據(jù)國(guó)際能源署估計(jì),全球超過19%的電能需求用于照明。因此,全球各地都在努力用更高效的解決方案取代效率低下的白熾燈光源。
在消費(fèi)者層面遏制電能需求的重點(diǎn)一直是推動(dòng)采用緊湊型熒光燈的計(jì)劃燈(CFL)。使用CFL的選擇并非沒有結(jié)果;每個(gè)燈泡都含有汞,如果處理不當(dāng),最終會(huì)進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)。此外,外形尺寸并非適用于所有照明應(yīng)用。一種備受關(guān)注的替代方案是磷光體轉(zhuǎn)換的“白色”LED。 LED流明輸出和功效 - 流明輸出與輸入功率的測(cè)量 - 繼續(xù)逐年取得重大進(jìn)展,同時(shí),流明/美元的成本正在下降。除了節(jié)能之外,高亮度LED在正確設(shè)計(jì)和操作時(shí)的使用壽命可超過50,000小時(shí),從而消除了更換燈泡的成本。
現(xiàn)成的鹵素臺(tái)燈被用作演示的基礎(chǔ)。當(dāng)今最新生產(chǎn)LED光源的真實(shí)世界表現(xiàn)。使用CreeXLAMP?MC-E LED作為光源。該產(chǎn)品在一個(gè)緊湊的封裝中集成了四個(gè)LED,非常適用于MR-16和便攜式工作燈等定向照明應(yīng)用。原始燈具在改裝前后進(jìn)行了表征,以突出現(xiàn)實(shí)世界的性能差異。
圖1:現(xiàn)成的50 W鹵素便攜式臺(tái)燈。
圖2:帶有保護(hù)玻璃蓋和手柄的燈泡外殼中的50 W燈泡。
圖3:60 Hz鐵芯變壓器,2.4磅。
固態(tài)照明的DoE能源之星標(biāo)準(zhǔn)燈具(版本1.1 - 12/19/08)包括便攜式住宅臺(tái)燈的最小功率因數(shù)(PF)為0.7的要求。此功率級(jí)別的典型LED驅(qū)動(dòng)器通常具有0.5-0.6的PF,低于要求。此處介紹的解決方案專門設(shè)計(jì)用于超出住宅ENERGYSTAR?PF要求,無需添加額外電路。
鹵素白熾燈泡通常在250-350oC的溫度下工作,因此,燈具必須為用戶提供安全保障。在這種情況下,玻璃蓋板限制進(jìn)入燈泡以保護(hù)使用者,并且塑料外殼在燈泡上方提供隔熱罩。即使有這些安全措施,這款鹵素?zé)艟咭舶ㄒ粋€(gè)桿端的手柄,使用戶可以安全地瞄準(zhǔn)燈。玻璃是特殊的,因?yàn)樗Y(jié)合了一個(gè)過濾器,以減少鹵素?zé)襞莓a(chǎn)生的不必要的紫外線。這些臺(tái)燈中使用的典型12伏鹵素?zé)襞莸男史秶鸀?4至18 lm/W.請(qǐng)注意,如圖3所示,這只是燈泡的額定功效,不包括燈具損耗或位于燈座底部的變壓器損耗。
高亮度LED顯示出明顯更高的光轉(zhuǎn)換效率,因此對(duì)于給定的光輸出產(chǎn)生更少的廢熱。較少的廢熱意味著燈組件運(yùn)行得更冷,并且不會(huì)使用戶暴露在危險(xiǎn)的高溫下。燈泡組件經(jīng)過重新設(shè)計(jì),散熱片(圖4)安裝在燈泡夾具的現(xiàn)有塑料外殼內(nèi)。下面所示的鑄鋁插件安裝在燈殼中。中性白色Cree MCE(代碼 - 000-KE5 - 4000 K)安裝在金屬芯PCB子底座上以幫助組裝。使用和不使用二次光學(xué)器件評(píng)估LED性能。選擇該LED以滿足能源之星相關(guān)色溫(CCT)要求,并且具有足夠的通量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了SSL家用臺(tái)燈要求的燈具200流明的最低要求。 LED的額定電流為370至430流明,測(cè)試電流為350 mA,溫度為25°C??紤]到實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流(630mA)和穩(wěn)態(tài)工作溫度,LED的估計(jì)流明輸出范圍為450至600流明,具體取決于散熱器設(shè)計(jì)。二級(jí)光學(xué)元件是FRAEN的現(xiàn)成32度反射器(FRC-M1-MCE-0R),專為MC-E設(shè)計(jì)。
