LED灯具培训资料.doc

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LED 知识培训资料
LED 光源
◎基本认识:
LED（LightEmittingDiode） ，又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料， 当两端加上正向电压， 半导体中的载流子发生复合， 放出过剩的能量而引起光子发射产生可 见光。 （一）LED 的发展历史。 应用半导体 PN 结发光源原理制成 LED 问世于 20 世纪 60 年代初，1964 年首先出现红 色发光二极管，之后出现黄色 LED。直到 1994 年，蓝色、绿色 LED 才研制成功。1996 年 由日本 Nichia 公司（日亚）成功开发出白色 LED。LED 以其固有的特点，如省电、寿命长、 耐震动、响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领 域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信 号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近年来， 随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED 制造工艺的不断进步和新材料（氮化物 晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度 LED 取得了突破性进展，其发光效率 提高了近 1000 倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白 光 LED 的出现，使 LED 应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高 亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。 （二）LED 发光原理发光二极管主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。 其发光体—晶片的面积为 10.12mil(1mil=0.0254 平方毫米)，目前国际上出现大晶片 LED，晶片面积达 40mil。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和 光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电 的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合， 电子和空穴消失的同时产生光子。 电子和空穴 之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应， 可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。 由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。LED 照明光源的主流将是 高亮度的白光 LED。目前，已商品化的白光 LED 多是二波长，即以蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光 LED，即以无机紫外光晶片加红、 蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及 LED 背光源 等市场。 （三）LED 光源的基本特征 1、发光效率高 LED 经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤 钨灯光效为 12－24 流明/瓦，荧光灯 50～70 流明/瓦，钠灯 90～140 流明/瓦，大部分的耗电 变成热量损耗。LED 光效经改良后将达到达 50～200 流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱
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窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究， 在不远的将来其发光效率将有更大的提高。 2、耗电量少 LED 单管功率 0.03～0.06 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.5～3.5 伏， 电流 15~18 毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡 的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的 LED 替 代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于 60 亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效 果的一支日光灯 40 多瓦，而采用 LED 每支的功率只有 8 瓦，而且可以七彩变化。 3、使用寿命长采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采 用 LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平 均寿命达 10 万小时。LED 灯具使用寿命可达 5～10 年，可以大大降低灯具的维护费用，避 免经常换灯之苦。 4、安全可靠性强发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及 发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可 以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。 5、有利于环保 LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污 染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当 然，节能是我们考虑使用 LED 光源的最主要原因，也许 LED 光源要比传统光源昂贵，但是 用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得 4～9 年中每年几倍的节能净收益期。
