文化行业标准WH/T 60—2013《LED舞台灯具通用技术条件》解读

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  【摘 要】对文化行业标准WH/T 60—2013《LED舞台灯具通用技术条件》的定义、技术要求和测试方法等内容进行
  解读。
  【关键词】 行业标准;LED舞台灯具;通用技术条件;解读
  文章编号: 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.10.001
  【Abstract】The definition,technical requirements and test methods were interpretated for the culture industry standard
  WH/T 60-2013 "General Specification for LED Luminaries of Stage" in this paper.
  【Key Words】industry standard; LED stage light; general technical conditions; interpretation
  1 引言
  LED作为照明光源是本世纪初开始的,LED光源用于舞台稍晚了一些,但是发展迅速,目前已经在演艺领域广泛应用。为了规范和促进LED舞台灯具的健康发展,制定了文化行业标准WH/T 60—2013《LED舞台灯具通用技术条件》(以下简称“本标准”),经文化部批准,已于2014年3月1日起正式实施。之前,文化部已经制定了一系列有关舞台灯具的文化行业标准,如:WH/T 26—2007《舞台灯具光度测试与标注》、WH/T 31—2008《舞台灯光设计常用术语》、WH/T 41—2011《舞台灯具通用技术条件》等,WH/T 60—2013是在这些标准的基础上制定的,因此它在很多方面继承了上述标准的一些内容,在与LED光源相关的一些内容上做出了一些新的必要的规定。
  由于作为新型光源的LED技术还处于发展过程中,LED舞台灯具的各项技术指标在不断更新,本标准只是现阶段为规范近期市场LED灯具提供的一个必要参照文本,也必然会依据技术发展不断修正完善。
  2 WH/T 60—2013 《LED舞台灯具通用技术条件》解读分析
  2.1 范围
  本标准虽然是针对目前舞台演出常用的LED灯具制定的,由于许多舞台灯具是与电影、电视及摄影场所通用的,所以本标准也可作为此类应用中LED灯具的参考。
  2.2 定义
  2.2.1 初始有效光通量
  由于LED光源的特点,产品初期的发光性能可能有较大的波动。为了尽可能避免这一波动对灯具各项参数测试的影响,本标准规定了灯具初始光通量的测试以新灯具老化100小时后的测量值为准。
  有效光通量在WH/T 26—2007《舞台灯具光度测试与标注》2.5中定义:光斑中照度值不小于最高照度值10%的范围为有效光斑,而2.11定义有效光斑范围内的总光通量为有效光通量。
  因为在舞台演出中,灯具照明的范围是需要可控的,为保证演出要求的照明效果,将需要观众看到的区域照亮,将不希望观众看到的部分尽可能隐藏在黑暗中。有效光斑外的光通量在舞台演出中通常称为杂散光,其范围要小些才好,故不能将此计入有效光通量。早期的多镜头LED灯具就因为杂散光范围太大,一台灯具无法遮掩的杂散光会将整个舞台暗区照亮而遭诟病。
  2.2.2 初始发光效能
  与灯具在其他应用领域不同的是,本标准范围内的灯具光输出以“有效光通量”计算,输入取实测的输入电功率。初始发光效能是两者的比值,是判断LED舞台灯具是否节能的重要标准。
  2.2.3 灯具寿命
  LED灯具是光源和供电电路一体的结构。由于散热和光学上的要求,LED光源与散热系统固定结合,目前光源和电路元件的替换维修都是用户难以完成的。因此,灯具寿命要考虑光源发光效率随时间的衰减和灯具内部元器件的故障两个因素。
