PAR38参考设计

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Cree XLamp MK-R LED
PAR38参考设计
目录
前言
前言......................................................................1
本应用说明详细介绍了使用Cree XLamp MK‑R LED制作100瓦
设计方法/目标. . . . . ................................... . . . . . . 2
等效PAR38替换灯的设计。MK‑R LED采用SC³ Technology™
六步骤法.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . . 2
新一代LED平台构建而成,经过专门的优化,适用于诸如此
1. 确定照明要求.. . .................................. . . . . . . 2
CLD-AP137 REV 0
应用说明
技术文章
PAR38灯等定向照明应用。
2. 确定设计目标.. . .................................. . . . . . . 4
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率.. ....... . . . . . . . 5
本设计以Cree使用XLamp XT‑E和MT‑G2 LED制作PAR38替
4. 计算所需的LED数量............................. . . . . . . . 7
换灯的参考设计为基础,展现了将XLamp MK-R LED作为100
5. 考虑所有设计方案. ............................... . . . . . . 8
瓦等效PAR38替换灯的光源以用作室内泛光灯的可行性。1
6. 完成最后步骤.. . .................................. . . . . . . 8
结语... . . . . . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . 10
材料清单.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . 10
1
www.cree.com/XLamp
C r e e   X L a m p   X T- E   P A R 3 8 参 考 设 计 , 应 用 说 明 A P 9 4 ,
www.cree.com/xlamp_ref/xte_par38
Cree XLamp MT-G2 PAR38参考设计,应用说明AP117,
www.cree.com/xlamp_ref/mtg2_par38
用户完全承担因依赖本应用说明中的任何信息所产生的风险。Cree及其附属公司对有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或灯具(包括但不限于不
侵犯Cree或第三方的知识产权的灯或灯具)不作任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果灯具制造商根据任何Cree应用说明或参考设计进行全部或部分
的产品设计,则该制造商必须全权负责确保其产品符合所有适用的法律和行业要求。
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版权所有© 2013 Cree, Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改,恕不另行通知。Cree
、Cree徽标和XLamp ®均为Cree, Inc.的注册商标,
版权所有
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Inc.的注
SC3 Technology™ Platform为Cree, Inc.的商标。如需了解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息,请发送电子邮
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件至[email protected],联系Cree销售部。
Cree, Inc.
4600 Silicon Drive
Durham, NC 27703
美国电话:+1.919.407.5300
XLamp MK-R PAR38参考设计
设计方法/目标
在“LED灯具设计指南”应用说明中,Cree提出了一个用于制作LED灯具的六步骤框架。2 所有Cree参考设计均采用该框架,表1中简要
回顾了本设计指南的主要内容。
步骤
说明
1.
确定照明要求
•
设计目标可根据现有灯具或应用的照明要求确定。
2.
确定设计目标
•
•
根据应用的照明要求明确设计目标。
明确任何其他会对设计造成影响的目标,如特殊光学或环境要求。
3.
估算光学系统、热系统和电气系统
的效率
•
•
•
设计目标将对光学系统、热系统和电气系统设定限制。
可以依照这些限制条件对各个系统的效率进行正确的估算。
结合照明目标和系统效率的信息,可推算出灯具所需的LED数量。
4.
计算所需的LED数量
•
根据设计目标和估算的损耗,设计人员能计算出满足设计目标所需的LED数量。
5.
考虑所有设计方案并从中选出最佳
方案
•
•
在任何设计中,都有许多方法可实现各个目标。
LED照明是一个新领域,因此适用于常规照明灯具的假设可能并不适用LED照明。
6.
