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如何将卤素台灯转换为LED光源

电子设计 2019-02-14 08:58 次阅读
据国际能源署估计,全球超过19%的电能需求用于照明。因此,全球各地都在努力用更高效的解决方案取代效率低下的白炽灯光源。 在消费者层面遏制电能需求的重点一直是推动采用紧凑型荧光灯的计划灯(CFL)。使用CFL的选择并非没有结果;每个灯泡都含有汞,如果处理不当,最终会进入垃圾填埋场。此外,外形尺寸并非适用于所有照明应用。一种备受关注的替代方案是磷光体转换的“白色”LED。 LED流明输出和功效 - 流明输出与输入功率的测量 - 继续逐年取得重大进展,同时,流明/美元的成本正在下降。除了节能之外,高亮度LED在正确设计和操作时的使用寿命可超过50,000小时,从而消除了更换灯泡的成本。 现成的卤素台灯被用作演示的基础。当今最新生产LED光源的真实世界表现。使用CreeXLAMP®MC-E LED作为光源。该产品在一个紧凑的封装中集成了四个LED,非常适用于MR-16和便携式工作灯等定向照明应用。原始灯具在改装前后进行了表征,以突出现实世界的性能差异。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图1:现成的50 W卤素便携式台灯。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图2:带有保护玻璃盖和手柄的灯泡外壳中的50 W灯泡。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图3:60 Hz铁芯变压器,2.4磅。 固态照明的DoE能源之星标准灯具(版本1.1 - 12/19/08)包括便携式住宅台灯的最小功率因数(PF)为0.7的要求。此功率级别的典型LED驱动器通常具有0.5-0.6的PF,低于要求。此处介绍的解决方案专门设计用于超出住宅ENERGYSTAR®PF要求,无需添加额外电路 卤素白炽灯泡通常在250-350ºC的温度下工作,因此,灯具必须为用户提供安全保障。在这种情况下,玻璃盖板限制进入灯泡以保护使用者,并且塑料外壳在灯泡上方提供隔热罩。即使有这些安全措施,这款卤素灯具也包括一个杆端的手柄,使用户可以安全地瞄准灯。玻璃是特殊的,因为它结合了一个过滤器,以减少卤素灯泡产生的不必要的紫外线。这些台灯中使用的典型12伏卤素灯泡的效率范围为14至18 lm/W.请注意,如图3所示,这只是灯泡的额定功效,不包括灯具损耗或位于灯座底部的变压器损耗。 高亮度LED显示出明显更高的光转换效率,因此对于给定的光输出产生更少的废热。较少的废热意味着灯组件运行得更冷,并且不会使用户暴露在危险的高温下。灯泡组件经过重新设计,散热片(图4)安装在灯泡夹具的现有塑料外壳内。下面所示的铸铝插件安装在灯壳中。中性白色Cree MCE(代码 - 000-KE5 - 4000 K)安装在金属芯PCB子底座上以帮助组装。使用和不使用二次光学器件评估LED性能。选择该LED以满足能源之星相关色温(CCT)要求,并且具有足够的通量,远远超过了SSL家用台灯要求的灯具200流明的最低要求。 LED的额定电流为370至430流明,测试电流为350 mA,温度为25°C。考虑到实际驱动电流(630mA)和稳态工作温度,LED的估计流明输出范围为450至600流明,具体取决于散热器设计。二级光学元件是FRAEN的现成32度反射器(FRC-M1-MCE-0R),专为MC-E设计。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图4:灯的定制散热器shell。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图5:Cree MC-E安装在子底座上并连接到散热器。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图5a:Cree MC-E包括反射镜光学器件。 》 LED组件由安森美半导体NCP1014LEDGTGEVB LED驱动器评估板供电。这种高效驱动器可为LED阵列提供所需的电流隔离和调节驱动电流。它具有90至265 VAC的通用输入功率范围,允许一种设计用于多个区域,只需更换墙上插头的电缆。现有的卤素铁芯变压器不是这种情况,因为它专门针对一种线电压范围而设计。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图6:正常负载下NCP1014LEDGTGEVB的功率因数性能。 评估板支持使用电位计进行可变调光,电流调节范围为100至630 mA。 630 mA最大电流设置为安全地保持在Cree MC-E的700 mA最大工作电流以下。