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浅论LED户外照明产品的必备要素
录入时间:2016/7/31 11:34:59

浅论LED户外照明产品的必备要素

周必成、韩燕华、傅少钦、江志成、陈海永、黄建明、陈凯,杭州华普永明光电股份有限公司

点此阅读包含15个插图的全文

 然而目前市面上LED户外照明产品鱼目混杂,不少产品存在着光衰大、失效率高等重大缺陷,严重影响了用户的体验,减少了人们对LED户外照明产品的信心。那么要如何才能区分LED户外照明产品的优劣?或者更直接一些,一款合格的LED户外照明产品应该具备哪些要素?

1 合格的LED户外照明产品必要有优秀的光学组件

    光学组件包含了LED灯珠、透镜等与光色性能相关的部件,它直接影响了LED灯具质量和性能,是用户最为关心也是最能体现制造商实力的部分

1.1 选用高品质的LED灯珠

LED灯珠是LED灯具中的最小发光单元,决定着LED灯的光色性能。从可靠性的角度,LED灯珠的失效必然引起灯具的失效,因此LED灯珠是影响LED灯的品质关键之一。所以从性能与品质两方面决定了合格的LED户外产品必须要选择高品质的LED灯珠。

描述LED灯珠的特性时,被人们提起的往往是光通量(光效)、相关色温、显色指数等这是浮于表面的基本参数。但略作对比就会发现,这些基本性能上国际品牌与国内大厂的同类LED灯珠其实相差不大,真正差别巨大的是灯珠的L70寿命,这不仅直接决定了灯具的寿命而且影响着灯珠其他参数数值。目前国际上对灯珠光通维持率通用的评估方法是IES LM-80测试,很多国内厂家也会提供这份报告,那么读懂这份报告就成为我们评判灯珠优劣重要依据。

以Lumileds的Luxeon T/TX的LM80报告(图1)为例,从图中我们可以看到灯珠的寿命是由两个参数维度决定的:驱动电流If和管脚(焊盘)温度Ts。驱动电流决定了灯珠的功率,管脚温度则对灯具的散热能力提出了需求。LM80报告中If越大,意味着在相应的L70寿命情况下,单颗灯珠的使用功率可以越高;报告中的Ts越高,意味着在相同的使用环境中灯珠可以承受的温度越高(即对散热能力可以放宽),或者在相同散热能力下可以用在更高温度的环境中。这两点其实是灯具制造商需要花费大量精力的地方。

仍以Luxeon T/TX举例:从图1可以看出,按L70>60000H的要求,当Ts=1050mA时,Ts最大可以承受到120℃。即若使用环境温度上限为50℃,灯珠管脚可耐受的温度差(温升)最大为70℃。那么在考虑灯具质量时,应当核实灯具的热测试数据:当单颗灯珠的驱动电流在1050mA时,灯珠的管脚温升是否控制在70℃以内。如果超过了70℃,那么该灯具的L70寿命超过60000小时就失去了可信证的数据保障。同理,当单颗灯珠的驱动电流达到1200mA时,灯珠管脚承受的温度差也相应降为55℃,此时就对灯具的散热能力提出了更高的要求。据此,用户可以简单地辨别灯具寿命性能的真伪,对于制造商而言只有兼顾散热与功率的平衡设计,才能在保障产品质量的同时最大限度地挖掘出灯珠的潜力。

从另一方面来说,单颗灯珠驱动电流的不仅影响着使用寿命,还影响了灯珠的性能参数。LED的一个特性就是当驱动电流的变化也会引起灯珠基本性能的变化,其中最明显,也最为人关注的应当是光通量和光效的变化。众所周知,LED的特性就是随着正向电流的提升,发出的光通量会不断提高,而发光效率会逐渐降低。图2展示了某两款国产3535封装灯珠的电流与光通量及光效的变化趋势。所以不同电流测试的数据并不能直接加以比较,用A灯珠在350mA的数据去和B灯珠在700mA的数据作对比毫无意义。在绝大多数LED灯珠的规格书中,对于参数的给出都会定义测试的电流,同时也给出的各参数随电流波动的变化曲线。因此,对比相同封装灯珠时,应当折算为相同驱动电流下的数据;而对于不同封装的灯珠,可以折换成相同的功率然后再加以比较。正是基于LED的这种特性,当相同功率的灯具出现了高性能和高性价比两种截然不同的方案配比。