完成最后步骤
•
•
•
•
•
完成电路板布局。
通过制作灯具原型,来测试各个设计选择。
确保设计达到所有设计目标。
利用原型来进一步改进灯具设计。
记录观察结果和改进想法。
表1:
表1: Cree六步骤框架
六步骤法
本项目的目标是展示有种易于实施的高效灯可以替换当前市场上的卤素PAR38灯,说明以合理的成本即可制作名副其实的100瓦等效
PAR38 LED灯。Cree将本项目定为改型项目,因此本应用说明中所提供的PAR38灯可充分利用PAR38灯具的已安装灯座。3
1. 确定照明要求
表2列出了本参考设计中MK-R PAR38灯的设计需要考虑的重要特性。
2
3
LED灯具设计指南,应用说明AP15,www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide
生产和成本优化的实施不在本文件讨论范围之内。
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如需了解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息,请发送电子邮件至[email protected],联系Cree销售部。
2
XLamp MK-R PAR38参考设计
重要性
关键
特性
单位
光强度—中心光束光强(CBCP)
坎德拉(cd)
光束角—半高全宽(FWHM)
度(°)
电功率
瓦(W)
光通量
流明(lm)
光效
lm/W
外形
重要
价格
美元
寿命
小时
工作温度
°C
相关色温(CCT)
K
显色指数(CRI)
100点尺度
灯与灯之间的一致性
功率因数
可制造性
表2: 针对PAR38灯分级排列的设计准则
表2:
通过查阅现有100瓦卤素PAR38灯的数据手册,可以得知基本基准数据,如表3所示。4
光通量(lm)
光效
(lm/W)
灯A
2200
灯B
1600
灯C
1500
15
灯
中心光束光强
(CBCP)(cd)
光束角
(°)
CCT
寿命
(小时)
22
25
2900 K
4200
16
25
2900 K
3000
25
2900 K
2000
5000
表3:
表3: PAR38基准数据
表4总结了能源之星®对所有整体式LED灯的要求。5
特性
要求
灯必须具有以下指定相关色温之一(依照ANSI C78.377-2008)并且与以下7阶色度四边形和Duv公差一致。
标称CCT
相关色温(CCT)和偏差(Duv)
色彩维持率
2700
3000
3500
4000
K
K
K
K
目标CCT (K)和公差
2725
3045
3465
3985
±
±
±
±
145
175
245
275
目标Duv和公差
0.000
0.000
0.000
0.001
±
±
±
±
0.006
0.006
0.006
0.006
在最小流明维持率测试期间(6000小时内),色度变化应在CIE 1976 (u’, v’)图中的0.007以内。
CRI
最小显色指数(Ra)为80。R9的值必须大于0。
调光
灯可以为可调光或非调光。产品封装必须清楚说明灯为可调光还是不可调光。生产合格可调光产品的制造商必须维护一个网页,用于
提供调光器兼容性信息。
可调光灯的最小光效、光输出、相关色温、显色指数和功率因数将在灯以最大功率运行时进行确认。
保修
必须为灯提供保修服务,其中应涵盖自购买之日起至少三(3)年内提供材料维修或更换服务。
允许使用的灯座
必须是符合ANSI标准的灯座。
4
5
资料来源:在线数据手册信息。
整体式LED灯能源之星计划要求,资格标准 – 版本1.4,表4,
www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/program_reqs/Integral_LED_Lamps_Program_Requirements.pdf
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3
XLamp MK-R PAR38参考设计
特性
要求
功率因数
灯功率<5 W并且是低压灯:无最低功率因数要求
灯功率>5 W:功率因数必须> 0.70
注:功率因数必须在额定电压下测量。
最低工作温度
-20 °C或以下
LED工作频率
≥ 120 Hz
注:此性能特性可解决由于低频工作造成的明显闪烁问题,并适用于稳态及调光操作。调光操作应在所有光输出级别均达到要求。
电磁和射频干扰
用于消费用途时,必须符合相关的FCC要求(FCC 47 CFR第15部分)
可听噪音
A类噪音评级
瞬态保护
电源应符合IEEE C62.41-1991(A类操作)的要求。线路瞬态保护应能够承受共模和差模形式下各打7次2.5 kV/100 kHz振铃
波的试验。
工作电压
灯具应在120、240、277 VAC标称额定电压或12、24 VAC/VDC电压下工作。
表4: 能源之星对所有整体式LED灯的要求
表4:
表5总结了能源之星对PAR替换灯的要求。6
标准项
能源之星要求
定义
定向灯是指有至少80%的光输出位于∏ sr的立体角内(对应于角度为120°的圆锥体)的灯
最小光效
灯直径<20/8英寸:40 lm/W
灯直径>20/8英寸:45 lm/W
色彩空间均匀度
在光束角区域内的色度变化与CIE 1976(u’v’)图中加权平均点的偏差应在0.006以内。
最大灯直径
不超过目标灯直径
最大总长度(MOL)
不超过目标灯的最大总长度
PAR灯最小中心光束强度
请链接到以下在线工具:
