如何將鹵素臺燈轉(zhuǎn)換為LED光源

據(jù)國際能源署估計(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;每個燈泡都含有汞，如果處理不當(dāng)，最終會進(jìn)入垃圾填埋場。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量 - 繼續(xù)逐年取得重大進(jìn)展，同時，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)和操作時的使用壽命可超過50，000小時，從而消除了更換燈泡的成本。

現(xiàn)成的鹵素臺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)品在一個緊湊的封裝中集成了四個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）包括便攜式住宅臺燈的最小功率因數(shù)（PF）為0.7的要求。此功率級別的典型LED驅(qū)動器通常具有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€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。這些臺燈中使用的典型12伏鹵素?zé)襞莸男史秶鸀?4至18 lm/W.請注意，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，測試電流為350 mA，溫度為25°C。考慮到實(shí)際驅(qū)動電流（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)動器評估板供電。這種高效驅(qū)動器可為LED陣列提供所需的電流隔離和調(diào)節(jié)驅(qū)動電流。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)動器功率因數(shù)校正性能的典型曲線。如圖所示，對于美國線路電壓范圍，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所示為安裝在臺燈底座上的LED驅(qū)動板。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LED而優(yōu)化的便攜式臺燈設(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)度的測量值

圖7：NCP1014LEDGTGEVB恒流驅(qū)動板安裝在臺燈底座上。

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。另請注意，在正常驅(qū)動條件下（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)動電路結(jié)合使用時，可以實(shí)現(xiàn)有效的解決方案，以簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣，只需稍加改動，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)的基于鹵素的臺燈的一個或兩個光級。在較低的亮度設(shè)置下，節(jié)能效果會大幅提升。

針對90至265 VAC的通用交流輸入進(jìn)行了優(yōu)化的驅(qū)動器允許制造商針對所有市場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)動器驅(qū)動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。