENERGY STAR® Program Requirements for Solid-State Lighting Luminaires2对各种照明类型和任务提出了一组初始的

8、性能要求。它标志着那些专业组织以外的机构首次制定的照明系统政策 规范,并为 “ 优质照明 ” 应用设定了初始的基准。照明和灯具制造商首先将这些要求作为竞争优势,然后作为最低市场标准。 Cree 在其 推荐的做法中将这些要求作为最低基本标准。附录中包含了能源之星标准的摘要表格。1 沿灯管长度方向环形辐射的初始通量。这未考虑与灯具相关的损失,也未考虑灯随着使用衰减后的标称值。23 T8 T5 和 T8 LFL 设定了发光柔和、高效率和低成本照明光源的标准。自 2008 年以来,已有数十款基于 LED 的 T8 仿真产品陆续投放市 场。尽管它们的销量都不是太大,但是市场上对 T8 仿真产品始终抱有兴

9、趣。市场潜力非常大,因此市场调查分析员正在研究该领域,并 将提交相关正式报告。 3不过,尽管对基于 LED 的直管型荧光灯 (LFL 替换技术有浓厚兴趣,美国能源部在 2010 年春季发布了两则公告,极力主张直管型 LED 替换灯不能作为商业化产品使用,这就使得该项技术的潜在使用者选择转向其他技术。 4,5 这些论证严密的文件中显示,大量 LED 替 换灯样品经过 CALiPER 项目第 5 轮和第 9 轮的评估测试,结论表明这些产品在效率、光效和显色指数 (CRI 方面与现有的 T8 技术相 比,达不到标准要求。如今市场上的直管型 LED 替换灯,在光输出、色彩质量、分布、流明维持或成本效益

10、方面,都无法与直管型荧光灯竞 争。美国能源部不推荐用直管型 LED 替换灯来替换直管型荧光灯。 6在 “ 性能规范系列:T8 替换灯 ” 中,美国能源部为此类产品提出了一些灯泡性能的推荐。它们包括:查看 CALiPER 测试的数据表明系统需要在通量和光效方面提高 2-3 倍。美国能源部的推荐值能采用 XLamp ML-B 和 ML-E LED 阵列来达到。图 1 显示一些根据 Cree 的产品参数工具 (PCT 获得的可能配 置, PCT 是一个软件系统,它能模拟 Cree XLamp LED 的电气、散热和通量等特性。 73Electronicast Consultants ,加利福尼亚州阿

11、珀莱克。 “ 直管型 LED 灯,全球市场预测和分析 (LED Linear Tube Lamps, Global Market Forecast and Analysis, 2009-2016, ” 2010.4 美 国能源部, EERE , LED 应用系列:直管型荧光替换灯 (LED APPLICATION SERIES: LINEAR FLUORESCENT REPLACEMENT LAMPS,DOE, Op. Cit.4 图 1 显示了一组基本假设,如图顶部中配置。在紫色的设置行中:目标色温 (CCT 为 2700 K,以及假设系统能达到 90% 光学效率和 90% 电气效率。从 M

12、L-B 和 ML-E 订购代码中选择几个有代表性的通量分档,就能显示许多种能在这个 T8 仿真应用中提供创记录水平通量和光效的可能 配置。保守一些以 150 mA 电流来驱动部件,可使用 70 至 110 个之间的 ML-B LED 构建系统,每个系统功耗在 42 至 67 W 之间,光 效在 40 65 lm/W 之间。 ML-B LED 线性阵列的节距在 1.8 到 1.1 cm 之间 (0.7 和 0.6 in。能使用 60 至 80 个之间的 ML-E LED 构建系统,每个系统功耗在 33 至 43 W 之间,光效在 60 80 lm/W 之间甚至更高。 ML-E LED 线性阵列的

13、节距在 2.0 到 1.5 cm 之 间 (0.8 和 0.6 in。这些类型的度量值表明,高效率驱动器和光学元件,可使产品达到与 LFL 相当的光效。如果没有高效率的驱动器和光学元件,要达到高于 90 lm/W 的光效,则需要很低的驱动电流和额外增加 ML-E LED 数量,并且节距约 为 0.8 cm (0.3 in。在这个节距下,可以通过使用各种柔光罩将 XLamp ML-E LED 有效地掩盖住。1Cree 2700 T8 5 为举例说明 XLamp ML-E LED 的新能力,我们制作了几块 LED 节距分别为 2.54、 1.27 和 0.95 cm (1 in、 0.5 in 和

14、 0.375 in 的 小型电路板,并在这些电路板上面装上暖白 ML-E LED。2 XLamp ML-E LED 3XLamp ML-E LED 150 mA覆盖的柔光罩是一个直径 1 英寸, 180 度的半圆柱,取自市场可购买的 T8 LED 仿真产品 8。尽管在 1 in 节距时,在图中并不明显, 但 XLamp ML-E LED 在这种配置中还是容易辨别;而在 0.375 in 节距时, LED 看上去就完美地柔合了。从表 2 (第 7 页 中,我们能 看到,添加了柔光罩后,通量损失 9.1%,这在 90% 光学效率估计范围之内。表 1 对从 PCT 获得的结果作了更详细的描述 (图