www.energystar.gov/ia/products/lighting/iledl/IntLampCenterBeamTool.zip
流明维持率
工作25000小时时的流明维持率> 70%(L70)
快速循环应力测试
循环时间必须为2分钟开,2分钟关。灯在L70寿命内每2小时开关一次。
表5: 能源之星对PAR灯的要求
表5:
2. 确定设计目标
表6列出了本项目的设计目标。我们使用能源之星中心光束强度基准工具(ENERGY STAR Center Beam Intensity Benchmark
Tool)来确定光束角为25°的100瓦等效PAR38灯所需的最低中心光束光强(CBCP)。7
6
7
同前,表7C
www.energystar.gov/ia/products/lighting/iledl/IntLampCenterBeamTool.zip
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4
XLamp MK-R PAR38参考设计
特性
单位
最低目标
预定目标
光输出
lm
1000
> 1000
中心光束光强(CBCP)—光束角为25°
cd
4241
> 4241
光效
lm/W
70
> 70
功率
W
15
< 15
CCT
K
3000
3000
CRI
100点尺度
80
> 80
0.7
> 0.7
功率因数
表6: MK-R PAR38灯设计目标
表6:
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
我们采用Cree的“产品特性工具”(PCT)来确定本设计的驱动电流。8对于1000流明的目标,我们估算光效为90%,驱动电源效率
LED System Comparison
为85%。我们还估算焊点温度为45 °C。PCT表明,在1 A时,1个XLamp MK-R LED的光输出就超过了设计目标,如图1中黄色突出显
示部分所示。
Rep
1
System:
1,000
Target Lumens :
90
Optical Efficiency:
LED 1
型号
电流 (A)
光通量
系统LED数量
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
1.150
1.200
2
2
2
1
1
1
1
1
1
价格
LED 2
Model
Cree XLamp MK-R {EZW}
Tsp (ºC)
G4 [840]
$
Flux
Price
-
系统总流明
1796.4
1882.5
1965.4
1022.9
1061.9
1099.7
1136.3
1171.7
1206
45
系统流明/瓦
79.7
78.3
76.9
75.6
74.3
73.1
71.9
70.7
69.6
(none)
Tj (ºC)
$
2
-
系统瓦数
22.544
24.043
25.546
13.527
14.285
15.045
15.807
16.572
17.339
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
图1:
图1: 带有MK-R数据的PCT结果
散热要求
XLamp MK-RvLED在选定的1 A输入电流下的工作功率约为14瓦,需要散热片进行散热。在基于LED的PAR38设计中,散热片不仅必
须消散由LED产生的热量,而且还必须为LED、光学元件、驱动电源和底座提供机械框架。此外,要成为名副其实的PAR38改型灯,
抛物面反光杯规格必须合适,能够装进ANSI标准外壳(如ANSI C78.24-2001中所定义)。9 为了简化设计,我们采用了市场上可以购
买的PAR38套件,其中包括散热片、光学元件支架、驱动电源外壳和螺丝灯座,如图2所示。10
8 可访问以下网址获取PCT:pct.cree.com
9 www.nema.org/stds/c78-24.cfm
10 型号PAR38,能缇精密工业股份有限公司,www.nengtyi.com.tw
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5
XLamp MK-R PAR38参考设计
图2:
图2: MK‑R PAR38套件——从左到右:散热片、光学元件支架、驱动电源外壳和螺丝灯座
图 7、散热外壳组件
Cree对设计进行了热模拟,得出的预计焊点温度(T SP )为47 °C。
模拟结果如图3所示,图中所示为25 °C环境温度下灯的横截面。
我们保守地假设LED将25%的输入功率转换为光,将75%的输入功率转
换为热量。11
温度 (ºC)
图3: MK-R PAR38灯的热模拟
图3:
驱动电子元件
本设计的挑战之一是将驱动电子元件装入面积相对较小
图 8、仿真图片
的PAR38底座。由于标准PAR38灯是将线电压直接接到灯上,
因此内部驱动电源必须将插座的输入电压转换为1 A电流源,
从仿真结果看,Tsp 大约 47 度,Tj 大约 61 度,应该可以满足要求;
用于工作电压约为14 V的MK-R LED。Cree选择了一款恒流驱
动电源(如图4所示),该驱动电源能够安装到驱动电源外壳
中,且与本设计的电流和电压范围相匹配。12
图4: MK-R PAR38驱动电源
图4:
11 如需有关热管理的更多信息,请参阅Cree XLamp LED热管理应用说明,AP05,www.cree.com/xlamp_app_notes/thermal_management
