GU10和MR参考设计

Cree® XLamp® MH-B LED
MR16和GU10参考设计
目录
引言
引言 ................................................................... 1
1
设计方法/目标 ..................................................... 1
XLamp® MB-H LED作为35瓦卤素等效MR16和GU10替换灯
设计方法/目标 ..................................................... 2
的光源以用作室内聚光灯的可行性。
六步骤法.............................................................. 2
MH-B LED专门针对MR16和GU10等定向灯进行了优化,具有
1. 确定照明要求................................................... 2
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.................. 4
4. 计算所需的LED数量 .......................................... 5
CLD-AP195 修订版本0
应用说明
本设计以Cree之前的MR16替换灯参考设计为指导,论证了将
宽广的色温范围以及2阶、4阶和5阶分档,使照明设备制造商得
以使用几乎全部相同的组件制作基于MH-B的MR16和GU10灯
产品系列。
5. 考虑所有设计方案 ............................................. 5
6. 完成最后步骤:实施和分析 .................................. 5
结语 ..................................................................11
材料清单.............................................................11
WWW.CREE.COM/XLAMP
1
Cree
Cree
Cree
Cree
Cree
Cree
Cree
XLamp MT-G LED MR16参考设计
XLamp XM-L EasyWhite® LED MR16参考设计
XLamp XP-E LED MR16参考设计
XLamp XB-D LED MR16参考设计
XLamp MK-R LED MR16参考设计
XLamp XQ-D LED MR16参考设计
Xlamp高CRI MR16参考设计
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XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
设计方法/目标
在“LED灯具设计指南”中,Cree提出了一个用于制作LED灯具和灯泡的六步骤框架。所有Cree参考设计均采用该框架,下表对该设计
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。
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正确估算各个系统的效率。
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于LED照明。
6. 完成最后步骤
•
•
•
•
•
完成电路板布局。
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: Cree六步骤框架
六步骤法
本设计的目标是制作基于LED、展现XLamp MH-B LED性能并满足能源之星(ENERGY STAR®)对35瓦卤素灯的光输出要求的MR16和
GU10改型灯。
1. 确定照明要求
表2列出了MR16和GU10灯参考设计需要考虑的特性,并按重要性排序。
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(°)
照度分布
英尺烛光(fc)/勒克斯(lx)
功率
瓦(W)
光通量
流明(lm)
光效
流明每瓦(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
可制造性
表2: 针对MR16灯分级排列的设计准则
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2
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
表3总结了能源之星对灯提出的相应要求。2
特性
能源之星要求
每种灯型号的报告值均应满足下表中相应的要求。此外,至少有八支灯满足这些要求。
光效
灯额定功率(瓦)
灯最低光效(初始lm/W)
<20
40
≥20
50
定向
高温光输出比:
在“流明维持率”要求部分所要求的相同高温条件下测试时,灯的光输出应保持等于或大于在环境温度(25°C ± 5°C)下实测的初始光输出
(总光通量)的90%。
高温光输出比应通过直接测量(未舍入的)值计算得出。
中心光束强度:ANSI标准
PAR、MR和MRX形状灯
灯中心光束强度应大于或等于使用能源之星®灯中心光束强度基准工具计算得出的参照用白炽灯的中心光束强度值。(www.energystar.