目前市面上经常出现的高光效方案中,最常见的一种就是对上述原理的反推:随着电流的增大灯珠的光效会下降,那么自然当电流不断减小时灯珠的光效就会不断上升,通过降低灯珠的驱动电流即可在不变动灯珠规格的情况下大幅提升灯具的光效。显而易见,这种方案牺牲了产品的性价比:当电流不断降低时,灯珠的功率也在下降,为了达到相同的功率必然需要用上更多的灯珠,那么成本也随之水涨船高。因此这种方案只能用于小幅地提升光效,过度地提升光效必然会将产品的成本提高到让用户无法接受的境地。

另一种高光效方案则是牺牲产品的光度性能,通过降低光度参数来提升光效的数值,其中最常见的方法是降低产品的显色指数。从LED发光原理看,显色指数与光通量是呈反比关系,同一种灯珠在显色指数下降(或上升)时光通量会有一定比例的上升(或下降),因此降低显色指数可以有效地提升产品的光效。通常LED户外照明产品的显色指数Ra在70附近,光效高的大约可以到120Lm/W,如果把显色指数降低到Ra40,那么原本120Lm/W大概会提升到160Lm/W~170Lm/W。

那么这样的高光效方案是否可行呢,简单分析一下。显色指数决定了灯光对颜色的还原能力,过低的显色指数下人们无法准确判断物眼前物体的颜色,同时对于户外照明而言也会影响出行的安全,因此各国对此都有相应的标准。以我国的LED路灯为例,根据《GBT 24907-2010-道路照明用LED灯性能要求》,“灯的显色指数的初始额定值为70,其实测值不应低于额定值的三个数值”。因此,通过降低显色指数换来的高光效明显不符合人们的实际使用需求,大面积应用的话甚至会产生得不偿失的负面危害。

从上面两种“投机取巧”的高光效方案可以看出,LED照明产品的高光效方案上没有捷径可走,牺牲任何性能换取的高光效最终都不会被用户和市场所接受。

1.2灯珠和基板的防护等级做到IP68

    LED灯是在气体放电灯之后产生的,因此人们常常以对气体放电灯的认识来衡量LED灯。以灯具的防护等级为例,许多人认为作为发光源的LED灯珠等效于气体放电灯的灯泡(图三),由于传统灯的灯泡只需要一个防护等级IP65的光源腔就能长期稳定工作,所以理所当然地认为LED灯珠也只需要IP65的防护。这是在这样的认知指导下,LED灯具标准中防护等级的要求也基本都引自气体放电灯,普遍只要求IP65,部分甚至更低。

仔细分析这种类比的思路,LED灯珠真的与气体放电灯的灯泡等价吗?在LED灯中灯珠是最小发光的单元,而灯泡看似也是,但其实却不是,我们俗称的“灯丝”才是。举例来说,高压钠灯真正发光是灯泡内的电弧管,而灯泡的其他部件——灯芯、玻璃、灯头等等——只是起到了支架和保护作用。真正的对应关系应该是如图4的所示:LED灯珠等效于灯丝,LED模组等效于灯泡。这样很容易推出一个与大多数人的认知相反的结论:既然灯丝需要处于一个完全密闭的泡壳内,那么LED灯珠一样需要一个完全气密的环境——需要一个防护等级达到IP68的腔体。