  本标准中对于光通维持寿命定义为有效光通量下降至初始值70%时的时间。
  由于LED光源功率较小,LED舞台灯具内部往往装有多个光源,故灯具失效定义为除了全灯不亮外,还增加了部分LED器件失效的情况。
  2.2.4 光通维持率
  LED灯具光源寿命很长,寿命结束不会立即失效,而是慢慢变暗。故光通维持率是定义灯具寿命的一个重要指标。
  2.2.5 LED基板温度
  LED是由半导体材料制成,它的多项性能指标与其内部PN结的工作温度相关。温度过高会缩短LED光源寿命,它的发光效率也会随温度升高而降低。PN结在光源内部,它的温度难以准确测出。而LED管一旦制成,PN结内部温度与外壳温度是相关的,故一般可以用LED外壳温度推测其内部PN结温度。大功率LED管生产厂家会在外壳散热板或模组基板上标记指定的测试点,并提供该测试点温度对应的光源特性参数。该测试点的温度称为基板温度,是对LED灯具测试、评估的重要依据。
  2.3 产品分类
  LED的一个特点是单体功率很小,故一个LED舞台灯具都会用到多个LED光源,或将多个LED管芯集成封装在一个散热基板上的模组;另一个特点是LED有白光和各种彩色光的光源。所以,灯具分类与以前的常规灯具有所不同,如按光源颜色分类、按光源数量分类,还有按出光镜头数量分类的。早期的LED舞台灯具大多是多出光镜头灯具,这也是LED舞台灯具的一个特色。近年来,使用多LED芯片集成的光源模组或多个LED光源在灯具内部混光的单出光镜头灯具陆续开发出来,表现出了很好的舞台光束控制能力。
  2.4 技术要求和测试方法
  2.4.1 安全要求
  作为舞台灯具,安全要求必须符合国家强制性标准GB 7000.217。但是,原先高温下工作的玻璃泡光源改为不会爆炸碎裂的LED光源,原先更换灯泡、防爆、防碎片散落的一些要求在LED灯具中不会发生,也不再适用。   2.4.2 电气性能
  2.4.2.1 灯具功率
  LED舞台灯具往往在一台灯具中有多个颜色光的LED光源,根据需要的色彩,调整各自亮度比例发光混出所要色彩的光线,各种色彩和亮度情况下,灯具消耗功率都不相同。为了统一,本标准规定,在额定电压和额定频率下,各颜色通道的LED光源都开到最大时灯具消耗的电功率为最大功率,其与灯具标称的额定功率偏差不得大于额定功率的10%。
  2.4.2.2 功率因数
  LED舞台灯具可调光和调色,在不同功率下的功率因数是不同的。本标准要求在最大功率下测试功率因数。要求额定功率80 W及以上的灯具,功率因数应大于0.9。考虑到80 W以下的娱乐灯具并非舞台常用灯具,本标准未对这类灯具的这一指标给予限定。
  2.4.4.3 调光性能
  调光过程应无闪烁或跳跃,是舞台灯具的基本要求。在测试部分要求在30 s时间完成0~100%调光,之所以取30 s这样较长的调光时间,是由于快速调光过程,难以检测出闪烁和跳跃的现象。
  最低一级照度宜不大于最高照度的0.01%,并在说明书上标出。因目前较多的LED舞台灯具普遍存在最低一级调光等级时LED灯具发光亮度过高的问题,这一条特意做此规定。
  卤钨灯泡舞台灯具的供电电压降低,发光效率大大降低,在调光起步状态电压很低,慢慢变亮,观众不会感觉到起光的过程,符合舞台演出要求渐明渐暗的效果。而LED光源在低电流供电状态下发光效率基本不变,LED灯具在调光起步阶段,发光与调光等级基本成正比。如果以8位二进制计,最低一级发光为最高一级的二百五十六分之一(1/256),如果最高一级在舞台上照度为2 000 lx,最低一级大约是8 lx左右,将是昏暗路灯下的效果了。舞台自黑暗状态慢慢变亮,在使用卤钨灯泡时没有问题,而在使用LED光源时成为突然变亮,原来要求的渐亮的效果就没有了。
  根据二次方调光曲线的要求,规定最低一级万分之一(0.01%)的标准,这是根据舞台灯光的要求,在技术上有一定难度,但是从目前的市场调研看,只要厂家重视,改进技术还是能够做到的。这也是专业舞台灯具与一般用途灯具的区别之一。