gov/LampsCBCP)
CCT
报告的灯型号的光色温应与以下标称相关色温(CCT)之一相关。此外,10支灯中应至少有9支落于7阶麦克亚当椭圆内,或者根据参照用
ANSI文档,落于指定CCT相应的ANSI四边形内:
• 2700 K
• 3000 K
• 3500 K
• 4000/4100 K
• 5000 K
• 6500 K
CRI
灯的显色指数(Ra)应 ≥ 80且R9 > 0。测试灯的平均值应满足要求,且Ra < 77的灯数量不应超过3个。Ra < 75的灯具数量应为零。
色彩维持率
灯在前6000小时运行期间任何测量点的色度相对于0小时测量值的色度变化总距离均应位于CIE 1976 u’v’图中的0.007以内。应至少有九
支灯满足要求。
色彩角均匀度
在灯光束角区域内的色度变化与CIE 1976 (u’v’)图中加权平均点的总偏差距离应在0.006以内。
额定寿命
装饰灯额定寿命应 ≥ 15,000小时。所有其他灯的额定寿命应 ≥ 25,000小时。
达到3,000小时时,所有测试灯均应可正常工作。
达到6,000小时时,应有90%或以上的测试灯可正常工作。
电气安全
灯应符合ANSI/UL 1993-2012和ANSI/UL 8750-2009(如适用)标准
功率因数:(豁免:功率低于或
等于5瓦的灯)
每种灯型号的功率因数报告值均应 ≥ 0.7。
频率
灯的光输出频率应 ≥ 120Hz。
启动时间
所报告的保持持续点亮时间值应在通电后的1秒钟内。
瞬态保护:所有线电压灯
(豁免:低电压灯)
灯应能够承受打7次2.5 kV/100 kHz振铃波的试验。
所有灯在测试结束后均应可完全正常工作。
减少灯的有毒物质含量
每个额定功率 ≤ 23.0瓦的灯其汞含量均应 ≤ 2.5毫克
每个额定功率 > 23.0瓦的灯其汞含量均应 ≤ 3.0毫克
灯如含有以下物质,其含量应受到限制,均质物质中所允许的最高含量值(按重量计算)为:
• 铅:0.1%
• 镉:0.01%
• 六价铬:0.1%
• 多溴联苯(PBB):0.1%
• 多溴联苯醚(PBDE):0.1%
豁免:
1. 铅重量比高达4%的铜合金
2. 高温熔化型焊料中的铅(即铅重量比等于或高于85%的铅基合金)
3. 电容器中玻璃或陶瓷(非介电陶瓷)含铅的电气电子元件(如压电元件),或者玻璃或陶瓷基复合材料中含铅的电气电子元件
4. 电容器中介电陶瓷中的铅
5. 用于光学应用的白色玻璃中的铅
6. 集成电路倒装芯片封装中半导体芯片与载体之间形成可靠电气连接所用焊料中的铅
7. 阴极射线管、电子组件以及荧光管的玻璃中的铅
8. 电触点中的镉及镉化合物
9. 用于固态照明或显示系统中的彩色转换II-IV族LED(每平方毫米发光区域的镉含量小于10微克)内所含的镉
灯外形尺寸:(豁免:非标准
灯)定向ANSI标准灯
灯的最小总长度(min OAL)、最大总长度(MOL)和最大灯直径(如有这些值)均应符合ANSI之相关要求。
最低启动/工作温度
灯具包装应注明最低启动或工作环境温度,并应注明可靠启动所需的任何其他条件。
表3: 能源之星对灯的要求
2
能源之星®计划要求,灯(灯泡)的产品规格,资格标准,版本1.1
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3
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
2. 确定设计目标
本项目的目标是使用XLamp MH-B LED制作光束角为25°的35瓦卤素等效MR16和GU10灯。我们使用能源之星中心光束强度基准工具
来确定此类灯需要提供的中心光束光强(CBCP)。表4列出了本项目的设计目标。
特性
单位
预定目标
光输出
lm
400
中心光束光强(CBCP)—光束角为25°
cd
1601
光效
lm/W
80
功率
W
5
CCT
K
3000
100点尺度
显色指数(CRI)
80
0.5
功率因数
表4: 设计目标
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
在其120 mA分档电流下,MH-B LED提供可满足设计目标的流明输出,我们使用此电流值作为此设计的驱动电流。
散热要求
作为Cree的MR16参考设计的一贯要求,散热片不仅要能够消散必要的热量,还要充当其他灯组件的机械外壳。我们选择由铝合金
AL1060制成的市售散热片,该散热片与灯的紧凑结构很匹配。散热片套件包括散热片以及一个光学元件卡扣和一个塑料底座。
驱动电源
这些灯的驱动电源位于灯座内部。我们使用可安装到灯座中的现有恒流驱动电源,如图1所示。MR16驱动电源的输入电压范围为
8-14 V;GU10驱动电源的输入电压范围为180-240 V。
图1: 左侧和中间:MR16驱动电源;右侧:GU10驱动电源
二次光学元件
每个灯均采用现有全内反射(TIR)光学元件(如图2所示)。
图2: MR16和GU10光学元件
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4
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
4. 计算所需的LED数量
依托XLamp MH-B LED卓越的性能,只需使用单个LED作为MR16和GU10灯的光源,即可满足能源之星对35瓦卤素灯的光输出要求。
5. 考虑所有设计方案