P65从技术到成本都是一个跨越式的提升。但回答必然是肯定的,无数失效的案例历历在目,让人无法忽视防护等级这个关键因素。

从防护等级要求看,IP65没有达到气密的级别,意味这IP65的腔体可以与外界发生气体交换。而户外灯具中这种交换表现地更为激烈,被称为“呼吸效应”。以LED路灯为例,夜间开灯时灯腔内温度上升导致气压上升将气体“挤压”到外界,而关灯时等腔内温度骤冷导致气压下降又将外界气体吸入腔体。由于关灯时往往在雾气晨露最浓的清晨,因此大量水汽吸入灯腔后冷凝并积压腔体,而大功率LED灯绝大多数都采用铝基板,铝基板在水的侵蚀下在很短的时间内就会腐蚀(图5),最终引起死灯。

同时对于户外灯具而言,外界空气中的有毒有害气体(如汽车尾气中富含的硫化物、氮化物等),在进入腔体后会不断腐蚀灯珠,导致灯珠发光异常,直至失效。如图6和图7所示,在有毒有害气体的侵蚀下灯光已经变成绿色(图6),而最终的结果就是像图7那样的灯珠陆续失效。

因此对于LED灯具而言,灯珠和基板的防护等级做到IP68是必要且必须的。

1.3 有多样化的丰富配光库

便捷且高效的配光设计是LED产品相比传统灯具最大的变化和特性。经过配光的灯具不仅可以提高照明的质量,更可以减少能耗,这点正是LED照明产品对于绿色低碳生活这一概念的最佳响应。

而对于户外照明而言,由于户外大功率灯具都是投射型的灯具,经过配光后可以根据照明需求调整光能的分布,从而在实现均匀照明的同时避免了光污染的产生。图8左是高压钠灯的夜景,右边是当一般替换为LED路灯后的效果,正是因为LED 路灯通过良好配光的控制,减少了向上发散的光污染,让城市的夜空重回漆黑。

以路灯为例,从图9的对比可以看到,左边没有配光的情况下,照明仅仅就是照出一个圆形的光斑,道路方向的光照的不够远完全无法满足道路的照明需求,路边方向照的太远又对周边的居民造成了影响。真正理想的照明应该是右边的示意,压缩路边没有充分利用的光能,拉长道路方向的光,这样才能既满足道路照明需求又不至于对居民生活造成干扰。路灯如此,投射灯对配光需求更是不言而喻,投射灯的指向性与定点照明需求决定了投射灯必须要有高精度的配光。

传统的路灯因为设计难度与成本缘故通常只有少数几种配光,在效果上无法完全覆盖绝大多数的道路,因此道路上经常可以看到“斑马效应”。配光既然作为LED的优势之一,在照明效果上应该发挥更大的作用。但是现在很多时候制造商却没有将这一优势最大化,也只是设计了三五种配光去“生搬硬套”,从而导致在应用中LED与传统灯的照明效果区别不大,在某种程度上打击了用户接受LED灯的积极性。站在用户的角度,包括道路在内的户外场所要想达到最佳的照明效果,就必须针对不同的场景就应该有不同的照明设计,灯具就需要有不同的配光选项。所以,拥有丰富的配光库是发挥LED配光优势的必不可少的要素之一。

现在市面上还有这样一种风潮,在户外照明产品上应用COB光源。从配光角度看,这种方式完全是在走回头路。在几何光学上,越接近于点光源进行配光设计就越容易,因此配光设计上的便利性是LED得天独厚的优势之一。众所周知,COB与单颗封装的LED灯珠相比,在单位面积上功率更大,但相对的COB的发光面积远远大于单颗灯珠。所以COB的配光难度往往高于单颗的LED灯珠,并且在配光的精度上也远远不如。COB之所以能够大规模应用于室内照明,是因为室内照明的特点之一就是对配光的要求不高,这与户外照明领域正好相反,没有高质量配光的户外照明灯具绝不会是一款合格的产品。

2合格的LED户外照明产品必要有可靠的灯体构造。

2.1 采用模块化的结构是发展必然

目前户外LED大功率照明灯具的主要结构形式有两种,“整板式”和“模块化”。所谓“整板式”灯具是指灯具是由光源、电器、结构等部件组成的一个整体,特征是光源不可拆卸,并且驱动电源和灯体外壳共同构成灯的组成部分。模块化是相对整板式而言的,顾名思义它的各个部件是由模块构成,可以自由拆卸组装,最大的特征是光源部分采用了LED模组。从发展历史来看,模块化灯具是在整板式灯具的基础上发展起来,它出现解决了困扰整板式灯具的数个重大难题。

