Cree XLamp_LED 在分布式照明中的應(yīng)用

1、CLD-AP43 REV 1 W W W . C R E E . C O M /X L A M P華剛國際貿(mào)易有限公司 香港沙田香港科學園科技大道東 2 號光電子中心 3 樓 301室 電話:+852 2424 8228傳真:+852 2422 2737Cree ® XLamp® LED 版權(quán)所有 ©2010 Cree, Inc. 保留所有權(quán)利。本文檔中的信息若有更改,恕不另行通知。 Cree 、 Cree 徽標和 Xlamp 是 Cree, Inc. 的注冊商標。簡介 .1分布式照明的一般要求 .2現(xiàn)有照明光源 .2照明要求 . . 2性能要求 . . 2實例

2、.3T8 仿真 .3討論和結(jié)論 . . 10設(shè)計技巧 .10附錄 .12IESNA 照度類別 .12能源之星對特定室內(nèi)和室外照明應(yīng)用的要求 .12Cree 可調(diào)光 T8 演示燈具 . . 14情況介紹 .14在電氣照明的第一個世紀,如今通用的燈泡燈具分離做法已 經(jīng)促使各種各樣基本照明 (燈或燈泡 技術(shù)的涌現(xiàn),這些燈有 數(shù)以千計的不同樣式和配置,還有數(shù)以萬計不同的燈具。大量 照明系統(tǒng),從隱蔽照明到嵌頂式燈盤,都能用單支 (或多支 直管型熒光燈 (LFL 來實現(xiàn)。分布式照明的許多功能性照明要求能通過使用小型 LED 陣列 來滿足。櫥柜照明、工作燈、戶外走道燈和柱燈等眾多應(yīng)用 的一些例子,都能使用

3、Cree XLamp LED 陣列經(jīng)濟地實現(xiàn)。 采用這款新一代 LED 組件,再借助合理的工程和設(shè)計實踐, 是可以達到 50-90 流明 /瓦的系統(tǒng)光效的。本應(yīng)用說明綜述了各種廣泛應(yīng)用場合下基于任務(wù)的照度要求, 以及幾種具體實現(xiàn)方法的能源之星要求。我們將更詳細地討 論其中兩種應(yīng)用,對重要的設(shè)計特征和生產(chǎn)要求作一回顧, 以創(chuàng)造出有吸引力、 (如果適當 并符合能源之星標準的燈具和燈泡。 在最通用的定義中,分布式照明光源是在照明應(yīng)用中使用發(fā)光表面的一種照明光源。若以線性照明表示,這些光源發(fā)出 5-50 lm/cm (12-125 lm/in 的光。若以面積表示,這些光源一般發(fā)出 1.540 lm/c

4、m2 (4-40 lm/in2 的光。此定義很廣泛,足以涵蓋直管型熒光燈、 緊湊型熒光燈 (CFL,小型白熾燈泡(例如 G5.3 燈頭 12-V 鹵素燈泡。若照明光源是隱藏的,例如櫥柜照明或洗墻照明應(yīng)用,那么光 源照明的均勻性并不非常重要。若用在直接可視的應(yīng)用場合,則從美學上講非常偏好采用平滑、均勻的照明表面。除了采用直管型熒光燈 (LFL 創(chuàng)造的許多區(qū)域照明應(yīng)用場合以外,某些應(yīng)用場合使用小型白熾燈泡,這些燈泡可發(fā)出暖白光,但光效較 差,只有 15 lm/W 左右。 T8 LFL 制定了燈效率的性能標準,效率要遠高于 90 lm/W。設(shè)計良好的系統(tǒng)能達到 70-90 lm/W 的效 率。在分布

5、式照明應(yīng)用中, LFL 也具有極柔和的發(fā)光外觀效果。在分布式照明應(yīng)用中,白熾燈泡最常用于照明光源隱藏的應(yīng)用場合,例如 櫥柜照明或隱蔽照明。 F32T8 燈管每延米可生成 2460 初始 “ 原始 ” 流明 (750 流明 /延尺 1; F28T5 燈管每延米可生成 2130 初始流 明 (650 lm/ft。如果用在 “ 典型的 ” 熒光燈中,并帶有光學器件和電源,通常會有最高不超過 30% 的損失;對于 T8,可產(chǎn)生每延米 1720 流明 (525 lm/ft “ 經(jīng)修飾 ” 或原位輸出,對于 T5,可產(chǎn)生每延米 1490 流明 (455 lm/ft 的 “ 經(jīng)修飾 ” 輸出。這些高效率燈泡