15、1 和相关讨论,包括累积的 19% 系统损失 ,并使用 Cree 的三款产品,即上一代高 亮度部件 CLA1A LED 和新型 XLamp ML-B 和 ML-E LED 的暖白和冷白 LED 在不同节距下能实现的总通量进行对比。在表中, 2000 以上的流明值用绿色背景显示, 1600 以下的流明值用红色背景显示, 1600 到 2000 之间的流明值用黄色背景显示。尽管 CLA1A 已经 用在许多分布式和线性应用场合,不过效率更高的 XLamp ML-B 和 ML-E 是理所当然的继任者。8 除非另外注明,我们在应用说明的所有研究中都使用同一种柔光罩。6 1 T8 LED Cree LED

16、除此以外,附录中还介绍了一种可调光 T8 演示灯具,它以 2.54 cm (1 in 和 1.9 cm (0.75 in 两种节距使用 ML-E LED,以及一种 以 1.3 cm (0.5 in 和 1 cm (0.375 in 两种节距使用 ML-B LED 的 T8 演示灯具。现有的橱柜灯具采用短的 (30-60 cm, 12-24 in T5 和 T8 荧光灯具以及低压白炽灯具,例如 12-V 氙灯和卤素灯泡。白炽灯具提供 15-16 lm/W 的平均光效。由于它们要求尺寸小,并且大批量制造要求选用低成本材料,因此大多数荧光灯具并不会好得多,系统的光 效显著不足,通常只有 25-30

17、lm/W。这些灯具提供 656-853 lm/m (200-260 lm/ft 的线性照度。它们的通常安装高度为 45-60 cm (18-24 in,在此高度下,它们的照 度值为 100-500 lux,提供了 IESNA 照度类别中 D、 E 和 F 三个类别所要求的大部分通量。这是执行照亮高对比度和大尺寸物体的视 觉作业到执行照亮低对比度和小尺寸物体视觉作业所需的照明。为定量描述此类灯具的性能,我们对有代表性的 18 in 橱柜灯,连同许多采用 XLamp MX-6 和 ML-E LED 的同类配置进行了积分球测量。7 销售部门联系。表 2采用 LED 可制成非常薄的灯具。最近的一个商用

18、实例是 Utilitech 29112,其厚度为 1.5 cm (5/8 in。与目前采用 T8 和白炽灯泡的 产品相比,这是一个明显的优势。4The Utilitech 29112橱柜照明中一个常见而又易被忽视的问题是,多个照明光源会产生多个阴影。取决于灯具设计,这多个阴影在许多阅读任务中会造成干扰 问题。荧光灯管的问题最少,因为它们只有单个发光照明表面。在光谱的另一端,许多采用数个等间距分布的灯泡的 45 和 60 cm (18 和 24” 橱柜会由于多点照明光源产生的多个阴影而造成干扰。5 XLamp MX-6 LED 3.5 in 8 添加一个相距较近的柔光罩之后,可部分掩盖单个 LE

19、D 以及它们投下的阴影,但是并没有完全解决问题。为了在此应用场合中使用间隔 宽的 LED ,需要考虑光腔和柔光罩设计。6 LED 减少橱柜照明中多个阴影的一种有效方法是使用更多数量的低通量 LED,例如 XLamp ML-B 和 ML-E LED。使用数量更多、光效更高 的小型 LED,以便采用较透明的柔光罩和 /或更小的 LED 与柔光罩间距,从而改善光学性能。在这种间接观看的任务照明中,柔光程度 需要将多个阴影减到最少,而不是模仿直管型荧光灯源实现完全均匀的发光效果。9 销售部门联系。7 XLamp ML-E LED 图 8设计优良的 LED 灯没有任何理由不能成为橱柜照明中占主导地位的一

20、种照明形式。独特的薄型设计,加上柔和适度的亮度,将使之成为 胜之一筹的技术解决方案。针对分布式照明和阵列式照明优化的 LED,例如 Cree XLamp MX-3、 ML-B 和 ML-E,是这些任务的首选。 XLAMP LED最适合分布式照明应用的 LED 具有几个共同属性。 均匀的角向色度 能以最少的二次光学元件,在灯具或灯泡的照度特性范围内提供均匀的色彩 封装小,器件光效高,每个部件能提供 40-100 流明 同类最佳的色彩稳定性和流明维持率 色彩分档细,使大批量生产可以制造出可预测、可重复的产品阵列XLamp ML-B 和 ML-E LED 适合分布式照明。我们在橱柜照明和 T8 照明

