LED舞台灯具

现状

　　自20世纪90年代蓝光、白光及高亮度LED出现以来，LED的发光效率不断提高，商品化的LED管目前已经达到50 lm/W～100 lm/W的发光效率，并且它的光效仍在不断提高，估计最终能够达到200 lm/W左右，不仅大大高于10 lm/W～30 lm/W的白炽灯（包括卤钨灯），也大大高于目前的所有光源。但是单个LED功率很小，只有1 W～5 W，光效再高也才几百流明，而舞台灯具动辄上千瓦功率、上万流明的光通量，所以，以前许多人从未想到将LED用到舞台灯具上。

　　本世纪初，蓝光LED得到普及，白光LED技术逐渐成熟，LED的光效比白炽灯成倍提高，大功率（瓦级）LED的寿命可达到几万小时，同时，它还具备开关快速、调光方便的优点，将多个LED组合以提高总光通量的新型LED舞台灯具开始出现。起初，由于技术的原因和昂贵的价格，这种灯具少人问津，近年来由于LED灯具光效的提高，聚光杯、管芯、外壳等零配件的普及，许多厂商开始组装生产。LED灯具以其鲜艳的色光、节能环保等优点吸引了人们去尝试。一些演出中使用了LED灯具，取得了较好的效果。

　　目前，LED用于白光照明的模式有两种：一种是用发蓝光的管芯中加上荧光粉，使发出的部分蓝光通过荧光粉转换为黄光，部分蓝光和黄光混合成为白光；另一种是将分别发红、绿、蓝光的三个LED管组合使用，混合后形成白光。用于电视照明的以前一种方式居多，用于舞台照明的以后一种方式为主。

特点与优势

　　LED灯具能够用于舞台照明，得益于它的几个主要特点：

　　（1）节能高效与白炽光源（包括卤钨光源）灯具相比，LED灯具节能高效的特点十分突出，我们可以通过两种灯具结构的比较来观察这一点。

　　a.白炽灯具的光效。目前常用的白炽灯聚光灯具中，作为光源的白炽灯泡体积较大，常采用反光镜和聚光透镜结构。其中一种为球面反光镜，灯丝位于球面反光镜球心，球面将射向灯具后方的光线反射回灯丝一起向前，由于灯丝位于前部聚光透镜焦点附近，灯丝发出的光线将由聚光透镜会聚成一束接近平行的光束，如图1所示。该光路只能利用灯泡发出的一部分光线，加上反光镜和透镜的损耗，整个灯具的光效只有百分之十几。

　　b.卤钨灯具的光效。目前效率较高的椭球反光镜成像聚光灯，得益于卤素灯泡的小型化，如图2所示，灯丝位于椭球形反光镜内部的一个焦点上。

　　由于椭球的特点，它有两个焦点，从一个焦点发出的光线经过椭球面的反射后，将会聚于另一个焦点。将灯具前方的聚光透镜的焦点与椭球反光镜的第二焦点接近，可将光源发出经过反射通过第二焦点的光线汇聚成一束平行光线。由于灯泡中充填卤素，灯丝、泡壳的工艺和材料得到改进，灯泡尺寸缩小，灯泡被深深包裹在椭球反光镜内，椭球反光镜对灯泡的包容角很大，因此，灯泡发出的光大部分被利用，该灯的光效比上一种灯具高，可达40%～50%。

　　c.LED灯具的光效。目前常见的LED光束灯，使用专用的聚光杯，LED发光二极管安装于全透明的聚光杯中。聚光杯中部为一个凸透镜，将位于凸透镜焦点的LED管向前发射的光束聚集成平行光束，而LED管侧面发射的光束进入聚光杯的内侧面后进过折射到达聚光杯外侧面，由于聚光杯外侧面与内侧面经过设计有一定的夹角，光线到达外侧面时，该光线在外侧面的入射角将大于制作聚光杯材质的临界入射角，因而不可能再发生折射，只能产生全反射由前方射出，经过合理的设计，出射光将成为平行于灯具光轴的平行光线，如图3所示。大功率LED管内部有一个效率很高的反光镜，是一个单向发光的光源。