6、 通常用在一般的頂部照明中,但是它們也代表了高效率、高容量、低成本的照明技術(shù) 這對所有 LED 照明光源而言都是一個現(xiàn)成的競爭 性基準。(ANSI/IESNA北美照明工程協(xié)會 (IESNA 針對各種環(huán)境和任務(wù)制定了一個綜合系列的推薦實施規(guī)程。其中兩份文件 “ 照明工業(yè)設(shè)施推薦實施規(guī)程 ” (Recommended Practice for Lighting Industrial Facilities 和 “ 辦公室照明美國國家標準實施規(guī)程 ” (American National Standard Practice for Office Lighting,里面含有一些基于任務(wù)的照度推薦表,適合

7、于線性照明和區(qū)域照明應(yīng)用。這些推薦實施規(guī)程的通用框架 包含在 IESNA 照明手冊 (第 9 版 (IESNA Lighting Handook, 9th Edition 中。附錄的表 3 對這些一般類別和照度要求進行了 總結(jié)。 “IESNA 推薦實施規(guī)程 (RP 系列 ” 為更詳細的一組與位置相關(guān)的任務(wù)列出了照度要求。(2008 年美國能源部 /環(huán)?？偸鹞募?“ 能源之星 ®固態(tài)照明燈具標準 ” (ENERGY STAR® Program Requirements for Solid-State Lighting Luminaires2對各種照明類型和任務(wù)提出了一組初始的

8、性能要求。它標志著那些專業(yè)組織以外的機構(gòu)首次制定的照明系統(tǒng)政策 規(guī)范,并為 “ 優(yōu)質(zhì)照明 ” 應(yīng)用設(shè)定了初始的基準。照明和燈具制造商首先將這些要求作為競爭優(yōu)勢,然后作為最低市場標準。 Cree 在其 推薦的做法中將這些要求作為最低基本標準。附錄中包含了能源之星標準的摘要表格。1 沿燈管長度方向環(huán)形輻射的初始通量。這未考慮與燈具相關(guān)的損失,也未考慮燈隨著使用衰減后的標稱值。23 T8 T5 和 T8 LFL 設(shè)定了發(fā)光柔和、高效率和低成本照明光源的標準。自 2008 年以來,已有數(shù)十款基于 LED 的 T8 仿真產(chǎn)品陸續(xù)投放市 場。盡管它們的銷量都不是太大,但是市場上對 T8 仿真產(chǎn)品始終抱有興

9、趣。市場潛力非常大,因此市場調(diào)查分析員正在研究該領(lǐng)域,并 將提交相關(guān)正式報告。 3不過,盡管對基于 LED 的直管型熒光燈 (LFL 替換技術(shù)有濃厚興趣,美國能源部在 2010 年春季發(fā)布了兩則公告,極力主張直管型 LED 替換燈不能作為商業(yè)化產(chǎn)品使用,這就使得該項技術(shù)的潛在使用者選擇轉(zhuǎn)向其他技術(shù)。 4,5 這些論證嚴密的文件中顯示,大量 LED 替 換燈樣品經(jīng)過 CALiPER 項目第 5 輪和第 9 輪的評估測試,結(jié)論表明這些產(chǎn)品在效率、光效和顯色指數(shù) (CRI 方面與現(xiàn)有的 T8 技術(shù)相 比,達不到標準要求。如今市場上的直管型 LED 替換燈,在光輸出、色彩質(zhì)量、分布、流明維持或成本效益

10、方面,都無法與直管型熒光燈競 爭。美國能源部不推薦用直管型 LED 替換燈來替換直管型熒光燈。 6在 “ 性能規(guī)范系列:T8 替換燈 ” 中,美國能源部為此類產(chǎn)品提出了一些燈泡性能的推薦。它們包括:查看 CALiPER 測試的數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)需要在通量和光效方面提高 2-3 倍。美國能源部的推薦值能采用 XLamp ML-B 和 ML-E LED 陣列來達到。圖 1 顯示一些根據(jù) Cree 的產(chǎn)品參數(shù)工具 (PCT 獲得的可能配 置, PCT 是一個軟件系統(tǒng),它能模擬 Cree XLamp LED 的電氣、散熱和通量等特性。 73Electronicast Consultants ,加利福尼亞州阿

11、珀萊克。 “ 直管型 LED 燈,全球市場預(yù)測和分析 (LED Linear Tube Lamps, Global Market Forecast and Analysis, 2009-2016, ” 2010.4 美 國能源部, EERE , LED 應(yīng)用系列:直管型熒光替換燈 (LED APPLICATION SERIES: LINEAR FLUORESCENT REPLACEMENT LAMPS,DOE, Op. Cit.4 圖 1 顯示了一組基本假設(shè),如圖頂部中配置。在紫色的設(shè)置行中:目標色溫 (CCT 為 2700 K,以及假設(shè)系統(tǒng)能達到 90% 光學效率和 90% 電氣效率。從 M