12 型号AD012S,东莞市领冠半导体照明有限公司,www.linkuan.com
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6
XLamp MK-R PAR38参考设计
二次光学元件
另一挑战是为MK-R LED定制二次光学元件,以装入标准PAR38外壳并产生所需的
光束角和CBCP。基线CBCP性能通过能源之星整体式LED灯中心光束强度基准工具
(Integral LED Lamp Center Beam Intensity Benchmark Tool)予以确定。
光学元件必须装入PAR38散热片外壳中。
如图5所示,Cree采用设计用于产生所需光束角的现有全内反射(TIR)光学元件。13
图5: MK-R PAR38光学元件
图5:
4. 计算所需的LED数量
本参考设计表明一个XLamp MK‑R LED即可赋予PAR38灯优异的性能。
MK-R LED具有宽广的色温和通量范围。我们为本PAR38灯设计选用了暖白光LED,如表7中突出显示部分所示。
XLamp MK-R标准ANSI套件代码
最小光通量(lm)
色度
套件
CCT
订购代码
(700 mA时)**
通量(lm)
通量 (lm)
(85 °C时)
(25 °C*时)
H2
900
1044
MKRAWT-00-0000-0D0BH20E6
MKRAWT-00-0000-0D0HH20E6
G4
840
974
MKRAWT-00-0000-0D0BG40E6
MKRAWT-00-0000-0D0HG40E6
G4
840
974
MKRAWT-00-0000-0D0HG40E7
G2
780
905
MKRAWT-00-0000-0D0HG20E7
F4
730
847
F2
680
789
E4
635
737
E2
590
684
G2
780
905
MKRAWT-00-0000-0D0HG20E8
F4
730
847
MKRAWT-00-0000-0D0HF40E8
F2
680
789
E4
635
737
E2
590
684
MKRAWT-00-0000-0D0UE20E8
D4
550
638
MKRAWT-00-0000-0D0UD40E8
代码
典型显色指数为65
最小显色指数为70
最小显色指数为80
最小显色指数为90
ANSI白光(2700 K - 8300 K)
E6
E7
E8
3500 K
3000 K
2700 K
MKRAWT-00-0000-0D0UE40E7
MKRAWT-00-0000-0D0UE20E7
表7: MK-R LED订购代码
表7:
13 型号LL01CR-ZE30L02,LedLink Optics,Inc.,www.ledlink-optics.com
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XLamp MK-R PAR38参考设计
5. 考虑所有设计方案
这只是基于LED的PAR38灯的众多设计方式之一。可散热且能够装入ANSI所定义之标准PAR38外壳的散热片也有无数种设计方式。驱动
LED和设计光学元件的方式也有许多种。本参考设计使用市售组件来制作一款具有名副其实的100-W卤素PAR38替换灯所需性能的灯。
本参考设计的主要目的是为了表明采用Cree XLamp MK-R LED进行设计的简单性。本应用说明并不是为了表明这样做的唯一方式,而
是为了证明在这些工程技术限制下也可轻松实施。
6. 完成最后步骤
本节介绍了使用XLamp MK‑R LED来制作可行PAR38灯原型的技术并显示了设计结果。
原型制作详细信息
本设计的本质是将Cree XLamp MK-R LED安装到散热片上并围绕它们组装必要的光学元件和驱动电源,以制作名副其实的100瓦卤素
等效PAR38灯。组装步骤详述如下。
1. 验证组件尺寸,以确保正确的匹配。
2. 遵循Cree的MK-R LED焊接和处理应用说明中的建议,我们使用相应的焊膏,根据回流温度曲线,将LED回流焊接到金属芯印刷电
路板(MCPCB)上,并用异丙醇(IPA)清除焊剂残留物。14
3. 在MCPCB的背面涂抹薄薄一层导热化合物,15 并用螺丝将MCPCB固定到散热片/外壳上。
4. 将驱动电源输出线穿过散热片中的孔并焊接到MCPCB端接焊盘上。
5. 给LED通电以测试连接并验证LED可点亮。
6. 将LED驱动电源安装到驱动电源外壳上,并将外壳卡入到散热片中。此外,也可以使用粘合剂将驱动电源外壳固定到散热片上。
7. 将驱动电源输入线焊接到金属螺丝灯座上。
8. 散热片将光学元件支架固定到位。将光学元件支架插入到散热片前侧,并将全内反射(TIR)光学元件卡入到光学元件支架中。
9. 进行最后的测试。
14
15
Cree XLamp MT系列和MK-R LED焊接和处理,应用说明AP75,www.cree.com/xlamp_app_notes/MT_SH
Black Ice 712,Timtronics,www.timtronics.com/electricallyconductive.htm
请参阅Cree的化学相容性应用说明,了解可安全用于Cree LED的化合物。
Cree XLamp LED化学相容性应用说明,AP63,www.cree.com/products/pdf/XLamp_Chemical_Comp.pdf
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XLamp MK-R PAR38参考设计