  这样的要求在测试中会遇到一点问题,往往在常规的离灯具几米外的测光点照度计能测到最高照度值,但是未到最小值,照度计已经没有读数了。由于该项测试只是要求相对值,所以,可以适当缩短测试距离,在一个高低两端都能在照度计上显示读数的合适固定位置测试此项性能要求。
  2.4.4.4 电磁兼容
  由于LED舞台灯具在演出中会被大批量使用,其内部的开关电源和驱动电路产生无线电干扰和谐波,将对环境产生电磁污染。一般LED舞台灯具厂商都是外购开关电源,低价的电源往往在这个指标上不达标。笔者在日常检查中,也发现这方面的问题较多。国家对电磁兼容有强制性标准要求,本标准在此只是引用,望引起厂商和用户的重视。
  2.4.4.5 噪声
  为减少LED灯具中散热器的体积和重量,大功率LED舞台灯具往往采用风扇强制散热;灯具调焦、运动也需要驱动电机,这些都会产生噪声,虽然小功率LED灯具没有散热风扇,噪声极小,但是运动类LED灯具类似电脑灯,本标准LED舞台灯具的噪声指标参照WH/T 41相关条款。
  2.4.4.6 光度参数
  LED舞台灯具在光度参数方面要符合WH/T 26的相关要求,但是由于LED光源的特殊性,在测试时要先老化和开灯点燃后稳定30分钟。LED灯具的光输出除了前述初期波动的特点,开灯后光源发热有个温度升高的过程,随光源温度升高光输出不断下降,稳定后测试更加客观和接近使用实际。
  2.4.4.7 初始发光效能
  初始发光效能是LED灯具是否节能的一个重要指标。本标准在制定过程中,对国内若干主要LED灯具生产厂商进行调研和测试,参照国内LED舞台灯具现状,针对不同类型灯具规定了初始发光效能的最低要求。
  本标准针对不同类型的LED舞台灯具规定了不同的初始发光效能指标。白光LED灯具发光效能高于彩色光LED灯具;另外,舞台灯具聚光性能越强,光的利用率越低。这些都是依据LED光源和各类舞台灯具的一般规律。灯体运动类灯具由于增加了驱动电机的耗能,参照了能效最低一档。这些指标的确定,还考虑了目前采用气体放电光源的同类灯具的一般发光效能,作为新光源的LED灯具发光效能不能低于传统光源同类灯具,否则就失去了使用新光源的意义。
  因此,本标准规定的LED舞台灯具初始发光效能的指标,比采用卤钨光源同类灯具的发光效能要高得多,与目前采用气体放电光源的同类灯具相近或稍高。
  2.4.4.8 照度均匀性要求
  灯具的照度均匀性在WH/T 26-2007的5.5条曾经用有效光斑内平均照度与最高照度的百分比数字作为指标。通过几年实践发现,一些舞台灯具的均匀性指标很高,它们射出的光斑是一个明暗反差虽然不大、却不可接受的花斑,舞台要求的均匀性难以用数字评价,本标准继承了WH/T 41-2011的5.2.2条用“不应出现明显的明暗差异”代替了数字的指标,只用目视检验。
  2.4.4.9 光通维持寿命要求
  LED光源的特点之一是超长的光通维持寿命,该指标主要由LED在工作状态下PN结的温度决定,可达20 000 h~30 000 h。考虑到一般舞台灯具每天只用几个小时,一般使用五、六年也不会超过10 000 h,五六年后灯具也该换代淘汰了。本标准规定该指标不小于10 000 h。
  该指标的测试是一个难题。一个舞台灯具连续点燃一万或几万小时,测试环境、仪器等各种条件都会发生变化,难以维持不变。因此,国际上一般是用各种办法缩短测试时间,而后按一定的规则进行推算。本标准参考IES TM-21-11,考虑到LED长期点燃后其输出光通Φ (t)按指数规律衰减:   Φ (t) = Φ0 exp(-αt)
  式中Φ0 为初始光通量,-α为衰减因子。
  国际上,LED光源厂应提供按IES LM-80-08测试和按IES TM-21-11推测的在55 ℃和85 ℃温度下LED流明维持寿命数据。灯具厂将LED光源装到灯具中,然后正常点燃工作,只要测试LED管上的规定测试点温度,即可根据光源厂提供的相关数据,并参照IES TM-21推算灯具的流明维持寿命。对于内部使用多个LED光源的灯具,应当测试灯具中温度最高的一个LED管的温度,以保证整个灯具的流明维持指标。
