LED灯具节能产品结构及特性研究

LED灯具节能产品结构及特性研究

唐耀宇

（江门市思盟电器有限公司   广东省江门市  529000）

 摘要

近年来,LED技术开始兴起,并且在人们的日常工作和生活当中发挥着越来越重要的作用。就LED灯具而言,其自身具有节能环保特点,从而逐渐取代了传统的照明设备,具有良好的发展前景。LED灯具产品因其LED光源技术的优势,在产品设计及应用上存在着众多发展方向。

关键词

节能、结构多变、低压更安全、绿色环保

    LED灯具，既使用LED为发光源制作的最节能照明产品。主要应用于室内外照明、新农业植物照明、电子医疗、景观亮化、特种装饰亮化应用.氛围装饰与设备应用、城市道路、特种设备、安全应急照明等。

㈠,作为新型的照明灯具，LED灯具相比于传统灯具有着巨大的优势，其主要优点有：

   1、节能. 白光LED的能耗仅为白炽灯的1/18，节能灯的1/5。

2、长寿. 实际寿命可达5万小时以上,为一般光源的几倍甚至几十倍。

   3、高纯度，鲜艳丰富的色彩。目前LED产品几乎覆盖了整个可见光谱范围，且色彩纯度高。

4、固体发光，抗震性能好，牢固可靠。

5、动态的色彩控制，明暗可调，三原色的LED组合可采用PWM实现颜色的变化。

6、LED有很强的发光方向性，光通量利用率高，且体积小，易于LED灯具的外观设计和光强分布的控制。

7、LED可采用直流低压供电，安全可靠。

8、 LED灯具的发光效率高，目前量产使用的白光LED最高可以做到190Lm/W。

9、绿色照明，不含汞等有害物质。

1：LED灯具成本优势    

      一套LED灯具的价格只有传统照明灯具30-40%的成本。

2：大功率LED光效高 

      LED出光效率远高于高压钠灯等，LED的节能打破传统照明产品光效。光效远高于传统照明产品目前最高能达到180LM。

3：LED发热量大    

      特别是大功率灯具，发热量大导致LED灯具对散热器件的要求更为严格，相应增加了LED灯具的体积。降低了大功率灯具的灵巧性。

㈢,LED灯具与传统灯具对比

二、LED灯具类型

1．按防触电保护类别划分

0类灯具：依靠基本绝缘作为防触电保护，万一基本绝缘失效，防触电保护就只好依赖环境。

　　Ⅰ类灯具：防触电保护不仅依靠基本绝缘，还包括附加的安全措施，即把易触及的导电部件连接到固定线路中的保护接地导体上，使可触及的导电部件在万一基本绝缘失效时不致带电。（0类灯具+地线）

