LED光引擎的解决方案

本·斯韦伯格

如今，能提供超过100lx/W的LED照明产品并不少见。与传统光源相比，LED灯具有更高的光效，并有各种形状和尺寸，一些安装在传统的插座里，还有一些与灯具集成为一体。任何一种形式都能满足某些特定的应用，但是真正的挑战是如何满足更大的商业市场的需求，即把方便最终用户使用与高性能联系起来，使光的输出最大化、使用寿命更长和更便于现场更换。

为什么关心现场更换的问题

许多早期的LED灯都是按照将发光二极管集成在灯具里的模式来进行设计的。这种设计需要对大量的热量进行处理，从而实现光输出和产品使用寿命的最大化。但是这种LED灯和所有的电子产品一样，会有初期的失败率和安装后易损的问题。此外，如果不能实施简单的更换，要想升级出更高效的发光二级管是不切实际的。因此，要通过广阔的市场获得LED技术的效率，使业主有信心相信未来他们可以更换他们的“灯”。

能源设计师协商会议针对这个问题提出，采用LED灯的主要障碍是更换问题和缺少模块化。国际电气制造商协会 （NEMA）在其2009年的白皮书上就对此有所公认：“LSD 44固态照明是新一代插座和连接器的需求”。并指出：“目前，在许多LED灯具中，发光二极管是“永久性”的，最终用户或维修人员现场是不能随意更换的。也有一些LED灯具，虽然其发光二极管是作为单独的子模块可以被更换，但在更换过程中，若不将灯具的主要部分拆卸下来，仍不能简单地更换发光二极管。越来越多的经验表明，发光二极管是会发生故障的……”

既然LED灯仅消耗如此少的能量，为什么热量处理会如此重要？

一个高效产品需要其热量输出得到很好地控制，这似乎很矛盾。事实上，LED产品产生的热量比传统光源要少得多。所不同的是，LED产品所产生的热量高度集中在LED本身，从而产生了一个非常小的高温区域。而发光二极管具有一个临界温度，这个临界温度对其使用寿命有很大的影响。好的灯具设计要求当光的输出量最大时，它的温度能稳定地停留在临界温度以下。采用爱迪生灯座或CFL细杆灯座等的传统灯具，在设计时都没有考虑如何处理灯内发光二极管的热量。因此，LED光源在使用这些传统的接口时不得不牺牲灯泡的使用寿命或光通量的输出。NEMA在同一本白皮书（LSD44-2009）中也提出了这个问题：“现有插座的使用牺牲了固态照明的能力；其机械和光学配置未达到最佳的标准；且不能提供足够的散热路径。”

最初用于普通照明的LED产品在开发时遵循两条不同的原则：1）使用集成模块使性能变强；2）使用传统灯座便于更换。如前所述，第一种能提供最佳的性能，但使现场更换更具挑战性。第二种选择便于更换，但却不能完全控制好产品的热量，导致产品使用寿命或光通量降低，甚至两者皆有。

随着人们开始意识到热量处理和适用性在商品市场中的重要性，一些具有良好热传导路径的可更换模块和改进的全套元件纷纷出台。其中多数系统运行正常，但是，仍然存在一些问题。例如：不同的制造厂商有各自独有的形式，厂家对其产品退化的忧虑、更换的时间间隔以及成本问题阻碍了其被广泛的接受。所幸的是，业界已认识到这个问题并且开始进行改进。

图1 一种带分离式光引擎和支架的新型LED筒灯

Zhaga联盟的成立

2010年3月，一些来自世界各地的与照明相关的企业首次相聚，组成了Zhaga联盟，旨在制定LED光引擎接口标准，使不同厂家生产的产品能相互兼容。

Zhaga 网站声称：通过对用于各种专用光引擎的接口进行定义，可以实现不同产品间的兼容。Zhaga标准涵盖了LED光引擎的外型尺寸、以及其光、电、热特性。 Zhaga联盟的成立是为了光引擎和灯具消费者及专业买家的利益，期望该标准可以防止由于市场分散化导致灯具光引擎互不相容的情况。Zhaga标准将使LED产品变得容易更换和商业化，同时还能不断地享受LED技术所赋予的性能升级，从而增强人们去预订和购买LED产品的信心。此外，还将促进LED照明产品在普通照明领域的技术革新和竞争力。

Zhaga联盟的会员单位在多个应用领域已经取得了重大的进展，包括下射式照明、局部照明、路灯照明及环境照明（如线性荧光灯）。对于这些应用，Zhaga规范在光引擎和灯具之间定义了四个接口：机械、电气、热和光。但规范只对LED光引擎的外部进行了定义，它将光引擎视为一个“黑匣子”，所定义的接口不依赖于光引擎内部使用的技术。这对产品来说是最大限度的创新，保证了相互连接的接口是用户可以信赖的。

已获批准的Zhaga标准

Zhaga联盟自成立以来，已有几个规范获得了批准，联盟的会员单位根据规范的要求开始开发相应的产品。这些标准的确立能确保现有产品之间以及与以后开发的替换产品之间能够互相兼容。Zhaga联盟所制定和正在制定的规范概述如下：

图2 典型的光引擎的安装组合

第一个规范于2011年2月获得批准，该规范是为带控制器(Control Gear)的灯座式光引擎（图1）制定的，该引擎主要用于聚光灯。几家公司提供了样机，并开始投入光引擎和底座（图2）的开发。该设计在光引擎与散热片之间创造了一个大的热界面，使灯具使用寿命更长，并能到达预期LED的性能，只需迅速扭转便可便捷的更换。

第二个规范在2011年6月的会议上获得批准，为采用分离式控制器(Control Gear)的LED聚光灯接口规范。如图所示，其物理尺寸与安装支架模块是一致的，因而更换的过程非常简单。

在2011年9月的会议上，Zhaga联盟成员批准了第三个Zhaga规范。该规范定义的是采用分离式控制器灯座式聚光灯的接口，其控制器还是置于一个单独的机架。所不同的是前一个规范中定义的引擎直接用螺钉安装，而在此新规范中规定在更换时只需简单地把更换模块拧入到底座即可。

目前，该联盟正致力于两个新规范的制定：

1）通过对几个方案进行比较和合并，不久将制定出一种用于室内的带独立控制器的非嵌入式线性模块的光引擎装置的规范。一般一个这种室内灯具可包含几组矩形模块和一个控制器。

2）制定采用分离式控制器的非嵌入式道路照明光引擎的规范。

除了光引擎接口规范之外，Zhaga联盟也正在开发支持与多种光引擎接口相关的其他规范，如物理尺寸，LED控制装置的安装位置等。

Zhaga联盟早在2011年就组织了专人对如何确定LED光引擎的调光进行研究，即光引擎在调光过程中的通用性，他们的首要任务就是研究断相调光。但Zhaga联盟尚未打算制定调光方面的Zhaga规范，而是将与NEMA进行合作（NEMA率先制定了适用于LED光引擎的调光接口标准）。

Zhaga联盟的目标是为了使最终用户建立信心，在未来，可靠的LED产品会被挑选出来，并可以被很多厂家很好地利用。尽管在照明世界里还会不断地出现其他的形式，但是对于标准化和高性能LED灯依然有很大的需求，这些在2012年将开始成为现实。