6英寸筒灯参考设计

Cree® XLamp® XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
目录
前言
前言................................................................... 1
本应用说明详细介绍了基于Cree XLamp XM-L LED的6英寸筒
设计方法/目标..................................................... 2
灯的设计,该灯是针对超高流明应用(如室内商用灯、高棚灯和
六步骤法.............................................................. 2
路灯)而优化的单晶粒、高光通量组件。XM-L可提供业内领先
1. 确定照明要求................................................... 2
的性能和可靠性。
CLD-AP93 rev 0A
应用说明
www. cree.com/Xlamp
2. 确定设计目标................................................... 5
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率.................. 5
6英寸筒灯是用于室内外家用和商用应用(如天花底和吊顶)的
4. 计算所需的LED数量.......................................... 8
行业标准产品,因为这些应用需要宽光束型式。虽然典型光输出
5. 考虑所有设计方案............................................. 8
范围是500到2000流明,但高天花板应用需要更高的光输出水
6. 完成最后步骤................................................... 9
平。XLamp XM-L LED的高光通量和高光效使其成为此类6英寸
结语................................................................. 15
筒灯的极佳组件选择。
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及其附属公司不作出有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或光源(包括但不限于不
侵犯Cree或第三方的知识产权的灯或光源)的任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果光源制造商根据任何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。
版权所有 © 2010 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改,恕不另行通知。Cree、Cree徽标及XLamp均为Cree, Inc.的
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注册商标。
品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据表。如需了解保修信息,[email protected]、产品和公司名称均为其各自
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Cree, Inc.
4600 Silicon Drive
Durham, NC 27703
美国电话:+1.919.313.5300
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
设计方法/目标
在“LED光源设计指南”1中,Cree提出了一个用于制作LED光源的六步骤框架。所有Cree参考设计均采用该框架,并在下面的表格中对
设计指南的内容作一简要回顾。
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。
•
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,可推算出光源所需的LED数量。
3.
估算光学系统、热系统和电气系统的效率
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光源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。
•
通过制作光源原型,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光源设计。
•
记录观察结果和改进想法。
表1:Cree六步骤框架
六步骤法
本设计的目标是制作一款基于LED的筒灯,以体现XLamp XM-L LED的性能。
1.
确定照明要求
表2列出了筒灯参考设计需要考虑的特性,并按重要性顺序排列。
重要性
关键
特性
单位
光通量(稳态)
流明 (lm)
光效
流明每瓦 (lm/W)
照度分布
色彩均匀性
形态
1
LED光源设计指南,应用说明AP15,www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide
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2
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
重要性
重要
特性
单位
价格
$
寿命
小时
工作温度
°C
工作湿度
%相对湿度
相关色温 (CCT)
K
显色指数 (CRI)
100点尺度
可制造性
安装容易度
表2:针对LED筒灯分级排列的一些设计准则
表3和表4总结了针对光源的能源之星要求。2
能源之星要求
光源类型
筒灯
•
•
•
•
光源光效(初始)
42 lm/W
光源最小光
输出(初始)
≤ 4.5”孔径:345流明