　　Ⅱ类灯具：防触电保护不仅依靠基本绝缘，而且具有附加安全措施，如双重绝缘或加强绝缘，但没有保护接地的措施或依赖安装条件。

　　Ⅲ类灯具：所使用电源为安全特低电压，并且灯具内部不会产生高于SELV（安全特低电压标准）的电压。

LED灯具分类形式多种

2. 根据光源功率可分为：

     小功率灯具、大功率灯具，小功率灯具一般指光源功率小于0.02W/颗的完全被LED取代；大功率灯具一般指光源功率大于0.5W/颗的LED光源。

3.应用方式可分为：

     天花灯、筒灯、平板灯、吊灯、日光灯、壁灯、射灯、灯杯、球泡、轨道灯、轮廓灯、投光灯(也称洗墙灯)、点光源、埋地灯、水底灯、庭院灯（包括路灯）等。

三、LED灯具结构

1．LED灯具结构分析图

2．LED灯具结构部件

   ①，固定支架：指将灯具固定到建筑物，可实现支撑、调节角度、防盗等效果。

  支架材质：铝、不锈钢、塑料等

   ②，灯具外壳： 灯具壳体，起承载内部器件、造型、防护、防水防尘、散热、便于安装等作用。外壳材质：

     铝：质感强、档次高、散热性能优秀，主要用于大功率灯具和高档装饰性灯具。

     塑料：质轻、脆、可抗氧化、抗紫外线，价格便宜，加工方便。主要用于小功率灯具及绝大部分轮廓灯。

   不锈钢：仅用于水下灯

    玻璃：透光部件，也起三次调光作用。

   ③,防水/密封：   密闭外壳缝隙部分，达到灯具防水要求。主要使用防水胶、橡胶等垫圈。

   ④,配光部件：指根据效果需求，使用配光器件将输出光角度调整至一定的数值。通常使用的有：反光板、聚光板、透镜、棱角玻璃等。

   ⑤,线缆：用以连接灯具供电、信号的外引出线。包括供电电源线和信号线。

主要使用电源线种类：

        根据线芯数量不同一般有两芯线、三芯线和四芯线

        根据使用环境分室外专用电缆和室内电缆

   ⑥,连接件：灯具间连接的器件，主要起连接操作方便、防水等效果。

3.弱电

   ①,LED光源：主要有 草帽灯珠(0.06W),3528(0.06W),5050(0.18W),1W,3W,集成芯片(10W,30W,50W)等多种规格.

   ②,PCB（印刷线路板）：分为铝板和PP环氧树脂板。铝基板主要使用与大功率灯具，起散热作用，价格较贵。PP环氧树脂板主要使用于小功率灯具，价格便宜。

   ③，驱动电路：LED特性决定需要以恒流的方式驱动光源，特别是大功率灯具，必须使用恒流驱动电路。作用是将直流恒压电转换为直流恒流电，如驱动1WLED需要使用恒流驱动将输入电压转换成恒流350mA输入。

   ④，系统、软件等：详见LED电子培训。

4.强电

①，供电：

    电直接供电：中国，欧州为AC220V，美国、加拿大为AC110V，日本为AC100V

    低压恒压供电   如DC12V、DC24V等

    低压恒流供电   如恒定电流350mA、700mA等

    低压交流电    如AC12V、AC24V等

    注：点亮灯具前必须清楚输入电压，一旦接错，灯具将会损坏。

   ②，AC/DC转换：LED常用开关电源。

LED开关电源分为：恒压开关电源、恒流开关电源。使用时必须清楚灯具应使用何种电源。

四、LED灯具结构部件加工

  ㈠材料成形，加工工艺

1．锻造，机压，铸造

①，锻造:俗称“打铁”。

②，机压：冲压，旋压，挤压

冲压：用压力机械并配用相应的模具制造出所需的产品工艺。分为裁剪、落料、成形、拉伸、飞边等几种工序。主要生产设备：剪板机，折弯机，冲床，油压机等。

    旋压：利用材料的延伸性，通过旋压机配用相应的模具并由工人技术的支持达到生产产品的工艺。主要用于旋压反光罩和灯杯。主要生产设备：圆边机，旋压机，切边机等。

    挤压：利用材料的延伸性，通过挤压机并配有形模具，压制成我们所需要的产品的工艺。该工艺被广泛应用于铝型材，钢管，塑胶管件的制造。主要设备：挤出机。

③铸造：沙铸，精密铸造（脱蜡模），压铸

     沙铸：以砂子做出型腔进行浇注从而得到铸件的工艺。

     精密铸造：用腊制造与产品相同的熔模;在熔模上重复沾涂料与撒砂;再将内部

的熔模溶化掉，获得型腔;焙烧型壳，浇注所需要的金属材料;脱壳后清砂，从而获得高精度的成品。

      压铸：将熔融合金液注入压室内，以高速充填钢制模具的型腔，并使合金液在

压力下凝固而形成铸件的铸造方法。

      压铸分热室压铸和冷室压铸。热室压铸：自动化程度高，效率高，产品耐高温

性差，冷却时间短，用于锌合金压铸。冷室压铸：手工操作程序多，效率较低，产品

耐高温性好，冷却时间长，用于铝合金压铸。生产设备：压铸机。

2．机械加工

产品部件直接由材料加工而成的生产工艺。主要生产设备有车床，铣床，钻

床，数控车床（NC），加工中心（CNC）等。

3．注塑

此生产工艺同压铸一样，只在模具的工艺和加工的温度上有差别。常用的材

料有：ABS，PBT，PC等塑料。生产设备：注塑机。

4．挤出

在塑料加工中又称挤出成型或挤塑，在橡胶加工中又称压出。是指物料通过挤

出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头挤出模具而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。 生产设备：挤出机。