首先解决的是散热问题。就LED灯具而言,散热就是要把灯珠产生的热量快速有效地传递到空气中去。热量传播的途径在热学上只有三种:热传导、对流和辐射,其中辐射的热量微乎其微,不用考虑。热传导只能将热量传递到灯壳附近的空气中,只有通过空气的对流才能快速地将热量带走,所以说散热最终依靠的还是对流。图10所示整板式的灯具的散热机理,对流只发生在灯壳四周,效果微弱,表现出的效果就是虽然散热结构体积很大,但是散热能力并不如预期。与此相对的,图11的模块化灯具因为“热蜂窝效应”的产生强烈的对流,实现高效地散热。所谓“热蜂窝效应”是指模仿蜂窝煤的燃烧原理——实心的煤由于中心接触不到空气,燃烧慢且不充分,在中心做成各种通孔后,由于空气的对流,燃烧迅速——将原本整块的散热器打散成各个模组后,将空气对流起来,充分穿越模组之间的空隙,迅速带着热量,实测可以降低20℃左右温度。

其次是防护等级。在1.2中已经提到LED灯珠的防护等级必须做到IP68,而对于大功率的整板式的灯具而言,要把整个发光腔体做到IP67以上在目前还是无法攻克的难题。而通过LED模组,实现IP68的防护等级是目前切实可行的有效方法。

再次是方案设计。照明方案的多样化是LED灯具相对传统灯具的一大优势。整板式的灯具照明方案相对单一,只能有限地微调光色等几个基本因素,无法在根本上产生新的照明设计。模组化的灯具则能够根据需求自由组合搭配不同配光或者不同功耗的LED模组,实现不同的照明设计方案,具有极高的灵活性。

最后是维护便利性。虽然在寿命上LED灯具相比传统灯具有明显优势,但仍然存在损坏的概率。对于整板式灯具而言,损坏维修意味着整个灯的更换,因此备品就是完整的灯具,维修时需要拆换整个灯。考虑到LED户外灯具的体积与重量,这绝不会是一个轻松的工作,同时也占用了大量的空间与资金成本。而且相比传统灯具维护时只要更换一个灯泡或镇流器,在维护方面整板式灯具完全就是一种退步。这点模组化的LED灯具方式方法和传统灯一样,只要预备LED模组和电源,维修时只需要拆换对应的LED模组和电源即可。

模组化的LED灯具相比整板式灯具有着诸多的明显优势,LED模组的出现也让传统灯具通过改造变成LED灯具这一构想成为可能。

不少人无法接受熟悉的灯具突然发生太过剧烈的变化,也有不少项目希望用更低的成本实现LED化,这些情况下LED改造方案就成为了首选。LED模组的出现让传统灯具的LED化改造成为了可能,只要在传统灯内用LED模组和配套的驱动电源代替原本的灯泡和镇流器皆可(简易步骤如图12所示)。完成LED改造的灯具在保留原有外观的同时,光电性能都能与LED灯具媲美。

2.2 一定的结构强度是保证结构可靠性的前提

与传统灯具一样,灯体结构(或者简称灯壳)是整个灯具的支撑骨架,关系到灯具最基本的结构可靠性。由于LED需要借助灯体结构散热,灯具往往相对传统灯偏重,灯体强度不足时发展崩解的可能性更高,考虑到LED户外照明产品安装环境的严苛和失效时的严重后果,尤其需要重视灯体强度。

人们常说“一分钱一分货”,虽然不排除价廉物美的可能,但是更多的情况下没有一定的成本就没有良好的品质。就目前的LED照明市场而言,许多LED照明厂家大打价格战,一味地追求低成本、低价格以拉动销量。降低成本的最后,不少厂家把成本的削减重点放在了灯壳上,出现了种种匪夷所思的做法。