圖4:燈的定制散熱器shell。
圖5:Cree MC-E安裝在子底座上并連接到散熱器。
圖5a:Cree MC-E包括反射鏡光學(xué)器件。 》 LED組件由安森美半導(dǎo)體NCP1014LEDGTGEVB LED驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板供電。這種高效驅(qū)動(dòng)器可為L(zhǎng)ED陣列提供所需的電流隔離和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流。它具有90至265 VAC的通用輸入功率范圍,允許一種設(shè)計(jì)用于多個(gè)區(qū)域,只需更換墻上插頭的電纜。現(xiàn)有的鹵素鐵芯變壓器不是這種情況,因?yàn)樗鼘iT針對(duì)一種線電壓范圍而設(shè)計(jì)。
圖6:正常負(fù)載下NCP1014LEDGTGEVB的功率因數(shù)性能。
評(píng)估板支持使用電位計(jì)進(jìn)行可變調(diào)光,電流調(diào)節(jié)范圍為100至630 mA。 630 mA最大電流設(shè)置為安全地保持在Cree MC-E的700 mA最大工作電流以下。圖6顯示了作為輸入線電壓函數(shù)的NCP1014LEDGTGEVB LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)校正性能的典型曲線。如圖所示,對(duì)于美國(guó)線路電壓范圍,功率因數(shù)遠(yuǎn)高于0.8,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ENERGY STAR住宅SSL燈具0.7的要求。該驅(qū)動(dòng)器還滿足IEC61000-3-2 Class C的諧波含量要求。
圖7所示為安裝在臺(tái)燈底座上的LED驅(qū)動(dòng)板。注意,由于提供平衡的原始變壓器從基座移除,因此需要壓載重量來穩(wěn)定燈。在專為L(zhǎng)ED而優(yōu)化的便攜式臺(tái)燈設(shè)計(jì)中,底座將更寬更平,以便在不需要增加重量的情況下穩(wěn)定燈組件。圖8顯示了安裝在展示柜中的LED驅(qū)動(dòng)器演示板,沒有支撐頭部所需的配重。
表1中顯示的數(shù)據(jù)是在臺(tái)燈上收集的,原裝50瓦鹵素?zé)襞莺?5瓦替代燈泡鹵素?zé)襞?。轉(zhuǎn)換到LED光源后進(jìn)行的附加測(cè)量顯示有或沒有額外的光學(xué)反射器,將雜散光重定向到更中心的位置。以勒克斯表示的照度是距離光源0.5米處的表面上的發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量值
圖7:NCP1014LEDGTGEVB恒流驅(qū)動(dòng)板安裝在臺(tái)燈底座上。
圖8:帶備用底座。
配置設(shè)置源照度(勒克斯)引腳(W )50 W鹵素?zé)襞cCree MC-E相比,F(xiàn)RAEN反射器光學(xué)器件高鹵素1462 56.6 LED(IDrive = 630 mA)2596 10.9低鹵素744 40.9 LED(IDrive = 100 mA)646 1.67 35 W鹵素?zé)襞cCree MC-E相比無二次光學(xué)高鹵素847 40.4 LED(IDrive = 630 mA)962 10.9低鹵素435 29.4 LED(IDrive = 100 mA)236 1.67表1:比較之前和之后。
比較光源正下方的照度重要的是,光在表面上的均勻分布也很重要,因此,在距中心偏移0.25米處選擇其他測(cè)試點(diǎn)以表征在正常操作條件下光的分布??偨Y(jié)如表2所示。
燈泡照度@ 0.25m偏移(勒克斯)分析左右前方均值Sigma 50 W鹵素?zé)?53 800 727 793 51.6 LED光纖580 577 529 562 23.4 35 W鹵素?zé)?96 485 443 475 22.8 LED 518 527 490 512 15.7表2:配光比較