21、应用中所用的原型产品显示我们能用光效大于 60 lm/W 的暖 白系统制造分布式照明产品,这与图 1 中的 PCT 模拟一致。这些照明实验尚未经过系统级优化,而且,经过适当的设计优化之后,应当 可以轻松实现 5-10% 的光效提高。适合更大阵列的电源分布式照明和线性照明应用常常配置有大量的 LED (10 个到 100 个 。将这么多 LED 组织起来并供电,是系统设计中一个重要的考虑 因素。可用的解决方案有许多,从多路电源为串联或并联的 LED 供电,到单路电源驱动串联 LED 组成的并联组,以及介于两者之间的 解决方案。电路板布局尽管单个中等通量的 LED 不会散发大量热量,但若以阵列的形

22、式使用时,热负荷就是设计时需要考虑的方面。 FR-4 电路板是此类设计 最常用的材料,采用如 Cree 应用说明 AP-38 “ 优化 Cree® XLamp® LED 的 PCB 热性能 ” 中所述的散热过孔会有些好处。 9 或者, 也可以将小型金属核心电路板 (MC-PCB 连接到铝制或其他金属制的灯具框架上,以获得通常足够的导热效果。光腔许多分布式照明应用都用在空间受限的环境中。橱柜照明常常受到橱柜凹处厚度的限制; T8 替换灯泡则最常受到 8/8 设计中 1-in 直径 的限制。1011 版权所有 © 2010-2011 Cree, Inc. 保留所有权利

23、。本文档中的信息若有更改,恕不另行通知。 Cree 、 Cree 徽标和 Xlamp 是 Cree, Inc. 的注册商标。本文档所提供的信息仅供参考,不作为担保或者为了获得尽可能好的效果,光腔应与高效漫射反光杯对齐。 10 如果在直接照明应用中,要将柔光罩与线性阵列或面积阵列结合使用,那 么有几种方法可达到柔和平滑的外观效果,可以用其他空间周期性特性或通过漫射来掩盖 LED 阵列。 灯具中常见的几何特性 例如 LFL 灯盘中普遍采用的散热网 LED 灯或灯具的二次光学器件中的常见几何特性 采用柔光罩和光腔优化隐藏点光源Cree 网站上列出了柔光膜和其他二次光学器件的供应商。 11 在列出的众

24、多光学器件供应商中, Bright View Technologies、 Fusion Optix 和 Luminit 制造各种柔光膜。所有这些技巧还可以用来掩盖使用各种不同色度分档组成的 LED 阵列构成的 LED 系统时所发生的细微差异。 将这些技巧与 LED 结合起来,可打造低成本、业界领先、发光均匀的分布式照明应用。 IESNA 3IESNA 1213 412 IESNA 照明手册 ,第 9 版1213 销售部门联系。5 6 CREE T8Cree T8 演示灯具 14展示了在一根 8/8 (8 x 1/8 in. 直径的灯管中实现分布式照明的高质量、高光效。 9Cree T8这件演示

25、品的目的是向我们的客户展示,并期望 Cree 的分布式照明 LED 能被用来构建各种各样外观出色、光效高的灯具 。 在全亮度时,灯具的 “ 平滑外观 ” 部分的光输出为 630 lm/ft,系统光效约为 90 lm/W。 灯具的 “ 枕状外观 ” 部分的光输出约为 470 lm/ft。 取决于通量、色度、柔光和系统工程要求,有各种各样的外观效果和系统效率可供选择。 在客户作产品上市准备时, Cree 随时可以向他们提供协助。对于此件特定应用演示装置,还有其他几点需要加以说明。14 部件号 SSLDEMO-LMP-T11415 LED这件产品演示了使用 Cree ML-E 获得的柔和的分布式照明

26、 效果。此演示品中所用的 LED 选自 E5 组和 M3 (45.2 lm 通量分档。具体而言,这些装置采用两个相邻色度分档 5A3和 5D2 中交替变化的 4000K 色温的 LED 构建。从该演示 灯具获得的结果与采用这两个分档的 LED 混合而成的 LFL 灯具的结果难以区分。这两个分档落在 4 阶 MacAdam 椭 圆内。 2 2 1. 演示装置中包含长度为 6 in,节距为 1 in (2.54 cm (中心距 的 LED 和长度为 6 in,节距为 0.75 in (1.9 cm 的 LED,共 14只 LED,以串联阵列分布 (150 mA 44 VDC。2. 当 LED 之间的间隔为一英寸或更远时,就极难产生发光外观效果非常柔和的光。灯具中采用的柔光罩和受 T8 灯管限制的小光腔难 以将 LED 完全掩盖住。对于以这个节距分布的 LED,我们选用了一种差不多具有 “ 枕状 ” 外观的图案型柔光罩。 15 3. 对于以 0.75 in 节距分布的 LED,我们选用了一种传统的圆形对称柔光罩。 16直流电流通过一个 1.9 A、 24 V 恒压电