嵌入灯
吸顶灯
吊灯
SSL筒灯改型
> 4.5”孔径:575流明
光源区域流明
密度要求
光源必须在0-60°区域内达到初始总流明
的至少75%(轴向最低点对称)
表3:能源之星光效、光输出和区域流明密度要求
特性
要求
光源寿命要求:所有光源
LED封装/LED模块/LED阵列(包括被纳入LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯中的LED封装/模块/阵列)必须达到以下
L70流明维持率寿命值要求(参见下节中的流明维持率要求):
•
•
•
家用级室内光源25,000小时
家用级室外光源35,000小时
商用级光源35,000小时
超出上述要求的流明维持率寿命预测声明必须通过TM-21流明维持率寿命预测报告加以证明。
2
能源之星®计划要求,光源(灯具)的产品规格,资格标准,版本1.1,www.energystar.gov/ia/partners/prod_development/new_specs/
downloads/luminaires/Final_Luminaires_®Program_Requirements.pdf
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3
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
特性
要求
流明维持率要求:定向和非定向光源
LED封装/模块/阵列(包括被纳入LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯中的LED封装/模块/阵列)必须达到以下要求
•
•
•
L70(6k)额定流明维持率寿命值,在原位:
家用室内L70(6k) ≥ 25,000小时
家用室外或商用L70(6k) ≥ 35,000小时
上述要求的符合情况必须通过TM-21流明维持率寿命预测报告加以记录(详见TM-21第7节)。该报告必须根据所采用LED封装/模
块/阵列型号(简称“设备”)的LM-80测试报告中的数据、各个设备所使用的正向驱动电流以及光源中最热LED的原地TMPLED温
度来制作。除LM-80报告要求之外,还必须报告以下信息:
•
•
•
•
•
•
抽样方法和样本大小(依照LM-80第4.3节)
各个TS与驱动电流组合的测试结果
设备描述,包括型号以及设备是否是LED封装、模块或阵列(参见“定义”部分)
ANSI目标以及样本集中各个设备的计算相关色温值
样本集中各个设备在CIE 1976色彩空间上的Δ u’v’色品位移值
详细的理由及其证明数据,以便将结果应用于其他设备(如具有其他相关色温值的LED封装)
可通过在光源壳体中开一个极小的孔(如果出于测试目的,可用合适的密封胶重新封紧该孔),来获知TMPLED,从而获知最热的
LED。
必须对所有热电偶安装和光源壳体的侵入物进行拍照。
相关色温要求:所有室内光源
光源(定向光源)或可替换LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯(非定向光源)的额定相关色温值均须为以下之一:
•
•
•
•
•
2700开尔文
3000开尔文
3500开尔文
4000开尔文
5000开尔文(仅限于商用)
光源、LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯还均须在相应的7阶色品四边形范围内(如ANSI/NEMA/ANSLG C78.377-2008
中所定义)。
显色要求所有室内光源
光源(定向光源)或可替换LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯(非定向光源)均须达到或超过Ra ≥ 80。
色彩角均匀度要求:定向固态室内
光源
在上面详述的整个区域流明密度角度内,以及该角度范围五度以外,在CIE 1976 (u’,v’) 色彩空间上的色品变化均须在加权平均点
的0.004的范围内。
色彩维持率要求:仅限于固态室内
光源
在光源工作头6,000小时中,在CIE 1976 (u’,v’) 色彩空间上的色品变化均须在0.007的范围内,如以下任一方式所证明:
•
•
•
所采用LED封装/阵列/模块型号的IES LM-80测试报告,或
0和6,000小时时LM-79报告中光源的色品数据比较,或
0和6,000小时时LM-82报告中LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯的色品数据比较。
光源启动时间要求:定向和非定向
光源
光源必须在通电后1秒钟内保持持续照亮。
光源上升时间要求:定向和非定向
光源
光源必须在通电后1分钟内达到稳定流明输出的90%。
功率因数要求:定向和非定向光源
光源总输入功率小于或等于5瓦:PF ≥ 0.5
光源总输入功率大于5瓦:
家用:PF ≥ 0.7
商用:PF ≥ 0.9
瞬变保护要求:所有光源
镇流器或驱动电源必须符合ANSI/IEEE C62.41.1-2002和ANSI/IEEE C62.41.2-2002(A类操作)的要求。线路瞬变必须包
括7次共模和差模的2.5 kV级100 kHz环形波。
工作频率要求:定向和非定向光源
频率≥120 Hz
注:此性能特性针对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。调光操作必须在所有光输出级别均达到要求。
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4
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
特性
要求
噪音要求:定向和非定向光源
光源内使用的所有镇流器和驱动电源均须达到A类噪音评级。
建议以使光源在工作时发出的声音不会超过24 BA的实测水平的方式来安装镇流器和驱动电源。
电磁和射频干扰要求:定向和非定
向光源
电源和/或驱动电源必须达到FCC要求:
•
•
A类——用于商业、工业或商务环境的电源或驱动电源(不包括用于公用或家用的设备)。
B类——用于住宅环境的电源或驱动电源(无论是否用于商业、商务或工业环境)。
表4:能源之星光源要求
2.