12、L-B 和 ML-E 訂購代碼中選擇幾個有代表性的通量分檔,就能顯示許多種能在這個 T8 仿真應(yīng)用中提供創(chuàng)記錄水平通量和光效的可能 配置。保守一些以 150 mA 電流來驅(qū)動部件,可使用 70 至 110 個之間的 ML-B LED 構(gòu)建系統(tǒng),每個系統(tǒng)功耗在 42 至 67 W 之間,光 效在 40 65 lm/W 之間。 ML-B LED 線性陣列的節(jié)距在 1.8 到 1.1 cm 之間 (0.7 和 0.6 in。能使用 60 至 80 個之間的 ML-E LED 構(gòu)建系統(tǒng),每個系統(tǒng)功耗在 33 至 43 W 之間,光效在 60 80 lm/W 之間甚至更高。 ML-E LED 線性陣列的

13、節(jié)距在 2.0 到 1.5 cm 之 間 (0.8 和 0.6 in。這些類型的度量值表明,高效率驅(qū)動器和光學元件,可使產(chǎn)品達到與 LFL 相當?shù)墓庑?。如果沒有高效率的驅(qū)動器和光學元件,要達到高于 90 lm/W 的光效,則需要很低的驅(qū)動電流和額外增加 ML-E LED 數(shù)量,并且節(jié)距約 為 0.8 cm (0.3 in。在這個節(jié)距下,可以通過使用各種柔光罩將 XLamp ML-E LED 有效地掩蓋住。1Cree 2700 T8 5 為舉例說明 XLamp ML-E LED 的新能力,我們制作了幾塊 LED 節(jié)距分別為 2.54、 1.27 和 0.95 cm (1 in、 0.5 in 和

14、 0.375 in 的 小型電路板,并在這些電路板上面裝上暖白 ML-E LED。2 XLamp ML-E LED 3XLamp ML-E LED 150 mA覆蓋的柔光罩是一個直徑 1 英寸, 180 度的半圓柱,取自市場可購買的 T8 LED 仿真產(chǎn)品 8。盡管在 1 in 節(jié)距時,在圖中并不明顯, 但 XLamp ML-E LED 在這種配置中還是容易辨別;而在 0.375 in 節(jié)距時, LED 看上去就完美地柔合了。從表 2 (第 7 頁 中,我們能 看到,添加了柔光罩后,通量損失 9.1%,這在 90% 光學效率估計范圍之內(nèi)。表 1 對從 PCT 獲得的結(jié)果作了更詳細的描述 (圖

15、1 和相關(guān)討論,包括累積的 19% 系統(tǒng)損失 ,并使用 Cree 的三款產(chǎn)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 在不同節(jié)距下能實現(xiàn)的總通量進行對比。在表中, 2000 以上的流明值用綠色背景顯示, 1600 以下的流明值用紅色背景顯示, 1600 到 2000 之間的流明值用黃色背景顯示。盡管 CLA1A 已經(jīng) 用在許多分布式和線性應(yīng)用場合,不過效率更高的 XLamp ML-B 和 ML-E 是理所當然的繼任者。8 除非另外注明,我們在應(yīng)用說明的所有研究中都使用同一種柔光罩。6 1 T8 LED Cree LED

16、除此以外,附錄中還介紹了一種可調(diào)光 T8 演示燈具,它以 2.54 cm (1 in 和 1.9 cm (0.75 in 兩種節(jié)距使用 ML-E LED,以及一種 以 1.3 cm (0.5 in 和 1 cm (0.375 in 兩種節(jié)距使用 ML-B LED 的 T8 演示燈具?，F(xiàn)有的櫥柜燈具采用短的 (30-60 cm, 12-24 in T5 和 T8 熒光燈具以及低壓白熾燈具,例如 12-V 氙燈和鹵素燈泡。白熾燈具提供 15-16 lm/W 的平均光效。由于它們要求尺寸小,并且大批量制造要求選用低成本材料,因此大多數(shù)熒光燈具并不會好得多,系統(tǒng)的光 效顯著不足,通常只有 25-30

