LED光引擎的解決方案

本·斯韋伯格

如今，能提供超過100lx/W的LED照明產(chǎn)品并不少見。與傳統(tǒng)光源相比，LED燈具有更高的光效，并有各種形狀和尺寸，一些安裝在傳統(tǒng)的插座里，還有一些與燈具集成為一體。任何一種形式都能滿足某些特定的應(yīng)用，但是真正的挑戰(zhàn)是如何滿足更大的商業(yè)市場的需求，即把方便最終用戶使用與高性能聯(lián)系起來，使光的輸出最大化、使用壽命更長和更便于現(xiàn)場更換。

為什么關(guān)心現(xiàn)場更換的問題

許多早期的LED燈都是按照將發(fā)光二極管集成在燈具里的模式來進行設(shè)計的。這種設(shè)計需要對大量的熱量進行處理，從而實現(xiàn)光輸出和產(chǎn)品使用壽命的最大化。但是這種LED燈和所有的電子產(chǎn)品一樣，會有初期的失敗率和安裝后易損的問題。此外，如果不能實施簡單的更換，要想升級出更高效的發(fā)光二級管是不切實際的。因此，要通過廣闊的市場獲得LED技術(shù)的效率，使業(yè)主有信心相信未來他們可以更換他們的“燈”。

能源設(shè)計師協(xié)商會議針對這個問題提出，采用LED燈的主要障礙是更換問題和缺少模塊化。國際電氣制造商協(xié)會 （NEMA）在其2009年的白皮書上就對此有所公認：“LSD 44固態(tài)照明是新一代插座和連接器的需求”。并指出：“目前，在許多LED燈具中，發(fā)光二極管是“永久性”的，最終用戶或維修人員現(xiàn)場是不能隨意更換的。也有一些LED燈具，雖然其發(fā)光二極管是作為單獨的子模塊可以被更換，但在更換過程中，若不將燈具的主要部分拆卸下來，仍不能簡單地更換發(fā)光二極管。越來越多的經(jīng)驗表明，發(fā)光二極管是會發(fā)生故障的……”

既然LED燈僅消耗如此少的能量，為什么熱量處理會如此重要？

一個高效產(chǎn)品需要其熱量輸出得到很好地控制，這似乎很矛盾。事實上，LED產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量比傳統(tǒng)光源要少得多。所不同的是，LED產(chǎn)品所產(chǎn)生的熱量高度集中在LED本身，從而產(chǎn)生了一個非常小的高溫區(qū)域。而發(fā)光二極管具有一個臨界溫度，這個臨界溫度對其使用壽命有很大的影響。好的燈具設(shè)計要求當光的輸出量最大時，它的溫度能穩(wěn)定地停留在臨界溫度以下。采用愛迪生燈座或CFL細桿燈座等的傳統(tǒng)燈具，在設(shè)計時都沒有考慮如何處理燈內(nèi)發(fā)光二極管的熱量。因此，LED光源在使用這些傳統(tǒng)的接口時不得不犧牲燈泡的使用壽命或光通量的輸出。NEMA在同一本白皮書（LSD44-2009）中也提出了這個問題：“現(xiàn)有插座的使用犧牲了固態(tài)照明的能力；其機械和光學(xué)配置未達到最佳的標準；且不能提供足夠的散熱路徑?！?/p>

最初用于普通照明的LED產(chǎn)品在開發(fā)時遵循兩條不同的原則：1）使用集成模塊使性能變強；2）使用傳統(tǒng)燈座便于更換。如前所述，第一種能提供最佳的性能，但使現(xiàn)場更換更具挑戰(zhàn)性。第二種選擇便于更換，但卻不能完全控制好產(chǎn)品的熱量，導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命或光通量降低，甚至兩者皆有。

隨著人們開始意識到熱量處理和適用性在商品市場中的重要性，一些具有良好熱傳導(dǎo)路徑的可更換模塊和改進的全套元件紛紛出臺。其中多數(shù)系統(tǒng)運行正常，但是，仍然存在一些問題。例如：不同的制造廠商有各自獨有的形式，廠家對其產(chǎn)品退化的憂慮、更換的時間間隔以及成本問題阻礙了其被廣泛的接受。所幸的是，業(yè)界已認識到這個問題并且開始進行改進。

圖1 一種帶分離式光引擎和支架的新型LED筒燈

Zhaga聯(lián)盟的成立

2010年3月，一些來自世界各地的與照明相關(guān)的企業(yè)首次相聚，組成了Zhaga聯(lián)盟，旨在制定LED光引擎接口標準，使不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品能相互兼容。