在本例中,轉(zhuǎn)換后的LED臺(tái)燈產(chǎn)生的照度比35瓦鹵素?zé)襞莞?3%,但耗電量減少73%。有趣的是,在原來的50瓦臺(tái)燈中單獨(dú)檢查磁性變壓器的性能后,它的損耗大約為8.3瓦,超過了轉(zhuǎn)換臺(tái)燈中LED的8.0瓦特。換句話說,原裝鹵素?zé)舻鬃械淖儔浩鞅绒D(zhuǎn)換后的臺(tái)燈中的LED消耗的電量更多。圖9顯示了左側(cè)鹵素?zé)艉娃D(zhuǎn)換后的LED燈之間的亮度模式比較。正確的。比較是在一個(gè)35瓦的鹵素?zé)襞莺蜎]有任何二次光學(xué)元件的LED之間。注意由GY6.35鹵素?zé)襞莸墓軤钚螤町a(chǎn)生的不均勻圖案。相反,LED組件安裝在散熱器的圓形凹陷區(qū)域中,如圖5所示。這提供了更圓的光圖案,在所有方向上均勻照明。高亮度LED由于其朗伯的光結(jié)構(gòu)而在提供均勻的定向光分布方面表現(xiàn)優(yōu)異。
使散熱器內(nèi)的LED凹陷有利于使用二次光學(xué)器件的可能性,并且如果燈處于視線水平則避免可能的眩光。如表1所示,通過加入額外的反射鏡光學(xué)系統(tǒng),中心照度增加了170%。將LED性能與高效驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)成光學(xué)元件相結(jié)合,可提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鹵素?zé)艟叩恼彰鹘鉀Q方案。
圖9:35W鹵素?zé)艉蚅ED燈的光圖案。覆蓋鹵素?zé)襞莸谋┞恫AО宓谋砻嬖?50℃下測(cè)量。相比之下,LED安裝基板的最高溫度僅為77℃。由于這是一次改造,現(xiàn)有的用于鹵素?zé)襞莸牟煌獾乃芰贤鈿け恢貜?fù)使用。移除塑料蓋后,LED安裝溫度降至低于63°C;如果產(chǎn)品針對(duì)LED操作進(jìn)行了優(yōu)化,則熱環(huán)境將進(jìn)一步改善,因?yàn)楦鶕?jù)最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮,可以重新設(shè)計(jì)或移除非通風(fēng)蓋。另請(qǐng)注意,在正常驅(qū)動(dòng)條件下(350 mA),蓋板上的LED安裝溫度為49°C。
能耗的好處很明顯。更高的效率,更小的尺寸和重量以及更低的LED功耗為創(chuàng)新的燈具設(shè)計(jì)打開了大門,這些設(shè)計(jì)歷來受到鹵素?zé)襞菹拗频南拗?。?dāng)與適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合使用時(shí),可以實(shí)現(xiàn)有效的解決方案,以簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),這樣,只需稍加改動(dòng),就可以在世界各地銷售相同的產(chǎn)品。此外,可調(diào)節(jié)控制允許用戶進(jìn)一步優(yōu)化光輸出以滿足其特定的環(huán)境需求,而不是傳統(tǒng)的基于鹵素的臺(tái)燈的一個(gè)或兩個(gè)光級(jí)。在較低的亮度設(shè)置下,節(jié)能效果會(huì)大幅提升。
針對(duì)90至265 VAC的通用交流輸入進(jìn)行了優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器允許制造商針對(duì)所有市場(chǎng)使用一種基本燈具設(shè)計(jì),并且只需要按地區(qū)更換電源線?;谧钕冗M(jìn)的LED(如Cree XLAMP MC-E)并由高效恒流源驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的燈具將允許引入新的持久,節(jié)能的通用照明產(chǎn)品。雖然此示例顯示了改造應(yīng)用的性能,但如果燈具從一開始就專門設(shè)計(jì)了LED,則可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。
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