结果
散热结果
Cree使用热电偶验证电路板的温度,以确认散热片具有充足的散热性能。根据43 °C的实测焊点温度,结点温度(TJ)可计算如下。
TJ = TSP +(LED功率*LED热阻)
TJ = 43 °C + (14.8 W * 1.7 °C/W)
TJ = 68 °C
光学和电气结果
通过在稳态下内对60分钟稳定时间过后的MK-R PAR38灯进行测试,我们获得了表8和下述结果。16 性能超过设计目标,且与基准卤素灯
相比,具有高得多的光效、同等光发射图样和CBCP,而能耗却比卤素灯低85%。
光通量
(lm)
中心光束光强
(CBCP)
(cd)
灯功率
(W)
光效
(lm/W)
光束角
(°)
MK-R PAR38
1096
4845
14.8
74.1
25.5
卤素灯A
2200
100
22
25
4200
2900
卤素灯B
1600
100
16
25
3000
2900
卤素灯C
1500
100
15
25
2000
2900
灯具
5000
寿命
(小时)
CCT
(K)
CRI
功率因数
3083
81
0.71
表8: MK-R PAR38灯的稳态结果和基准数据
表8:
我们还测试了MK-R PAR38灯的光强分布,如图6所示。该灯在泛光
灯光束角狭窄时具有均匀的光强分布。
图6: MK-R PAR38灯的极坐标光强分布图
图6:
16 测试在Cree的上海技术中心使用2米积分球和A类测角计进行。PAR38灯的IES文件可访问以下网址查阅:www.cree.com/xlamp_app_notes/
MK-R_PAR38_ies。
版权所有© 2013 Cree, Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改,恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree, Inc.的注册商标,SC3 Technology™ Platform为Cree, Inc.的商标。
如需了解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息,请发送电子邮件至[email protected],联系Cree销售部。
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XLamp MK-R PAR38参考设计
表9显示了MK-R PAR38灯在距离光源不同位置时的中心光束照度。
高度
光束宽度
中心光束照度
垂直传播
水平传播
0.5 m
1.7 ft
1801 fc
19381 lx
0.2 m
0.7 ft
0.2 m
0.7 ft
1.0 m
3.3 ft
451 fc
4845 lx
0.4 m
1.3 ft
0.5 m
1.6 ft
1.5 m
5.0 ft
200 fc
2153 lx
0.7 m
2.3 ft
0.7 m
2.3 ft
2.0 m
6.6 ft
113 fc
1211 lx
0.9 m
3.0 ft
0.9 m
3.0 ft
2.5 m
8.3 ft
72 fc
775 lx
1.1 m
3.6 ft
1.1 m
3.6 ft
3.0 m
9.9 ft
50 fc
538 lx
1.3 m
4.3 ft
1.4 m
4.6 ft
表9:
表9: MK-R PAR38灯的中心光束照度(光束角为25.5°时)
结语
本参考设计证明使用Cree XLamp MK-R LED作为PAR38灯的基础来提供性能相当于当前市场上100‑W卤素灯的简易程度。而仅使用市
售组件就可以制作一个能够有效达成能源之星所述目标的PAR38灯这一点即充分展现了此简易程度。本文显示采用单个MK-R LED组件
即可实现和达到该性能水平,但不应理解为这是设计一款出色XLamp MK-R LED PAR38灯的唯一方式。
材料清单
组件
订购代码/型号
公司
Web链接
驱动电源
AD012S
东莞市领冠半导体照明有限公司
www.linkuan.com
散热片/外壳、驱动电源外壳、螺丝灯座和光学
元件支架套件
PAR38
能缇精密工业股份有限公司
www.nengtyi.com.tw
LED
MKRAWT-00-0000-0D0HG40E7
Cree, Inc.
www.cree.com/XLamp/MKR
光学元件
LL01CR-ZE30L02
LedLink Optics, Inc.
www.ledlink-optics.com
导热化合物
Black Ice 712
Timtronics
www.timtronics.com/
electricallyconductive.htm
表10: MK-R PAR38材料清单
表10:
用户完全承担因依赖本应用说明中的任何信息所产生的风险。Cree及其附属公司对有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或灯具(包括但不限于不侵犯Cree
或第三方的知识产权的灯或灯具)不作任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果灯具制造商根据任何Cree应用说明或参考设计进行全部或部分的产品设计,则该制
造商必须全权负责确保其产品符合所有适用的法律和行业要求。
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