本参考设计中使用的XLamp MH-B LED具有宽广的色温范围。如表5中高亮部分所示,我们为此MR16和GU10灯设计选择了暖白光LED。
基本订购代码
最小光通量
(120 mA时)
CRI
CCT范围
最小值
2阶分档LED订购代码
组
通量(lm)
(85 °C时)
通量(lm)
(25 °C时)
C2
440
498
色度区域
80
30H
C4
475
538
A2
330
374
3000 K
90
30H
A4
355
402
4阶分档LED订购代码
色度区域
MHBAWT-0000000N0HC230H
MHBAWT-0000000N0HC430H
MHBAWT-0000000N0UA230H
MHBAWT-0000000N0UA430H
30F
30F
5阶分档LED订购代码
色度区域
MHBAWT-0000000N0HC230F
MHBAWT-0000000N0HC430F
MHBAWT-0000000N0UA230F
MHBAWT-0000000N0UA430F
30E
30E
MHBAWT-0000000N0HC230E
MHBAWT-0000000N0HC430E
MHBAWT-0000000N0UA230E
MHBAWT-0000000N0UA430E
表5: MH-B LED订购代码
6. 完成最后步骤:实施和分析
通过上述方法,我们确定了组件和驱动条件的适当组合,以满足设计目标。本节介绍了Cree如何组装MR16和GU10灯,并展示了设计结果。
原型制作详细信息
1.
验证组件尺寸,以确保正确的匹配。
2.
遵循MH-B焊接和处理应用说明3中的建议,我们使用相应的焊膏,根据回流温度曲线,将LED回流焊接到星形电路板上,并用异丙
醇(IPA)清除焊剂残留物。
3.
将LED线焊接到星形电路板上。
4.
使用散热胶带将星形电路板粘合到散热片上。
5.
将LED输入线穿过散热片并焊接到驱动电源上。
6.
将驱动电源插入塑料底座中,并用室温硫化(Room Temperature Vulcanizing,RTV)硅胶将底座安装在散热片上。
7.
将光学元件安装到光学元件卡扣上。
8.
将光学元件卡扣和光学元件在散热片中卡入到位。
9.
进行最终测试。
3
Cree XLamp MH-B LED焊接和处理应用说明
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5
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
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67.8 °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 = 67.8 °C + (4.3 W * 5.5 °C/W)
TJ = 91.5 °C
光学结果和电气结果
Cree对MR16和GU10灯的测试结果如表6所示。4 如该表所示,所有灯都超过了其CBCP和光输出目标,而能耗大约只有35瓦MR16卤素
灯的15%。由于节省了能耗,成本相应地降低,使得这几款MR16和GU10灯比其相应的卤素灯更加经济。
特性
结果
单位
MR16
GU10
光输出
lm
432.2
438.7
CBCP
cd
2286
2313
度
21.3
21.2
光效
lm/W
78.6
86.0
功率
W
5.5
5.1
CCT
K
3079
3148
CRI
100点尺度
光束角
功率因数
相对于35瓦卤素灯预计年耗电成本节约额(每天3小时,每千瓦时0.11美元)
美元
82
81
0.76
0.7
3.55美元
3.60美元
表6: MH-B MR16和GU10灯稳态测试结果
我们测试了GU10灯的光强分布。图3显示此灯的光强分布均匀。图4也显示了MH-B GU10灯光强分布均匀这一特点。该图像是MH-B GU10
灯在白色墙壁上的光发射图样。安装时,灯朝向墙壁并与墙壁垂直。
图3: MH-B GU10灯的光强角分布(光束角为21.2°时)
4
图4: MH-B GU10光发射图样
MR16和GU10灯的IES文件可访问Cree网站查阅。
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6
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
表7和表8显示了MH-B MR16和GU10灯在距离光源不同位置时的照度。
高度
中心光束强度
光束宽度
0.5 m
1.6 ft
838.1 fc
9,021.2 lx
0.2 m
0.7 ft
1.0 m
3.3 ft
209.5 fc
2,255.0 lx
0.4 m
1.3 ft
1.5 m
4.9 ft
93.1 fc
1,002.1 lx
0.6 m
2.0 ft
2.0 m
6.6 ft
52.4 fc
564.0 lx
0.7 m
2.3 ft
2.5 m
8.2 ft
33.5 fc
360.6 lx
0.9 m
3.0 ft
3.0 m
9.8 ft
23.3 fc
250.8 lx
1.1 m
3.6 ft
表7: MH-B MR16照度–21.3°光束角
高度
中心光束强度
光束宽度
0.5 m
1.6 ft
709.9 fc
7,641.3 lx
0.2 m
0.7 ft
1.0 m