图6显示了作为输入线电压函数的NCP1014LEDGTGEVB LED驱动器功率因数校正性能的典型曲线。如图所示,对于美国线路电压范围,功率因数远高于0.8,远远超过ENERGY STAR住宅SSL灯具0.7的要求。该驱动器还满足IEC61000-3-2 Class C的谐波含量要求。 图7所示为安装在台灯底座上的LED驱动板。注意,由于提供平衡的原始变压器从基座移除,因此需要压载重量来稳定灯。在专为LED而优化的便携式台灯设计中,底座将更宽更平,以便在不需要增加重量的情况下稳定灯组件。图8显示了安装在展示柜中的LED驱动器演示板,没有支撑头部所需的配重。 表1中显示的数据是在台灯上收集的,原装50瓦卤素灯泡和35瓦替代灯泡卤素灯泡。转换到LED光源后进行的附加测量显示有或没有额外的光学反射器,将杂散光重定向到更中心的位置。以勒克斯表示的照度是距离光源0.5米处的表面上的发光强度的测量值 如何将卤素台灯转换为LED光源 图7:NCP1014LEDGTGEVB恒流驱动板安装在台灯底座上。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图8:带备用底座。 配置设置源照度(勒克斯)引脚(W )50 W卤素灯与Cree MC-E相比,FRAEN反射器光学器件高卤素1462 56.6 LED(IDrive = 630 mA)2596 10.9低卤素744 40.9 LED(IDrive = 100 mA)646 1.67 35 W卤素灯与Cree MC-E相比无二次光学高卤素847 40.4 LED(IDrive = 630 mA)962 10.9低卤素435 29.4 LED(IDrive = 100 mA)236 1.67表1:比较之前和之后。 比较光源正下方的照度重要的是,光在表面上的均匀分布也很重要,因此,在距中心偏移0.25米处选择其他测试点以表征在正常操作条件下光的分布。总结如表2所示。 灯泡照度@ 0.25m偏移(勒克斯)分析左右前方均值Sigma 50 W卤素灯853 800 727 793 51.6 LED光纤580 577 529 562 23.4 35 W卤素灯496 485 443 475 22.8 LED 518 527 490 512 15.7表2:配光比较 在本例中,转换后的LED台灯产生的照度比35瓦卤素灯泡高13%,但耗电量减少73%。有趣的是,在原来的50瓦台灯中单独检查磁性变压器的性能后,它的损耗大约为8.3瓦,超过了转换台灯中LED的8.0瓦特。换句话说,原装卤素灯底座中的变压器比转换后的台灯中的LED消耗的电量更多。图9显示了左侧卤素灯和转换后的LED灯之间的亮度模式比较。正确的。比较是在一个35瓦的卤素灯泡和没有任何二次光学元件的LED之间。注意由GY6.35卤素灯泡的管状形状产生的不均匀图案。相反,LED组件安装在散热器的圆形凹陷区域中,如图5所示。这提供了更圆的光图案,在所有方向上均匀照明。高亮度LED由于其朗伯的光结构而在提供均匀的定向光分布方面表现优异。 使散热器内的LED凹陷有利于使用二次光学器件的可能性,并且如果灯处于视线水平则避免可能的眩光。如表1所示,通过加入额外的反射镜光学系统,中心照度增加了170%。将LED性能与高效驱动器和现成光学元件相结合,可提供远远优于卤素灯具的照明解决方案。 如何将卤素台灯转换为LED光源 图9:35W卤素灯和LED灯的光图案。覆盖卤素灯泡的暴露玻璃板的表面在250℃下测量。相比之下,LED安装基板的最高温度仅为77℃。由于这是一次改造,现有的用于卤素灯泡的不通气的塑料外壳被重复使用。移除塑料盖后,LED安装温度降至低于63°C;如果产品针对LED操作进行了优化,则热环境将进一步改善,因为根据最终产品设计考虑,可以重新设计或移除非通风盖。另请注意,在正常驱动条件下(350 mA),盖板上的LED安装温度为49°C。 能耗的好处很明显。更高的效率,更小的尺寸和重量以及更低的LED功耗为创新的灯具设计打开了大门,这些设计历来受到卤素灯泡限制的限制。当与适当的LED驱动电路结合使用时,可以实现有效的解决方案,以简化产品设计,这样,只需稍加改动,就可以在世界各地销售相同的产品。此外,可调节控制允许用户进一步优化光输出以满足其特定的环境需求,而不是传统的基于卤素的台灯的一个或两个光级。在较低的亮度设置下,节能效果会大幅提升。 针对90至265 VAC的通用交流输入进行了优化的驱动器允许制造商针对所有市场使用一种基本灯具设计,并且只需要按地区更换电源线。基于最先进的LED(如Cree XLAMP MC-E)并由高效恒流源驱动器驱动的灯具将允许引入新的持久,节能的通用照明产品。虽然此示例显示了改造应用的性能,但如果灯具从一开始就专门设计了LED,则可以实现进一步的优化。
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