  ㈡表面处理

    灯具产品的表面处理主要有抛光，喷涂和电镀

    1．抛光：用电机电动砂轮，麻轮，布轮，对工件表面进行整形的一种工艺方式。

主要针压铸件，冲压件，旋压件的表面，一般是作为电镀的前面工序。也可以作为

材料的表面效果处理（如太阳花）。

    2．喷涂：

      ①、原理/优点：

工作时静电喷涂的喷枪或喷盘、喷杯部分接负极，工件接正极并接地，在高压静电发生器的高电压作用下，喷枪（或喷盘、喷杯）的端部与工件之间就形成一个静电场。当电压足够高时，喷枪端部附近区域形成空气电离区。涂料中的树脂和颜料等大多数是由高分子有机化合物组成，多成为导电的电介质。涂料经喷嘴雾化后喷出，被雾化的涂料微粒通过枪口的极针或喷盘、喷杯的边缘时因接触而带电。这些带负电荷的涂料微粒在静电场作用下，向正极性的工件表面运动，并被沉积在工件表面上形成均匀的涂膜。

②、工艺

（1）表面预处理：主要是脱脂、除锈，把工件表面清洗干净。

（2）表面皮膜处理：磷酸盐皮膜化是一种腐蚀反应，将腐蚀成份停留在金属表面，用巧妙的方法利用腐蚀生成物变成一种皮膜。

（3）烘干：去掉处理后的工件上的水份。

（4）喷涂。在高压静电场下，将喷粉枪接负极，工件接地（正极）构成回路，粉末借助压缩空气由喷枪喷出即带有负电荷，按异性相吸原理喷涂到工件上。

（5）固化。喷涂后的工件，送入180～200℃的烘房内加热，使粉末固化。

（6）检验。检查工件涂层，凡有漏喷、碰伤、针气泡等缺陷的，都应返工重喷。 

③、应用：

静电喷涂所喷工件表面的漆层其均匀度、光泽度以及附着力均比普通手工喷漆尤佳。同时静电喷漆不论是普通喷漆、油性和磁性的调和漆、过氯乙烯漆、氨基树脂漆、环氧树脂漆等都可以喷，操作简单，且比一般气喷能节省50％左右的油漆。

    3．电镀：就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过

程。电属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极，镀层金的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。

     铝表面阳极氧化处理：以铝为阳极置于电解质溶液中，利用电解作用，使其表面形成氧化铝的过程，称为铝阳极氧化处理。

五．LED灯具散热

1．金属导热系数表（W/mK)

热传导系数的定义为：每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，而“K”为绝对温度单位。该数值越大说明导热性能越好。以下是几种常见金属的热传导系数表：

银 429   铜 401   金 317   铝 237   锌 112   铁 80   锡 67    铅 34.8

2．热传递方式

热传递是通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现的。在实际的热传递过程中，这三种方式往往不是单独进行的。

热传导：是由于大量分子、原子等相互碰撞，使物体的内能从温度较高部分传至较低部分的过程。热传导是固体热传递的主要方式，在气体和液体中，热传导往往与对流同时进行。各种物质热传导的性能不同，金属较好，玻璃、羽毛、毛皮等很差。

热对流：是靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低部分的过程。对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体明显。

热辐射：是物体不依靠介质，直接将能量发射出来，传给其他物体的过程。热辐射是远距离传递能量的主要方式，如太阳能就是以热辐射的形式，经过宇宙空间传给地球的。

3．LED灯具散热

LED灯具的散热主要是依靠良好的导热途径将LED的热量传到外壳,然后靠外壳周围的空气对流进行散热,并直接将一部分热量向外辐射。LED灯具要求良好的散热是为了降低LED灯珠的结温，以提高LED灯珠的寿命。

①，LED的结温是指LED芯片的温度。在实际应用中，结温是很难测量的，我们一般是控制LED引脚（正极）的温度。一般情况，3528和5050灯珠引脚的温度控制在60°以下；大功率1W LED的引脚温度控制在80°以下，大功率灯具的表面温度控制在60°以下。相对来说结温越低，LED灯珠的寿命越长。

②、降低LED结温的途径

a、减少LED本身的热阻；b、良好的二次散热机构；c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；d、控制额定输入功率；e、降低环境温度。