3.3 ft
177.5 fc
1,910.6 lx
0.4 m
1.3 ft
1.5 m
4.9 ft
78.9 fc
849.3 lx
0.6 m
2.0 ft
2.0 m
6.6 ft
44.4 fc
477.9 lx
0.7 m
2.3 ft
2.5 m
8.2 ft
28.4 fc
305.7 lx
0.9 m
3.0 ft
3.0 m
9.8 ft
19.7 fc
212.0 lx
1.1 m
3.6 ft
表8: MH-B GU10照度–21.2°光束角
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7
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
为证明只用一个XLamp MH-B LED的可行性范围,我们还制作了很多仅更换光学元件的其他版本GU10灯。表9显示了这些灯的测试结
果,并证明照明设备制造商可以提供结构上仅有一个元件不同的35瓦卤素等效MR16或GU10灯系列产品。
光学元件
光束角
(°)
能源之星MR16线 中心光束光强
电压灯要求
(CBCP)
(cd)
(cd)
光输出(lm)
功率
(W)
光效
(lm/W)
Nata 1298-E
16.4
1060
2644
407.5
5.2
78.9
LedLink LL01EDAK25L06
17.3
987
2077
434.9
5.2
84.3
LedLink LL01XPDG20L06-M2
22.9
669
1629
439.2
5.2
85.1
Nata 1293-E
31.6
420
999.1
409.3
5.2
79.3
LedLink LL01CRWI40L02-M2
47.2
266
566.2
433.7
5.2
84.0
表9: 其他MH-B GU10灯的稳态测试结果
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灯或灯具(包括但不限于不侵犯
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8
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
表10显示了其他GU10灯的光强角分布和光发射图样。
光学元件
光强分布
光发射图样
Nata 1298-E
LedLink LL01EDAK25L06
LedLink LL01XPDG20L06-M2
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9
XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
光学元件
光强分布
光发射图样
Nata 1293-E
LedLink LL01CRWI40L02-M2
表10: 其他MH-B GU10灯的光强分布和光发射图样
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XLAMP ® MH-B LED MR16和GU10参考设计
结语
本参考设计论证了使用单个XLamp MH-B LED作为光源很容易制作满足能源之星要求的35瓦卤素等效MR16和GU10灯。正是有赖于MH-B
LED卓越的性能,具有各种色温和光束角的MR16和GU10灯系列产品才得以实现。Cree XLamp MH-B LED性能卓越,是用作基于LED的
MR16和GU10灯的基础元件的重要候选方案。
材料清单
组件
驱动电源
公司
订购代码/
型号
网址
深圳市沃能达科技有限公司
MR16
www.sz-wnd.com
深圳市赛广强电子科技有限公司
Xiamen Fang
GU10
sgqsz.cn.gongchang.com
散热片/外壳、光学元
件卡扣、灯座
惠州大新精密部品有限公司
GU10/MR16
www.hztaisun.com
LED
Cree, Inc.
MHBAWT-0000-000N0HC230F
MH-B产品页面
雷笛克光学股份有限公司
LL01XP-DG30L06-M2
LL01ED-AK25L06
LL01XP-DG20L06-M2
LL01CR-WI40L02-M2
www.ledlink-optics.com/ProductsHomeLED.aspx
日大照明有限公司
1298-E
1293-E
www.nata.cn/miniCatalog.php?level1=CA_0000009&level2=
CA_00019
道康宁公司
SE 9185白色
www4.dowcorning.com/DataFiles/090007c8802d7bdc.pdf
星形电路板
高柏科技有限公司
LP0001-01
www.tglobaltechnology.com/die-cut-datasheet/LP0001-01Li2000A-02.pdf
散热胶带
高柏科技有限公司
Li-2000
www.tglobaltechnology.com/thermal-management-products/
li-2000a-thermal-tape.php/
光学元件
RTV硅胶
表11: MH-B MR16和GU10灯的材料清单
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