如何將鹵素台燈轉換為LED光源

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據國際能源署估計，全球超過19％的電能需求用於照明。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。

在消費者層麵遏製電能需求的重點一直是推動采用緊湊型熒光燈的計劃燈（CFL）。使用CFL的選擇並非沒有結果;每個燈泡都含有汞，如果處理不當，最終會進入垃圾填埋場。此外，外形尺寸並非適用於所有照明應用。一種備受關注的替代方案是磷光體轉換的“白色”LED。 LED流明輸出和功效 - 流明輸出與輸入功率的測量 - 繼續逐年取得重大進展，同時，流明/美元的成本正在下降。除了節能之外，高亮度LED在正確設計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。

現成的鹵素台燈被用作演示的基礎。當今最新生產LED光源的真實世界表現。使用CreeXLAMP®MC-E LED作為光源。該產品在一個緊湊的封裝中集成了四個LED，非常適用於MR-16和便攜式工作燈等定向照明應用。原始燈具在改裝前後進行了表征，以突出現實世界的性能差異。

圖1：現成的50 W鹵素便攜式台燈。

圖2：帶有保護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。

固態照明的DoE能源之星標準燈具（版本1.1 - 12/19/08）包括便攜式住宅台燈的最小功率因數（PF）為0.7的要求。此功率級別的典型LED驅動器通常具有0.5-0.6的PF，低於要求。此處介紹的解決方案專門設計用於超出住宅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，玻璃蓋板限製進入燈泡以保護使用者，並且塑料外殼在燈泡上方提供隔熱罩。即使有這些安全措施，這款鹵素燈具也包括一個杆端的手柄，使用戶可以安全地瞄準燈。玻璃是特殊的，因為它結合了一個過濾器，以減少鹵素燈泡產生的不必要的紫外線。這些台燈中使用的典型12伏鹵素燈泡的效率範圍為14至18 lm/W.請注意，如圖3所示，這隻是燈泡的額定功效，不包括燈具損耗或位於燈座底部的變壓器損耗。

高亮度LED顯示出明顯更高的光轉換效率，因此對於給定的光輸出產生更少的廢熱。較少的廢熱意味著燈組件運行得更冷，並且不會使用戶暴露在危險的高溫下。燈泡組件經過重新設計，散熱片（圖4）安裝在燈泡夾具的現有塑料外殼內。下麵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器件評估LED性能。選擇該LED以滿足能源之星相關色溫（CCT）要求，並且具有足夠的通量，遠遠超過了SSL家用台燈要求的燈具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。考慮到實際驅動電流（630mA）和穩態工作溫度，LED的估計流明輸出範圍為450至600流明，具體取決於散熱器設計。二級光學元件是FRAEN的現成32度反射器（FRC-M1-MCE-0R），專為MC-E設計。

圖4：燈的定製散熱器shell。

圖5：Cree MC-E安裝在子底座上並連接到散熱器。

圖5a：Cree MC-E包括反射鏡光學器件。 》 LED組件由安森美半導體NCP1014LEDGTGEVB LED驅動器評估板供電。這種高效驅動器可為LED陣列提供所需的電流隔離和調節驅動電流。它具有90至265 VAC的通用輸入功率範圍，允許一種設計用於多個區域，隻需更換牆上插頭的電纜。現有的鹵素鐵芯變壓器不是這種情況，因為它專門針對一種線電壓範圍而設計。

圖6：正常負載下NCP1014LEDGTGEVB的功率因數性能。

評估板支持使用電位計進行可變調光，電流調節範圍為100至630 mA。 630 mA最大電流設置為安全地保持在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的NCP1014LEDGTGEVB LED驅動器功率因數校正性能的典型曲線。如圖所示，對於美國線路電壓範圍，功率因數遠高於0.8，遠遠超過ENERGY STAR住宅SSL燈具0.7的要求。該驅動器還滿足IEC61000-3-2 Class C的諧波含量要求。