确定设计目标
表5列出了本项目的设计目标。
特性
光输出
功率
光源光效
单位
最低目标
预定目标
lm
3000
> 3000
W
50
< 50
lm/W
60
65
小时
50,000
50,000
相关色温 (CCT)
K
3000
3000
显色指数 (CRI)
100点尺度
80
> 80
%
90
> 90
寿命
功率因数
表5:设计目标
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”(简称“PCT”)来确定本设计的驱动电流。3
对于3000流明的目标,我们估算光效为92%,驱动电源效率为85%。我们还估算焊点温度为55 °C。
3
可访问以下网址获取PCT:pct.cree.com
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5
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
LED System Comparison Repo
System:
1
3,000
Target Lumens :
90%
Optical Efficiency:
LED 1
电流 (A)
型号
0.350
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
1.100
1.200
1.300
1.400
1.500
1.600
1.700
1.800
1.900
2.000
光通量
价格
系统总流明
3032.2
3018.7
3017.4
3069.4
3066.3
3009.8
3071.5
3106.1
3113.9
3095.4
3051.2
3211
3128
3020.6
3007.7
3238.7
3148.6
3011.2
3182.9
3349.7
3120
3257.5
3390
3077.8
LED 2
Model
Cree XLamp XM-L {CW/NW/WW}
Tsp (ºC)
T3 [220]
$
Flux
Price
-
系统LED数量
32
28
25
23
21
19
18
17
16
15
14
14
13
12
11
11
10
9
9
9
8
8
8
7
55
系统流明/瓦
86.2
85.2
84.2
83.2
82.3
81.3
80.3
79.4
78.5
77.6
76.7
75.8
74.9
74.1
72.5
70.9
69.4
67.9
66.5
65.2
63.9
62.6
61.4
60.2
(none)
Tj (ºC)
$
25
-
系统瓦数
35.17
35.42
35.82
36.87
37.27
37.03
38.24
39.13
39.69
39.91
39.8
42.37
41.75
40.77
41.51
45.7
45.39
44.34
47.86
51.41
48.86
52.03
55.21
51.1
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
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#N/A
#N/A
This document图1:所用LED数量和驱动电流的PCT视图
is provided for informational purposes only and is not a warranty or a specification. For product specifications, please see the data
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PCT表明,在1.7 A时,8个XM-L LED的光输出足以达到设计目标。
散热要求
对于本参考设计中的6 英寸筒灯,我们决定采用市售的外壳,如图2 所示。 4 此外,我们还决定使用一款市场上买得到的散热片
(如图3所示),将其安装在外壳的背面进行散热。5
4
5
型号XN-8012,旭宁塑料制品有限公司,www.hzsxn.diytrade.com
型号437,佛山新艺康科金属制品有限公司,www.fsxykk.com/EN/Default.asp
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6
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
Figure 4
图2:外壳
图3:散热片
为了验证本散热设计的效用,我们进行了热模拟。图4显示了本设计的热模拟结果。模拟焊点温度 (TSP) 被确定为51 °C。
图4:XM-L筒灯的热模拟
驱动电源
用于该6英寸筒灯的驱动电源可安装在远离筒灯的位置,对驱动电源没有尺寸限制。本参考设计不需要定制驱动电源,因此我们决定采用
一个现成的恒流驱动电源。6
图5:驱动电源
6
型号EUC-060S170ST,Inventronics公司,www.inventronics-co.com
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7
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
二次光学元件
在筒灯设计中,通常使用柔光罩来尽可能减少眩光和热点,并使光均匀分布。本筒灯设计采用柔光罩7和反光杯8,以尽可能提高光输出。
这两个光学元件都包含在外壳中。
图6:柔光罩透镜
图7:反光杯
反光杯效率约为99%,柔光罩效率约为89%,总光学效率约为90%。
4.
计算所需的LED数量
通过使用Cree的PCT,我们确定了8个XLamp XM-L LED的光输出就足以满足3000-lm的设计目标。
5.
考虑所有设计方案
基于LED的筒灯有多种设计方式。本参考设计旨在表明,少量XM-L LED即可使筒灯具有优异的性能。
XM-L LED提供了广泛的色温范围。我们为本筒灯设计选用了暖白LED,如表6中突出显示部分所示。通过选用低级别光通量分档的LED,
我们确保了用市场上随处可以买到的LED即可达到本设计的目标。
7
8
型号C3-85,Bright View Technologies公司,www.brightviewtechnologies.com
深圳市佰骏电子有限公司,www.flyingtechnology.com
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8
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
色彩
相关色温 (CCT) 范围
最小
最大
冷白
5,000 K
8,300 K
中性白
3,700 K
5,000 K
显色指数80白光
2,600 K
4,300 K
暖白
2,600 K
3,700 K
基本订货号
最小光通量 700 mA时 (lm)
订货号
组
光通量 (lm)
T5
260
XMLAWT-00-0000-0000T5051
T6
280
XMLAWT-00-0000-0000T6051
T4
240
XMLAWT-00-0000-000LT40E4
T5
260
XMLAWT-00-0000-000LT50F4
T2
200
XMLAWT-00-0000-000HT20E7
T3
220
XMLAWT-00-0000-000HT30F7
T2
200
XMLAWT-00-0000-000LT20E7
T3
220
XMLAWT-00-0000-000LT30F7
表6:XM-L订货号
6.