  考虑到有些光源厂不能提供上述流明维持寿命数据,灯具生产厂就必须自己或委托第三方做测试。本标准规定:标称寿命为10 000 h或15 000 h的灯具必须做3 000 h的连续点燃测试;标称寿命为25 000 h和35 000 h的必须做6 000 h的连续点燃测试。本标准根据上述衰减公式给出了相应应达到的判测数据。
  2.4.4.10 光色特性
  色彩可变、色温可调是LED舞台灯具的主要特点,各个LED灯具厂家可能采用不同的LED光源,但是必须保证自身LED灯具稳定一致的色彩特性,便于用户参考选用。因此,本标准要求厂家在说明书中应注明灯具采用彩色LED光源时各个色彩LED管的光色和数量,各彩色光源的主波长;白色LED光源应注明相关色温值。
  对于白色光源LED灯具的色温偏离值,本标准仅对常用的低色温3 050 K和高色温5 600 K的灯具做出规定。
  白色光源LED灯具还规定了显色指数的要求。
  2.4.4.11 调光脉冲频率
  调光脉冲频率主要考虑LED灯具发光对摄像机的影响,频率过低会在摄录的画面中出现干涉条纹和杂波。但是频率高了,调光脉冲宽度变窄,调光低端较难稳定。厂家采用各种技术平衡两者关系,达到用户要求,当然,这会增加产品成本。有一些LED灯具不适合摄录要求,但能满足一般舞台演出需要。故要求对于可用于电视拍摄场所的LED灯具应在说明书中注明调光脉冲频率,以便用户选用。
  2.4.4.12 光输出稳定性要求
  LED灯具对温度影响比较敏感,为保护灯具安全,灯具内部除了常规的散热系统外,往往还设置温度保护电路。温度保护电路保证在灯具内部温度过高时减小LED的驱动电流,降低灯具功率,甚至切断供电,以保护光源的安全。
  目前,许多生产LED舞台灯具的厂家往往还同时生产建筑或室外照明的灯具。在那些场合,灵敏的温度保护措施也许是可以的。但是,对于舞台灯具,必须通过灯具内部的散热措施,在正常的工作温度范围,保证灯具光输出的稳定。目前,一些厂家为了降低成本,灯具散热系统设计不够,环境温度稍高,灯具内部温度保护电路启动,灯具功率下降,光输出减少。这样固然保护了灯具,但是降低功率,在正常演出中灯光变暗,会影响舞台演出效果,甚至导致演出事故。
  为了限制上述情况,本标准规定了LED舞台灯具光输出稳定性的要求。希望厂家在设计灯具时,考虑到最高环境温度下LED的工作温度,来设计内部的散热系统,保证足够的热量散发,此时不用保护电路启动,也能正常工作,发光稳定。
  2.4.4.13 说明书中技术参数要求
  基于LED光源的特点,本标准对于产品说明书中标出的技术参数除了要求有常规的额定电压、额定电流、额定功率、功率因数外,还增加了发光效能、有效光通量,以及白光LED灯具的色温和显色指数、彩色LED光源的色彩及数量、光通维持寿命、调光脉冲频率等参数。其中,发光效能、有效光通量、光通维持寿命等,都是关系到LED灯具节能和环保性能而新增的重要指标。
  3 结束语
  LED光源发展迅速,LED光源产品的光效指标不断被更新,作为国家重点鼓励的战略性新兴产业,绿色节能的LED光源和灯具近年不断有新的产品和更新的能效指标值出现。一项标准的制定,只能反映当时的产品水平和现状,我们在制定这个标准时尽量考虑到了这一点,但是像LED这样的产品,技术进步很快,估计几年后有些指标就会落后,这既是个可喜的现象,又显示相关标准不能像其他工业产品的标准可以有相当长的稳定期,而需要及时修订以跟上技术进步的步伐。目前,制造和使用的LED舞台灯具,达到本标准要求的能效、寿命等一系列标准,仍是必要的最低要求。
  (编辑 张冠华)
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