◎照明常用术语:
◆光通量 光源每秒种发出的可见光量之和，简单说就是发光量。 符号 Φ，单位：流明（lm） 。 ◆照度 单位面积内入射的光通量，也就是光通量除以面积所得到的值。 照度分为水平照度和垂直照度。 水平照度为光通量入射水平表面的照度， 垂直照度为光 通量入射到垂直面的照度。符号 E，单位：勒克司（lux） 。 ◆光强 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。 符号 I，单位：坎德拉 （cd） 。 ◆光效 电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。 （衡量光源节能的 重要指标） 符号 lm/W，单位：每瓦流明 （Lm/w） 。 ◆平均寿命 指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时数。
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单位：小时（H） 。 ◆经济寿命 在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下， 其综合光束输出减至一特定的小时 数。单位：小时（H） 。 此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。 ◆色温 以绝对温度 K 来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为 该光源之色温。 光源色温不同，光色也不同： 色温在 3300K 以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖的感觉； 色温在 3000--6000K 为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉； 故称为"中性"色温。 色温超过 6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉， a. 色温与亮度 高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源 照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。 b. 光色的对比 在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色 对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。 采用低色温光源照射，能使红色更鲜艳； 采用中色温光源照射，使蓝色具有清凉感； 采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。 ◆显 色 性 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 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。
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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。
◎LED 技术参数:
发光角度 LED 发光角度一般是可视角度。如下图:
正向电压（Vf）: 当 PN 结两端加正向电压（即 P 侧接电源的正极，N 侧接电源的负极） ，此时 PN 结呈 现的电阻很低，正向电流大（PN 结处于导通状态） 。 蓝光，绿光，白光 Vf 一般在 3.2~3.6v。 红光，黄光 Vf 一般在 2.0~2.3。 正向电流（If）: 导通情况下的流过 LED 的最大电流。 一般小功率 LED，If 在 2~50mA。大功率 LED，If 在 100mA~1A。 最大结温: LED 半导体晶片的最大实际温度。 注意： 1. LED 应使用直流电源供电 2. 需注意防静电措施
结合一些具体实物讲解
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LED 应用灯具培训资料
LED 照明光源应用领域 1. 长期以来，由于 LED 光效低的原因，其应用主要集中在各种显示领域。 2. 随着超高亮度 LED（特别是白光 LED）的出现，在照明领域的应用成为可能。据国 际权威机构预测，二十一世纪将进入以 LED 为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新 光源。 目前 LED 灯具已应用在如下方面： 1) 室内照明 装饰照明，如室内射灯，壁灯，台灯，客房灯等 家庭照明，如日光灯，节能灯泡等 2) 室外照明 包括投光灯，泛光灯，标志灯，广告牌，水底灯，轮廓灯（护栏管，灯带） ，数灯，点 光源等 3) 环境灯光 包括路灯、景观灯、艺术灯等，而且环境灯光现已有与太阳能，风能结合的案例。 LED 照明光源技术的应用前景及趋势 （一）前景及发展趋势 目前，照明消耗约占整个电力消耗的 20％，大大降低照明用电是节省能源的重要途径， 为实现这一目标，业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距 离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在 必行。LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对 LED 照明效益进行了预测，美国 55％的白炽灯及 55％的日光灯被 LED 取代，每年节省 350 亿美 元电费，每年减少 7.55 亿吨二氧化碳排放量。日本 100％的白炽灯换成 LED，可减少 1～2 座核电厂发电量，每年节省 10 亿公升以上的原油消耗。台湾地区 25％的白炽灯及 100％的 日光灯被白光 LED 取代，每年节省 110 亿度电。日本早在 1998 年就编制“21 世纪计划” ， 针对新世纪照明用 LED 光源进行实用性研究。近年来，日本日亚化工、丰田合成、SONY、 佳友电工等都已有 LED 照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE 等也投 入大量的人力物力进行 LED 照明产品的研究开发和生产。 