完成最后步骤
通过使用上述方法,我们确定了LED、组件和驱动条件的适当组合。本节描述了Cree如何组装筒灯并显示了设计结果。
原型制作详细信息
1.
我们验证组件尺寸,以确保正确的匹配。
2.
通过遵循Cree的XM-L LED焊接和处理应用说明中的建议9,利用合适的焊锡膏类型和回
流焊接温度,将LED回流焊接到金属核心印刷电路板(简称“MCPCB”)上。
3.
将输入线焊接到MCPCB上。
4.
给LED通电以测试连接并验证LED可亮起来。
5.
将一薄层散热膏涂到MCPCB的背面,并将它安装到散热片上。
9
Cree XLamp XM-L LED焊接和处理应用说明AP54,www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/
XLamp/XLamp%20Application%20Notes/XLampXM_SolderingandHandling.pdf
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9
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
6.
将一个圆形白色反光杯(带与LED匹配的开孔)安装到MCPCB上并用螺丝固定。
7.
用螺丝将外壳安装到散热片上。
8.
用螺丝将反光杯安装到外壳底部上。用双面胶将反光杯固定到外壳侧面上。
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10
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
9.
将柔光罩透镜安装到外壳上并用柔光罩装饰盖进行固定。
10.
用连接器将LED直流输入线连接到驱动电源直流输出线上。
11.
进行最后的测试。
结果
散热结果
Cree用热电偶和红外热像仪来验证电路板的温度,以确认散热片的散热性能与我们的模拟情况一
致。如图8所示,实测焊点温度为53 °C,这与模拟情况比较一致并且表明散热片可满足本设计的要
求。
基于53 °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 = 53 °C + (5.3 W * 2.5 °C/W)
TJ = 66 °C
图8:XM-L
筒灯的散
热结果
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11
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
LED估算寿命
我们使用Cree的TM-21计算器工具 (Calculator Tool) 来预测本筒灯所采用的XM-L LED的寿命。图9显示了使用TM-21预测算法计算
和报告的XM-L LED寿命(在3个焊点温度,输入电流为2-A时)。Cree的XM-L LM-80数据集的持续时间是6000小时(驱动电流为2-A
TM-21 Lifetime Report
时)。由于TM-21方法将预测限制为LM-80数据集持续时间的6倍,我们的TM-21计算结果显示L70(6k)预测寿命大于36,300小时。我
们相信,大多数驱动电源也可满足该温度/寿命要求。
LED
I
数据集
Tsp
样本尺寸
测试持续时间
α
β
计算的寿命
报告的寿命
1
45°C
25
6,048小时
1.459E-07
9.847E-01
L70(6k) = 2,340,000小时
L70(6k) > 36,300小时
XLamp XM-L白光
2000 mA
2
55°C
25
6,048小时
9.543E-07
9.887E-01
L70(6k) = 362,000小时
L70(6k) > 36,300小时
3
85°C
25
6,048小时
2.155E-06
9.834E-01
L70(6k) = 158,000小时
L70(6k) > 36,300小时
Reported L70
Calculated Lifetim
Reported Lifetime
110
105
100
95
光通量 (%)
90
85
45°C (LM-80)
80
55°C (LM-80)
85°C (LM-80)
75
45°C (TM-21)
70
55°C (TM-21)
65
85°C (TM-21)
60
55
50
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
时间(小时)
图9:XM-L TM-21数据
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版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改,恕不另行通知。Cree®、Cree徽标及XLamp®均为Cree, Inc.的注册商标。如需了解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数
据表。如需了解保修信息,[email protected]
12
XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
TM-21 Lifetime Report
图10显示利用插值法从图9中的数据得到的XM-L LED的计算寿命和报告寿命(实测TSP为53 °C时)。在报告的L70(6k)寿命大于36,300