③，灯具散热方法

a、灯具选材：LED灯具一般选用导热性好的铝及铝合金作为主要结构部件，能

把LED灯珠产生的热量快速的传导至灯具表面。

b、结构形式：将LED灯具做成直槽式散热嗜（shi）片，以利于空气对流，带

走灯具表面的热量，同时也增大灯具的表面积，利于灯具以辐射方式散热。灯具外露的面积越大，散热效果越好。

C、减少安装界面的热阻：LED灯珠与铝基板之间，铝基板与结构件之间要紧密结合，为减小热阻，在它们中间加散热膏或导热硅胶。结构件之间的连接不能有间隙。

d、表面喷涂对LED灯具的散热也有一定影响，铝合金一般选用表面喷油漆，因油漆涂层较薄，对散热影响不大，而粉末涂层较厚，不利于散热。

六，灯具主要参数分析

1，灯具尺寸：灯具的外壳尺寸

2，灯具功率： 指灯具点亮时的最大功率。

3，输入电压/电流：灯具的供电电压/电流。

4，IP等级：灯具的防水防尘等级，室外灯具最低IP65，水下灯IP68，地埋灯IP67。

            注：IP等级对应防护效果请参看产品资料上的介绍。

5，发光角度：指灯具出光的角度，是通过LED颗粒的一次配光、透镜的二次配光、灯具发光面的三次配光综合效果。

6，颜色/色温：灯具最终出光颜色或色温。

附录一： 防护登记说明

附录二：LED灯泡知识

1．MR11，MR16射灯

MR16：在照明行业里指最大外径为2英寸的带多面反射罩的灯具，灯具的型号由英文字母和数字组成。MR 是英文 Multifaceted （Mirror）Reflector 的缩写，意思是一种由多个反射面组合成的反射器。数字表示灯泡最大外形的尺寸，为1/8英寸的倍数。所以“16”就表示灯具的最大外径尺寸是2英寸。一般我们生活中的常见的灯杯、射灯大多数都采用此灯头，多数低压（12V、24V、36V等）灯具也采用MR16。

2．GU10射灯

GU10：G表示灯头类型是插入式，U表示灯头部分呈现U字形，后面数字表示灯脚孔中心距为10mm，GU10是最常见的，当然还有很多其它的灯头，如：GX6.35，GY9.5，GY6.5，GX16D,等等。

3．E12，E14螺口灯头

E14：E是代表螺口，灯头光源灯头的一种配用于E14灯具光源接口，字母后的数字代表接口直径尺寸(cm).E14是14mm螺口灯头，灯头有螺文，用于旋入E14灯具接口。E14的多数用于装饰灯具，如：吊灯、水晶灯。

4．B22，B27卡口灯头

B22：B代表插口，灯头光源灯头的一种配用于B22灯具光源接口，字母后的数字代表接口直径22MM的灯头有两根凸起卡笋，用于卡入B22灯具接口。是灯泡最常用的一种接口。

5．E26，E27螺口灯头

E27：E是代表螺口,字母后的数字代表接口直径尺寸(cm).E27是2.7cm螺口灯头,一般我们生活中用的最多的是E27和B27的，当然还有E40，E40多数用于特殊灯具，一般功率比较大的灯都用E40，如1000W金属卤化物灯等

6．PAR20，PAR30，PAR38，PAR56

PAR是表示抛物面反射形的灯。是说的形状。

20，30，38表示最大外径尺寸。

如38的，最大外径尺寸为(1/8)*38*25.4≈120.0mm

38是以英分为单位的，换算关系如下：

1英分=1/8英寸 1英寸=25.4毫米

7．普通日光灯管规格参数：

日光灯规格：T8、T5、T4区别及灯管长度、功率说明:常用的日光灯规格有T8、T5、T4灯管，企业用的三支灯管一组的通常是T5的灯管，很早以前常用的日光灯规格有T10、T12。

"T"，代表“Tube”，表示管状的，T后面的数字表示灯管直径。T8就是有8个“T”，一个“T”就是1/8英寸。

一英寸等于25.4毫米。那么每一个“T”就是25.4÷8＝3.175mm

T12灯管的直径就是(12/8)×25.4＝38.1 mm

T10灯管的直径就是(10/8)×25.4＝31.8mm

T8灯管的直径就是(8/8)×25.4＝25.4mm [T8的刚好是直径一英寸的灯管] (注：统一宽度39mm、高度52mm）

常用的日光灯长度与功率：(20w 长620mm; 30w  长926mm; 40w长1230mm)