为了降低结构组件的成本,最直接的做法就是减少部件的用料。为了节省用料,部件的壁厚不断减薄,承重部件的加强筋不断减少直至取消,造成了灯体的牢固度直线下降。以路灯为例,目前许多廉价的LED路灯的风压性能根本没有达到国标,考虑到我司经济发达地区多是台风多发的沿海地区,连基本的风压测试都无法通过的路灯又怎么能让用户用得放心?如图13,承重部件的壁厚仅为1.2~1.5mm,仅仅12级的风压就断裂了,在动辄16级台风的东南沿海这根本就是用户的噩梦。

为了降低结构组件的成本,还有一种隐蔽的做法是降低用料的品质,尽可能多的使用回料或者是选择低耐候性的材料。相比前一种做法,这种做法有一定的隐蔽性,在短时间内不易察觉,但是隐患巨大。例如将不锈钢紧固件更改为镀锌板,也许短时间内灯体的紧固度没有任何变化,但在淋过几场雨(酸雨)之后就开始被慢慢腐蚀了,时间稍长不但各组件之间的紧固度无法保证,而且类似螺钉就十分容易锈蚀折断在螺孔内,严重影响后续的维护更换,发生安全事故的概率大幅上升。如图14所示,镀锌板材质的铰链在烟雾测试下不到100小时就已锈迹斑斑。

为了降低结构组件的成本,还有一种做法是采用劣质的表面处理,利用了某些用户“只在乎性能,不在于外观”的心理。虽然许多人认为表面处理的好坏只是影响了灯壳外观的美观程度,对性能没有影响。但其实不然,表面处理差的灯体往往表现为耐腐蚀性能不足,在酸雨严重的地区或者盐雾浓度大的沿海地带这种缺陷会被无限放大,甚至短短几个月就能见到灯体被腐蚀的极端案例。即使是在外界环境相对温和的地区,在经历一定时间的日晒雨淋后,缺少有效表面处理的灯体也一样会被缓慢腐蚀,往往到达理论寿命前就由于安全问题而被更换。如图15,低劣的表面处理在100小时的盐雾测试后出现明显的起泡,内部的金属已经被腐蚀,很明显不适宜用户外。

以上种种告示我们,虽然通常意义上探讨LED灯寿命时总是习惯性地换算为灯珠寿命或电源寿命,但是稍不注意灯体结构的使用年限反而会成为制约灯具寿命的瓶颈。为了充分保证灯具的寿命,牢固的灯体结构是不可缺少的重要一环。

2.3 LED产品应有独具特色的外观设计

新产品的出现初期必然是更多地模仿旧产品,然后在时机成熟时展现出区别于旧产品的独有特色。LED户外照明产品也是如此,从模仿传统灯起步,然后逐渐脱离传统灯的束缚。在LED户外照明领域,尽管已经经历了近10年的发展,但是目前传统灯的概念仍然根深蒂固地影响着LED灯的发展,最直观的表现就是用户对于灯具造型的要求。

以路灯为例,笔者接触到的相当部分用户都要求LED路灯的外观要和高压钠灯一样厚实和大尺寸,这样的路灯装上去才与环境相匹配。在他们看来高压钠灯的造型都是专业设计过的,实现了视觉效果的最大化,与之相比“单薄”的LED路灯过于强调功能设计,外观上根本不像盏灯。这里需要说明的是,高压钠灯的造型虽然是设计过的,但却不是为了视觉效果的特意为之,它的外观也是以实现功能为主要目标设计。之所以外观厚实、体积庞大,是因为它必须要容纳大尺寸的反射器,即反射器的大小决定了它的厚度与尺寸。而LED路灯绝大多数是以透镜配光为主,这点决定了它在功能上不需要做得那么厚实。从另一点,高压钠灯采用反射式配光,发光面的尺寸相对较大,这要求灯体与之相匹配。而LED路灯只用高压钠灯的一半以下的功率就可以完美替换,这意味着LED路灯发光面会比高压钠灯小很多,发光面积决定了LED灯的体积不宜过大。