17、lm/W。這些燈具提供 656-853 lm/m (200-260 lm/ft 的線性照度。它們的通常安裝高度為 45-60 cm (18-24 in,在此高度下,它們的照 度值為 100-500 lux,提供了 IESNA 照度類別中 D、 E 和 F 三個類別所要求的大部分通量。這是執(zhí)行照亮高對比度和大尺寸物體的視 覺作業(yè)到執(zhí)行照亮低對比度和小尺寸物體視覺作業(yè)所需的照明。為定量描述此類燈具的性能,我們對有代表性的 18 in 櫥柜燈,連同許多采用 XLamp MX-6 和 ML-E LED 的同類配置進行了積分球測量。7 銷售部門聯(lián)系。表 2采用 LED 可制成非常薄的燈具。最近的一個商用

18、實例是 Utilitech 29112,其厚度為 1.5 cm (5/8 in。與目前采用 T8 和白熾燈泡的 產(chǎn)品相比,這是一個明顯的優(yōu)勢。4The Utilitech 29112櫥柜照明中一個常見而又易被忽視的問題是,多個照明光源會產(chǎn)生多個陰影。取決于燈具設(shè)計,這多個陰影在許多閱讀任務(wù)中會造成干擾 問題。熒光燈管的問題最少,因為它們只有單個發(fā)光照明表面。在光譜的另一端,許多采用數(shù)個等間距分布的燈泡的 45 和 60 cm (18 和 24” 櫥柜會由于多點照明光源產(chǎn)生的多個陰影而造成干擾。5 XLamp MX-6 LED 3.5 in 8 添加一個相距較近的柔光罩之后,可部分掩蓋單個 LE

19、D 以及它們投下的陰影,但是并沒有完全解決問題。為了在此應(yīng)用場合中使用間隔 寬的 LED ,需要考慮光腔和柔光罩設(shè)計。6 LED 減少櫥柜照明中多個陰影的一種有效方法是使用更多數(shù)量的低通量 LED,例如 XLamp ML-B 和 ML-E LED。使用數(shù)量更多、光效更高 的小型 LED,以便采用較透明的柔光罩和 /或更小的 LED 與柔光罩間距,從而改善光學性能。在這種間接觀看的任務(wù)照明中,柔光程度 需要將多個陰影減到最少,而不是模仿直管型熒光燈源實現(xiàn)完全均勻的發(fā)光效果。9 銷售部門聯(lián)系。7 XLamp ML-E LED 圖 8設(shè)計優(yōu)良的 LED 燈沒有任何理由不能成為櫥柜照明中占主導地位的一

20、種照明形式。獨特的薄型設(shè)計,加上柔和適度的亮度,將使之成為 勝之一籌的技術(shù)解決方案。針對分布式照明和陣列式照明優(yōu)化的 LED,例如 Cree XLamp MX-3、 ML-B 和 ML-E,是這些任務(wù)的首選。 XLAMP LED最適合分布式照明應(yīng)用的 LED 具有幾個共同屬性。 均勻的角向色度 能以最少的二次光學元件,在燈具或燈泡的照度特性范圍內(nèi)提供均勻的色彩 封裝小,器件光效高,每個部件能提供 40-100 流明 同類最佳的色彩穩(wěn)定性和流明維持率 色彩分檔細,使大批量生產(chǎn)可以制造出可預(yù)測、可重復的產(chǎn)品陣列XLamp ML-B 和 ML-E LED 適合分布式照明。我們在櫥柜照明和 T8 照明

21、應(yīng)用中所用的原型產(chǎn)品顯示我們能用光效大于 60 lm/W 的暖 白系統(tǒng)制造分布式照明產(chǎn)品,這與圖 1 中的 PCT 模擬一致。這些照明實驗尚未經(jīng)過系統(tǒng)級優(yōu)化,而且,經(jīng)過適當?shù)脑O(shè)計優(yōu)化之后,應(yīng)當 可以輕松實現(xiàn) 5-10% 的光效提高。適合更大陣列的電源分布式照明和線性照明應(yīng)用常常配置有大量的 LED (10 個到 100 個 。將這么多 LED 組織起來并供電,是系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的考慮 因素?？捎玫慕鉀Q方案有許多,從多路電源為串聯(lián)或并聯(lián)的 LED 供電,到單路電源驅(qū)動串聯(lián) LED 組成的并聯(lián)組,以及介于兩者之間的 解決方案。電路板布局盡管單個中等通量的 LED 不會散發(fā)大量熱量,但若以陣列的形