美国 GE 公司和 EMCORE 公司合 作成立新公司，专门开发白光 LED，以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德 国欧司朗公司与西门子公司合作开发 LED 照明系统。 台湾目前的 LED 产量仅次于日本列在 美国之前，从 1998 年开始投入 6 亿台币进行相关开发工作。LED 发展历史已经几十年，但 在照明领域的应用还是新技术。随着 LED 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED 的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED 在照明市场 的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来 10 年成为最被看好的市场以及最大的市场，也 将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。 （二）照明应用中存在的主要技术问题 近年来，LED 的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯
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采用的白色 LED 发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方 面仍存在一些技术性问题：一是光通量有待进一步提高。采用 LED 作为照明光源，必须可 以发出更多的光，必须具有更高的能量效率。二是 LED 发出的光与自然光仍有一定的差距。 白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光 LED 发出的白光带有蓝 色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。三是价格较高。这是影响 LED 照 明普及的主要原因。但是，近年来出于晶片技术的改良，制造成本正在急剧下降，近三年来 LED 的价格下降了近 50％，其正朝着高效率、低成本的方向发展，这为 LED 在照明领域的 应用提供了有利条件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。
◎大功率 LED 灯具常用技术参数
●功率 输入功率:灯具整体实际消耗的能量。实际上是灯具的总功率。 LED 功率: LED 灯珠实际消耗的能量。 ●供电 驱动方式 恒流驱动：电流基本稳定，主要用串联来驱动 LED。 恒压驱动：电压稳定，主要用并联方式来驱动 LED，需要加限流电阻。 输入电压 交流电 用在市电线路上，适用在不同国家 AC100~110，AC220~240V。 直流电 用在室内室外专用电源或者太阳能、蓄电池线路上，一般 DC12V，DC24V。 电源效率 功率因数：所谓功率因数，是指任意二端网络（与外界有二个接点的电路）两端电压 U 与其中电流
I 之间的位相差的余弦 。在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率
安全认证
CCC，CE，UL
●控制方式： 时间自动控制 亮度自动控制 输出功率控制 ●发光角度 一般指二次配光后的可视角度。 ●照射范围 灯具配光以后的可达到照射区域。 ●平均照度 一定范围内的照度平均值。
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●中心照度 灯具一定直线距离内最大的照度值，通常直接量取。 ●均匀度 路面照度均匀度 ●材质 灯体散热材料，质量 光学材料 ●防护等级 防尘防水 ●灯具寿命 一般取决大功率 LED 半衰期及配套驱动电源寿命。 目前 LED 产品品质保证：1.5~2 年
◎ 灯具相关标准要求
LED 灯具目前暂缺国家标准，但具体应用上依旧要求遵守各自领域的原标准。
◎ LED 路灯组成
1. 太阳能路灯
系统由太阳能电池组件部分（包括支架） 、LED 灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成
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2. 普通路灯
普通路灯一般由灯具（LED 灯头）和灯杆两部分构成。 如果要实现智能控制，只要上加光控开关或时控开关即可实现自动控制。
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3. 风光互补路灯
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系统由灯具（LED 灯头） 、太阳能电池板、蓄电池、风力发电机、光控开关或时控开关和灯杆几部分 构成。 太阳能电池板，风力发电机采积能源由蓄电池保存，光控开关或时控开关控制什么时候让灯具消耗蓄 电池的能源！
◎ LED 景观灯
LED 草坪灯
由灯壳和光源组成。 太阳能草坪灯无控制器和蓄电池。
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LED 庭院灯
庭院灯一般由灯具（光源）和灯杆两部分构成。 太阳能庭院灯可按要求实现有无控制器和蓄电池。
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◎ LED 灯具的安规要求
LED 灯具在 UL 标准的分类
以下首先针对 LED 灯具、LED 灯泡及 LED 驱动器等三种基本产品分类，及其分别沿用 至各成品或零件时，所应参考的 UL 安规标准及应特别注意事项，以做为业者欲进行产 品安规检测的基本指南。不过该表仅供读者参考，产品实际的归类，仍须依产品的用途 及其使用环境来决定。 应用产品 安规标 准 注意事项
LED 灯具 指示灯 UL 48 涵盖可携式灯具，通过电源线 的插头连接标称为 120 伏特 15 或 20 安培的分支电路上 涵盖固定式灯具，使用于非危 险区域且装设于低于 600 V 的 分支电路上。
手把灯、 厨柜灯、 桌灯、 UL 153 立灯、壁灯等 (皆为带 电源线插头) 圣诞灯串 紧急指示灯， 出口灯 展示柜、镜灯 舞台灯 UL 588 UL 924 UL 962 UL 1573
台阶灯、?灯、吸顶灯、 UL 1598 吊灯、壁灯、路灯、柱 灯等 (皆不带电源线插 头) 小夜灯 UL 1786