圖7所示為安裝在台燈底座上的LED驅動板。注意，由於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定燈。在專為LED而優化的便攜式台燈設計中，底座將更寬更平，以便在不需要增加重量的情況下穩定燈組件。圖8顯示了安裝在展示櫃中的LED驅動器演示板，沒有支撐頭部所需的配重。

表1中顯示的數據是在台燈上收集的，原裝50瓦鹵素燈泡和35瓦替代燈泡鹵素燈泡。轉換到LED光源後進行的附加測量顯示有或沒有額外的光學反射器，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米處的表麵上的發光強度的測量值

圖7：NCP1014LEDGTGEVB恒流驅動板安裝在台燈底座上。

圖8：帶備用底座。

配置設置源照度（勒克斯）引腳（W ）50 W鹵素燈與Cree MC-E相比，FRAEN反射器光學器件高鹵素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鹵素燈與Cree MC-E相比無二次光學高鹵素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：比較之前和之後。

比較光源正下方的照度重要的是，光在表麵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以表征在正常操作條件下光的分布。總結如表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鹵素燈853 800 727 793 51.6 LED光纖580 577 529 562 23.4 35 W鹵素燈496 485 443 475 22.8 LED 518 527 490 512 15.7表2：配光比較

在本例中，轉換後的LED台燈產生的照度比35瓦鹵素燈泡高13％，但耗電量減少73％。有趣的是，在原來的50瓦台燈中單獨檢查磁性變壓器的性能後，它的損耗大約為8.3瓦，超過了轉換台燈中LED的8.0瓦特。換句話說，原裝鹵素燈底座中的變壓器比轉換後的台燈中的LED消耗的電量更多。圖9顯示了左側鹵素燈和轉換後的LED燈之間的亮度模式比較。正確的。比較是在一個35瓦的鹵素燈泡和沒有任何二次光學元件的LED之間。注意由GY6.35鹵素燈泡的管狀形狀產生的不均勻圖案。相反，LED組件安裝在散熱器的圓形凹陷區域中，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由於其朗伯的光結構而在提供均勻的定向光分布方麵表現優異。

使散熱器內的LED凹陷有利於使用二次光學器件的可能性，並且如果燈處於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係統，中心照度增加了170％。將LED性能與高效驅動器和現成光學元件相結合，可提供遠遠優於鹵素燈具的照明解決方案。

圖9：35W鹵素燈和LED燈的光圖案。覆蓋鹵素燈泡的暴露玻璃板的表麵在250℃下測量。相比之下，LED安裝基板的最高溫度僅為77℃。由於這是一次改造，現有的用於鹵素燈泡的不通氣的塑料外殼被重複使用。移除塑料蓋後，LED安裝溫度降至低於63°C;如果產品針對LED操作進行了優化，則熱環境將進一步改善，因為根據最終產品設計考慮，可以重新設計或移除非通風蓋。另請注意，在正常驅動條件下（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功耗為創新的燈具設計打開了大門，這些設計曆來受到鹵素燈泡限製的限製。當與適當的LED驅動電路結合使用時，可以實現有效的解決方案，以簡化產品設計，這樣，隻需稍加改動，就可以在世界各地銷售相同的產品。此外，可調節控製允許用戶進一步優化光輸出以滿足其特定的環境需求，而不是傳統的基於鹵素的台燈的一個或兩個光級。在較低的亮度設置下，節能效果會大幅提升。

針對90至265 VAC的通用交流輸入進行了優化的驅動器允許製造商針對所有市場使用一種基本燈具設計，並且隻需要按地區更換電源線。基於最先進的LED（如Cree XLAMP MC-E）並由高效恒流源驅動器驅動的燈具將允許引入新的持久，節能的通用照明產品。雖然此示例顯示了改造應用的性能，但如果燈具從一開始就專門設計了LED，則可以實現進一步的優化。