22、式使用時,熱負荷就是設(shè)計時需要考慮的方面。 FR-4 電路板是此類設(shè)計 最常用的材料,采用如 Cree 應(yīng)用說明 AP-38 “ 優(yōu)化 Cree® XLamp® LED 的 PCB 熱性能 ” 中所述的散熱過孔會有些好處。 9 或者, 也可以將小型金屬核心電路板 (MC-PCB 連接到鋁制或其他金屬制的燈具框架上,以獲得通常足夠的導熱效果。光腔許多分布式照明應(yīng)用都用在空間受限的環(huán)境中。櫥柜照明常常受到櫥柜凹處厚度的限制; T8 替換燈泡則最常受到 8/8 設(shè)計中 1-in 直徑 的限制。1011 版權(quán)所有 © 2010-2011 Cree, Inc. 保留所有權(quán)利

23、。本文檔中的信息若有更改,恕不另行通知。 Cree 、 Cree 徽標和 Xlamp 是 Cree, Inc. 的注冊商標。本文檔所提供的信息僅供參考,不作為擔?；蛘邽榱双@得盡可能好的效果,光腔應(yīng)與高效漫射反光杯對齊。 10 如果在直接照明應(yīng)用中,要將柔光罩與線性陣列或面積陣列結(jié)合使用,那 么有幾種方法可達到柔和平滑的外觀效果,可以用其他空間周期性特性或通過漫射來掩蓋 LED 陣列。 燈具中常見的幾何特性 例如 LFL 燈盤中普遍采用的散熱網(wǎng) LED 燈或燈具的二次光學器件中的常見幾何特性 采用柔光罩和光腔優(yōu)化隱藏點光源Cree 網(wǎng)站上列出了柔光膜和其他二次光學器件的供應(yīng)商。 11 在列出的眾

24、多光學器件供應(yīng)商中, Bright View Technologies、 Fusion Optix 和 Luminit 制造各種柔光膜。所有這些技巧還可以用來掩蓋使用各種不同色度分檔組成的 LED 陣列構(gòu)成的 LED 系統(tǒng)時所發(fā)生的細微差異。 將這些技巧與 LED 結(jié)合起來,可打造低成本、業(yè)界領(lǐng)先、發(fā)光均勻的分布式照明應(yīng)用。 IESNA 3IESNA 1213 412 IESNA 照明手冊 ,第 9 版1213 銷售部門聯(lián)系。5 6 CREE T8Cree T8 演示燈具 14展示了在一根 8/8 (8 x 1/8 in. 直徑的燈管中實現(xiàn)分布式照明的高質(zhì)量、高光效。 9Cree T8這件演示

25、品的目的是向我們的客戶展示,并期望 Cree 的分布式照明 LED 能被用來構(gòu)建各種各樣外觀出色、光效高的燈具 。 在全亮度時,燈具的 “ 平滑外觀 ” 部分的光輸出為 630 lm/ft,系統(tǒng)光效約為 90 lm/W。 燈具的 “ 枕狀外觀 ” 部分的光輸出約為 470 lm/ft。 取決于通量、色度、柔光和系統(tǒng)工程要求,有各種各樣的外觀效果和系統(tǒng)效率可供選擇。 在客戶作產(chǎn)品上市準備時, Cree 隨時可以向他們提供協(xié)助。對于此件特定應(yīng)用演示裝置,還有其他幾點需要加以說明。14 部件號 SSLDEMO-LMP-T11415 LED這件產(chǎn)品演示了使用 Cree ML-E 獲得的柔和的分布式照明

26、 效果。此演示品中所用的 LED 選自 E5 組和 M3 (45.2 lm 通量分檔。具體而言,這些裝置采用兩個相鄰色度分檔 5A3和 5D2 中交替變化的 4000K 色溫的 LED 構(gòu)建。從該演示 燈具獲得的結(jié)果與采用這兩個分檔的 LED 混合而成的 LFL 燈具的結(jié)果難以區(qū)分。這兩個分檔落在 4 階 MacAdam 橢 圓內(nèi)。 2 2 1. 演示裝置中包含長度為 6 in,節(jié)距為 1 in (2.54 cm (中心距 的 LED 和長度為 6 in,節(jié)距為 0.75 in (1.9 cm 的 LED,共 14只 LED,以串聯(lián)陣列分布 (150 mA 44 VDC。2. 當 LED 之間的間隔為一英寸或更遠時,就極難產(chǎn)生發(fā)光外觀效果非常柔和的光。燈具中采用的柔光罩和受 T8 燈管限制的小光腔難 以將 LED 完全掩蓋住。對于以這個節(jié)距分布的 LED,我們選用了一種差不多具有 “ 枕狀 ” 外觀的圖案型柔光罩。 15 3. 對于以 0.75 in 節(jié)距分布的 LED,我們選用了一種傳統(tǒng)的圓形對稱柔光罩。 16直流電流通過一個 1.9 A、 24 V 恒壓電