小时的情况下,我们预计该灯可轻松达到本设计的寿命要求。
LED
I
XLamp XM-L白光
2000 mA
Ts1
Tsp
Tsp
Ea/kB
A
α
β
计算的L70
报告的L70
计算的寿命
报告的寿命
Ts2
TSI(内插)
45°C
53°C
55°C
318.15 K
326.15 K
19608.38
8.5246E+19
6.616E-07
9.867E-01
L70(6k) = 519,000小时
L70(6k) > 36,300小时
L70(6k) = 519,000小时
L70(6k) > 36,300小时
328.15 K
1.459E-07
9.847E-01
L70(6k) = 2,340,000小时
L70(6k) > 36,300小时
110
45°C (LM-80)
105
55°C (LM-80)
100
85°C (LM-80)
45°C (TM-21)
95
55°C (TM-21)
90
光通量 (%)
9.543E-07
9.887E-01
L70(6k) = 362,000小时
L70(6k) > 36,300小时
85°C (TM-21)
85
53°C (TM-21)
80
75
L70: 519,000小时
70
65
60
55
50
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
时间(小时)
图10:TSP = 53 °C时的XM-L TM-21数据
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XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
光学和电气结果
通过在2米范围内对30分钟稳定时间过后的筒灯进行测试,我们获得了表7中的结果。10如该表所示,筒灯达到3000 lm的目标,使用的功
率不到50 W。筒灯也达到能源之星的光效、功率因数、相关色温和显色指数要求。
单位
XM-L筒灯
光输出(接通30分钟)
lm
3106
功率
W
47.2
特性
lm/W
65.9
相关色温 (CCT)
K
3093
显色指数 (CRI)
100点尺度
82
%
99.2
光源光效
功率因数
表7:XM-L筒灯稳态结果
我们还测试了筒灯的光强分布。11图11显示了筒灯光束孔径角为86°时均匀的光强分布。
图11:XM-L筒灯的光强角分布
10 测试在Cree位于加利福尼亚州圣巴巴拉的工厂进行。
11 测试使用A类测角计在Cree位于中国深圳的工厂进行。筒灯的IES文件可访问以下网址查阅:
www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Reference%20Designs/
Design%20files/xml_downlight_ies.
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XLamp XM-L LED
6英寸筒灯参考设计
图12显示了XM-L筒灯在距离光源不同位置时的照度。
高度
照度
直径
1m
3.3 ft
125.4 fc
1349.8 lx
185.6 cm
6.1 ft
2m
6.6 ft
31.4 fc
337.5 lx
371.3 cm
12.2 ft
3m
9.8 ft
13.9 fc
150.0 lx
556.9 cm
18.3 ft
4m
13.1 ft
7.8 fc
84.4 lx
742.5 cm
24.4 ft
5m
16.4 ft
5.0 fc
54.0 lx
928.1 cm
30.5 ft
6m
19.7 ft
3.5 fc
37.5 lx
1113.7 cm
36.5 ft
7m
23.0 ft
2.6 fc
27.6 lx
1299.4 cm
42.6 ft
8m
26.2 ft
2.0 fc
21.1 lx
1485.0 cm
48.7 ft
9m
29.5 ft
1.6 fc
16.7 lx
1670.6 cm
54.8 ft
10 m
32.8 ft
1.3 fc
13.5 lx
1856.2 cm
60.9 ft
图12:XM-L筒灯的照度(光束孔径角为86°时)
结语
本参考设计说明了基于Cree XLamp XM-L LED的6英寸筒灯可获得的出色结果。XM-L LED的高光通量输出使得以少量LED即可获得这
些结果,降低了系统成本。XM-L
LED的定向性对筒灯来说是一种优势,因为这使更多的光被投射到待照明表面上。本设计中筒灯的组件
均是市售的,这表明无需在设计极高性能光源的过程中耗费时间和资金来定制部件。Cree XLamp XM-L LED的照明级性能使其成为基于
LED的6英寸筒灯的理想设计选择。
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及其附属公司不作出有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或光源(包括但不限于不侵犯
Cree或第三方的知识产权的灯或光源)的任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果光源制造商根据任何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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