T5灯管的直径就是(5/8)×25.4＝16 mm (注：统一宽度23.5mm、高度39mm）

常用的日光灯长度与功率：(8w 长310mm; 14w 长570mm; 21w 长870.5mm; 28w 长1170.5mm; 35w 长1475mm)

T4灯管的直径就是(4/8)×25.4＝12.7 mm (注：统一宽度21mm、高度32mm）

常用的日光灯长度与功率：(8w 长341mm; 12w 长443mm; 16w 长487mm; 20w 长534mm;22w 长734mm; 24w 长874mm; 26w 长1025mm; 28w 长1172mm)

T3.5灯管的直径就是(3.5/8)×25.4＝11.1 mm

T2灯管的直径就是(2/8)×25.4＝6.4 mm

Led日光灯管是依照普通日光灯规格制造的，其规格大至相同，可以不更换支架的前提下方便地将LED日光灯替换普通日光灯以达到环保节能，有利于节省更换的成本。

8．常用筒灯的规格

筒灯的规格尺寸都是固定的，

按光源基本安装方式，

筒灯可分为：横装（横插）筒灯和竖装（直插）筒灯，

竖装筒灯主要规格有：

2寸、2.5寸、3寸、3.5寸、4寸、5寸、6寸；

横装筒灯通常规格较大，

规格集中在：

4寸、5寸、6寸、8寸，另外还有9寸、10寸、12寸。

注：寸是指英寸，是指里面反射杯的口径。

附录三：照明灯具术语

电光源：将电能转换成光学辐射能的器件。

白炽(电)  ：灯用通电的方法，将物体加热到白炽状态而发光的灯。发光体通   常为钨丝，其结构可以为直丝；单螺旋丝、双螺旋丝或三螺旋丝。

充气灯：发光体在充氮或惰性气体的玻壳里工作的白炽灯。注：灯内所填充的气体可以是单一元素的，也可以是按一定比例混合的多元惰性气体或氮气。

卤钨灯：填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的白炽灯。

普通照明灯泡：用于家庭、街道和厂矿企业作一般照明用的白炽灯，其玻壳可以是透明的，也可以是磨砂的、乳白的或内涂白的。

装饰灯泡：玻壳做成不同形状和不同颜色的，用于起装饰作用的白炽灯。

闪光灯：为了照明摄影对象，在瞬间能给出强光输出的灯。

红外线灯 ：辐射的主要成分在红外光谱范围内的灯。

紫外线灯 ：辐射的主要成分在紫外光谱范围的灯。

放电灯：由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的灯。

荧光灯：主要是由放电产生的紫外辐射激发荧光粉层而发光的放电灯。

霓虹灯：主要指利用惰性气体辉光放电的正柱区发光的管形放电灯，也包括同样形式的氮和汞蒸气的辉光放电灯。

钠(蒸气)灯：主要是由钠蒸气放电而发光的放电灯。

低压钠(蒸气)灯：放电稳定时，灯内钠蒸气的分压强不超过几个帕斯卡的钠灯。

高压钠(蒸气)灯：放电稳定时，灯内钠蒸气的分压强达到106Pa的钠灯。

金属卤化物灯：由金属蒸气与金属卤化物分解物的混合物放电而发光的放电灯

附录四：光学术语

光通量： 符号 Φ，单位 流明 Lm， 说明 发光体每秒种所发出的光量之总和。

光强：符号 I，单位 坎德拉 cd，说明 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量 。

照度：符号 E，单位 勒克斯 Lm/m2，说明 发光体照射在被照物体单位面积上的光通量 。

亮度：符号 L，单位 尼脱 cd/m2，说明 发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 。

光效：单位 每瓦流明 Lm/w，说明 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 。

平均寿命：单位 小时，说明 指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时。

经济寿命：单位 小时，说明 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。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：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。

   显色性：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 。

作者简介：姓名：唐耀宇（1980），男，广东省江门市，单位：江门市思盟电器有限公司。学历：大学专科，专业：电器工程 ，职称：中级职称，研究方向：电器工程

作者简介：唐耀宇1980年2月1日 3 男 职称 中级 籍贯 辽宁 汉 大专 研究方向 电气工程 单位 江门市思盟电器有限公司