Zhaga 網(wǎng)站聲稱：通過對用于各種專用光引擎的接口進行定義，可以實現(xiàn)不同產(chǎn)品間的兼容。Zhaga標準涵蓋了LED光引擎的外型尺寸、以及其光、電、熱特性。 Zhaga聯(lián)盟的成立是為了光引擎和燈具消費者及專業(yè)買家的利益，期望該標準可以防止由于市場分散化導(dǎo)致燈具光引擎互不相容的情況。Zhaga標準將使LED產(chǎn)品變得容易更換和商業(yè)化，同時還能不斷地享受LED技術(shù)所賦予的性能升級，從而增強人們?nèi)ヮA(yù)訂和購買LED產(chǎn)品的信心。此外，還將促進LED照明產(chǎn)品在普通照明領(lǐng)域的技術(shù)革新和競爭力。

Zhaga聯(lián)盟的會員單位在多個應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的進展，包括下射式照明、局部照明、路燈照明及環(huán)境照明（如線性熒光燈）。對于這些應(yīng)用，Zhaga規(guī)范在光引擎和燈具之間定義了四個接口：機械、電氣、熱和光。但規(guī)范只對LED光引擎的外部進行了定義，它將光引擎視為一個“黑匣子”，所定義的接口不依賴于光引擎內(nèi)部使用的技術(shù)。這對產(chǎn)品來說是最大限度的創(chuàng)新，保證了相互連接的接口是用戶可以信賴的。

已獲批準的Zhaga標準

Zhaga聯(lián)盟自成立以來，已有幾個規(guī)范獲得了批準，聯(lián)盟的會員單位根據(jù)規(guī)范的要求開始開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。這些標準的確立能確保現(xiàn)有產(chǎn)品之間以及與以后開發(fā)的替換產(chǎn)品之間能夠互相兼容。Zhaga聯(lián)盟所制定和正在制定的規(guī)范概述如下：

圖2 典型的光引擎的安裝組合

第一個規(guī)范于2011年2月獲得批準，該規(guī)范是為帶控制器(Control Gear)的燈座式光引擎（圖1）制定的，該引擎主要用于聚光燈。幾家公司提供了樣機，并開始投入光引擎和底座（圖2）的開發(fā)。該設(shè)計在光引擎與散熱片之間創(chuàng)造了一個大的熱界面，使燈具使用壽命更長，并能到達預(yù)期LED的性能，只需迅速扭轉(zhuǎn)便可便捷的更換。

第二個規(guī)范在2011年6月的會議上獲得批準，為采用分離式控制器(Control Gear)的LED聚光燈接口規(guī)范。如圖所示，其物理尺寸與安裝支架模塊是一致的，因而更換的過程非常簡單。

在2011年9月的會議上，Zhaga聯(lián)盟成員批準了第三個Zhaga規(guī)范。該規(guī)范定義的是采用分離式控制器燈座式聚光燈的接口，其控制器還是置于一個單獨的機架。所不同的是前一個規(guī)范中定義的引擎直接用螺釘安裝，而在此新規(guī)范中規(guī)定在更換時只需簡單地把更換模塊擰入到底座即可。

目前，該聯(lián)盟正致力于兩個新規(guī)范的制定：

1）通過對幾個方案進行比較和合并，不久將制定出一種用于室內(nèi)的帶獨立控制器的非嵌入式線性模塊的光引擎裝置的規(guī)范。一般一個這種室內(nèi)燈具可包含幾組矩形模塊和一個控制器。

2）制定采用分離式控制器的非嵌入式道路照明光引擎的規(guī)范。

除了光引擎接口規(guī)范之外，Zhaga聯(lián)盟也正在開發(fā)支持與多種光引擎接口相關(guān)的其他規(guī)范，如物理尺寸，LED控制裝置的安裝位置等。

Zhaga聯(lián)盟早在2011年就組織了專人對如何確定LED光引擎的調(diào)光進行研究，即光引擎在調(diào)光過程中的通用性，他們的首要任務(wù)就是研究斷相調(diào)光。但Zhaga聯(lián)盟尚未打算制定調(diào)光方面的Zhaga規(guī)范，而是將與NEMA進行合作（NEMA率先制定了適用于LED光引擎的調(diào)光接口標準）。

Zhaga聯(lián)盟的目標是為了使最終用戶建立信心，在未來，可靠的LED產(chǎn)品會被挑選出來，并可以被很多廠家很好地利用。盡管在照明世界里還會不斷地出現(xiàn)其他的形式，但是對于標準化和高性能LED燈依然有很大的需求，這些在2012年將開始成為現(xiàn)實。