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低压花园灯 (不带电源 UL 1838 线插头) 水管灯 LED 灯泡 指示灯泡 LED 灯泡 (ANSI Base)，内含驱动电路 UL 496 UL 1993 UL 2388
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E27 Base 是欧规，不能使用在 北美市场。北美市场需用 E26 Base
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LED 灯泡 (非 ANSI Base)，内含驱动电路
UL 496
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LED 模块， 不含驱动电 UL 路 60950-1 LED 驱动器 电源供应器 (可带 LPS UL 安全回路) 60950-1
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输出 LPS 安全回路，则 LED 模块及 LED 控制模块不需电 气外壳 (Enclosure) LED 模块及 LED 控制模块需 提供适当电气外壳 (Enclosure) 保护 输出 Class 2 安全回路， LED 模块及 LED 控制模块不需电气 外壳 (Enclosure) 输出 LPS /Class 2 安全回路， 则 LED 模块及 LED 控制模块 不需电气外壳 (Enclosure) LED 模块及 LED 控制模块需 提供适当电气外壳 (Enclosure) 保护
电源供应器 (不带 Class 2 安全回路)
UL 1012
电源供应器 (带 Class UL 1310 2 安全回路)
驱动器 (可带 LPS/ Class 2 安全回路)
UL 935
低压花园灯电源供应器 UL 1838
Subject 8750 的安全评估与测试
在大略了解各产品应参考的标准后，以下将简单说明与上述标准互补的 Subject 8750。 Subject 8750 目前已更新至第 3 修订版，内容共分为 12 章，其中第 1 - 4 章为： 包含范畴，定义等总章；第 5 - 9 章为：结构要求；第 10 - 11 章为：测试评估；第 12 章则为：产品标示。以下即针对“结构要求”与“测试评估”等两大内容架构陈述。 不过在此特别提醒读者，由于每一本安规标准的产品用途与使用环境规定有所不同，因 此采用 Subject 8750 条文规范的程度自然也不尽相同。
一、结构要求 (5 - 9 章)
1. 使用环境考量：产品使用在不同环境下，如干燥 (Dry)、潮湿 (Damp)、户外 (Wet) 等场所，安规标准对于带电体的间距、塑料外壳、测试、警示标语 (Marking) 等，会 有不同的要求。 2. 机械性结构要求：此部份首重外壳的安全要求，并着重在防火、防电击、防碰撞等 性能；另在金属外壳的厚度、 防腐蚀性及塑料外壳的物理特性也有所要求，其它还有 对隔板、内线保护、抗拉、灌胶等规定。
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3. 电气性结构要求：包括危险带电体的避免接触、外露的结线端子、内部结线、供电 端与负载端的连结、电路的隔离、绝缘材质的使用、印刷电路板的规格、带电体的间距、 电子零件、保护装置、及 Class 2 或 LPS 安全回路的能量限制等，皆在此部份的规范 范围内。 4. 其它要求：如 LED 电源、LED 数组、LED 模块及 LED 控制模块等安全及外壳要求 等。LED 的电源可以是下列标准所验证的电源供应器，包括 UL 1012，UL 1310 及 UL 60950-1。基本上，LED 数组、LED 模块及 LED 控制模块只要位于 LPS /Class 2 安全 回路上，就没有任何电气外壳的要求。LED 灯具对于电源输出方式的规定为基本绝缘， 与完全没有隔离是一样的。对于 LED 数组、LED 模块及 LED 控制模块，如果使用的电 源不用大到超过 LPS /Class 2，建议最好要符合 LPS /Class 2。反之，若使用的能量 将大于 LPS /Class 2，则有没有提供隔离一次侧与二次侧电源电路的绝缘，对塑料外 壳的要求上，是没有差别的。
二、测试评估 (10 - 11 章)
在 Subject 8750 的测试项目部份，UL 对产品常进行的测试如后：输入测试 (Input Test)、温升测试 (LED Module Normal Operations Temperature Test)、绝缘耐压测 试 (Dielectric Voltage Withstand Test) 、 异 常 操 作 测 试 (Abnormal Condition Tests)、电子零件异常测试 (Unreliable Component Abnormal Test)、50 瓦电路量测 (50-W Point Power Measurement Test) 等。
LED 灯具最新产品类别 (CCN)
因为 LED 灯具应用范围的日渐广泛，所以在今年度， UL 定义了一些与 LED 应用有关 的新的产品类别 (CCN)，如 OOQA2 (LED 模块，UL 8750)、FKSZ (LED 驱动器，UL935)、 OOLV (节能灯泡，UL1993)、QOVZ (可携式 LED 灯具， UL153)， QOVA (LED 厨柜灯， UL153)、IFAM (LED 固定式灯具，UL1598)、IFAO (LED ?灯，UL1598) 等，业者可根据 不同产品类别进行 UL 安规的申请。在此例举目前与业者较为息息相关的 CCN，包括 OOQA2 与 FKSZ 的定义如下： CCN OOQA2 FKSZ 定义 为 LED 光源的模块 (Module)， 灯具厂商可将其整 合在灯具的组装内 LED 驱动器 (Driver)
备注: 经由 UL 1012， UL 1310 与 UL 60950-1 所验证的电源供应器，也可以通过申 请成为 FKSZ 的 LED 驱动器。 虽然 LED 应用在灯具的技术上，尚有发光效率不足、散热限制等议题尚待克服，然而 在迈入绿色能源的时代，LED 光源市场的发展前景仍是十分可期。虽然 LED 灯具的安 规标准尚处于磨合的阶段，但如果业者在进行产品研发时，可以主动积极注入新的安全 思维，并随时留意国际市场上的产品检测信息，势必能够提升产品在未来的竞争力。
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