由此可以看出,将LED路灯体积做大做厚纯粹是一部分人的“怀旧”情怀作祟,而纵观各类应用领域,这种情怀无处不在。而我们应该清晰地认识到,这是以牺牲LED灯的某种独特性作为交换实现的,在客观上不利于LED灯的发展。从唯物辩证法的角度看,这是作为“旧事物”的传统灯在阻挠“新事物”LED灯的发展,但是不管过程如何曲折迂回,“新事物”必将取代“旧事物”,LED灯必然会摆脱束缚,展现出它独有的姿态。

3 合格的LED户外照明产品必然是批量化与定制化的结合

从LED蓝光芯片出现开始计算,半导体照明已经有了近二三十年的发展史,逐渐从无序生产发展为批量化自动生产,产品的质量得到了飞跃式的提升。但是这只针对家用照明或者商业照明而言,户外照明作为后起之秀发展年限最多不过十数年,在批量化生产方面仍需要向家用照明或者商业照明看齐。

LED照明产业同属于制造业,厂家一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量,另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化,满足客户的定制需求。这样,如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾,成为赢得竞争的关键能力。

可以说目前LED户外照明产品的制造商很大一部分是作坊式的生产,并没有实现批量化的工厂式生产。所谓作坊式生产是指产品的生产是没有标准化的、程序化的生产经营活动,即生产经营活动具有相当的随意性,产品的工艺流程是定性的而不是量化的。由于作坊式的生产无论是工艺还是交货存在着相当大的不确定性,这种不确定性最终会严重影响灯具的产量与品质,因此从产业的发展角度看批量化的工厂式生产是发展的必然。然而与室内照明产品不同的是,户外照明的产品大多数用于公共领域的工程项目,其中最明显的一个特点就是产品需要根据项目实现定制化。定制化意味着产品种类必然多样化,这点与室内照明流通的单一产品线相对不同,许多人据此认为户外照明产品无法实现大规模批量化生产。但其实不然,产品定制化与生产批量化两者并不矛盾,定制化批量生产是完全可行的,比如采用LED模组。

由于平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置,因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。而模块化的灯具结构天然地具备了这样的特制。

在2.1中阐明的模组化特点中就有提到它的一个特点就是照明方案的多样性,这首先为产品的定制化提供了方案上的可行性。模块化的另一个特点是光电器件独立于机械结构,不管外观造型如何变化,LED模组与电源可谓万变不离其宗。因此LED模组可以脱离灯具,形成独自的生产线,进行大规模批量化生产。从品质和性能的角度看,保证了LED模组的可靠性就等效于保证了由它构成的灯具的可靠性。既能定制化又可以进行批量化生产,这两个特点决定了模块化天然地就是LED户外产品的必然选择。

从工业化的角度看,光是实现自动化、批量化还不足够,中国光伏产品近些年的表现形象生动地告诉人们不光要规模化发展,更要集约化生产,眼下制造业更多地强调精益制造的概念。只有通过精益制造,才能实现生产线越来越短,越来越简,设备投资越来越少;中间库存越来越少,场地利用率越来越高,成本越来越低;生产周期越来越短,交货速度越来越快;各类损耗越来越少,效率越来越高。如此柔性制造才能大幅地降低企业生产成本,强化企业的竞争力,最终在市场上占据一席之地。

4 结束语

对于目前LED户外照明产品中存在的种种乱象,本文不过针对最基础也是最关键的部分提出了一些看法与见解,希望能让用户在纷乱的LED户外照明市场中寻得真正用着放心,用得省心的好产品,也希望LED户外照明产品的制造商们能以此为基础不断提升整个业界的水准。

同时必须指出的是,做到本文描述的种种也仅能算是及格而已。一款良好甚至优秀的LED户外照明产品不仅需要在这些方面不断地挖掘创新,更需要在其他方面不断提升突破。只有在技术和工艺双重积淀下,LED户外照明产品才能得以厚积薄发,赢得市场的接受与用户的青睐。


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