　　一个小小的聚光杯，可将LED管发出的光线几乎全部利用并形成平行光束，光源的利用率非常高。由于LED管发出的光线不包含红外线，LED工作时温度也不太高，虽然聚光杯紧贴LED，仍然可以用高透光的聚酯塑料制作，也不会因高温变形。精心设计、模压成型的聚光杯，成批生产，一致性很好。

　　LED管与聚光杯组合成一个模组，但是光通量还不够，一般是将一个个相同的模组再一次组合，成为一个平面的LED阵列，如图4所示，这样一来，一个一百多瓦的LED灯具发出的光，相当于几百瓦的钨丝白炽灯灯具的亮度，已经能满足舞台应用的需要，符合节能的要求。

　　有人将LED内部的光学设计称为一次设计，聚光杯设计为二次设计，聚光杯模组的组合为第三次设计。平面型的聚光杯模组组合工艺相对简单。由于在同一个平面上，每个模组发出的平行光束是重叠的，因此，整个灯具射出的是一束略微发散的平行光，通过大量的LED发光，产生符合舞台需要的强光。

　　将LED灯具与白炽灯的灯具比较，一方面，目前LED管的发光效率比白炽灯高出两倍以上；其次，发光二极管利用它体积小和温度低的特点，采用了更为高效的光路设计，对光源光通量的利用率比白炽灯舞台灯具要高好几倍。两个因素相叠加，同样的光通量，白炽灯灯具要比LED灯具的功率大好几倍。所以，较小功率的LED灯具可以达到舞台所需要的光线强度的要求。

　　（2）色光亮艳在舞台演出中，灯光要用于为舞台布景、道具、服装染色，或创造特定的舞台气氛，舞台演出大量使用彩色光。与目前舞台灯具常用的彩色光比较，LED灯具在色彩方面的性能要优于传统光源。以前，舞台照明所用的色光，是采用在发白光的灯具前加上彩色的滤色纸或其他滤色片的方法，即挡住不需要的色光，只通过需要的色光光谱。由于大量不需要的色光被阻挡，射出的色光就相当弱了，尤其是常用的蓝色光，它的光谱位于可见光谱的高端，由于人眼的特点，对可见光谱两端的红色和蓝紫色特别不敏感，大量人眼敏感的光线被挡掉，灯具的发光效率就更低了。

　　同时，为了防止滤色片高温褪色，滤色片要透过光谱中大量的红外成分，在蓝色滤色片透过短波长的蓝光的同时，也有些长波段的红光透过。因此，通过白炽灯前加蓝色滤色片的方法得到的蓝光不但亮度减弱，颜色也不纯，很难使灯光师满意。

　　LED灯具则相反，它的红、绿、蓝三色光由三个发光管发出，白光由三基色混合，需要某一色光时，只减少不需要的光谱发出，并发出所需光谱的色光即可，这样一来，灯具发光效率大大提高。尤其是蓝光，LED灯的蓝光亮度相当于功率大于其十倍的白炽灯灯具加蓝色色纸的亮度。LED灯具的色光在实际使用中有时显得太过纯亮鲜艳，为了降低色光的饱和度，有的LED灯具还加上发白光的LED灯珠，以产生淡雅的色光。

　　由于LED的发光效率比白炽灯高，灯具的光效比普通白炽灯灯具高，色光的效率更是高得多，LED灯具用于舞台演出产生所需的彩色光，能充分发挥出LED的长处。

　　（3）寿命超长LED的寿命长达几万小时，而白炽灯的寿命仅为几百、上千小时。但是早期研发LED灯具时，LED装入灯具后出现了难以解决的散热问题，使LED的寿命大大缩短，影响了LED灯具的推广。LED管为半导体发光，以目前的工艺水平，LED工作时输入的电能10%～20%转化为可见光发出，剩余的80%～90%的电能将转化为热能，这些热能必须及时散发，否则，将导致管芯温度升高。如在常温下工作，LED的寿命可达五到十万小时。做成舞台灯具，许多LED管集中在一起，LED管的温度就会升高，由此将导致 LED管发光效率降低，寿命缩短。

　　目前，一般的功率型LED管结构上已经得到大大改进，不仅本身有导热基板，还配有铝基金属芯印刷线路板（MCPCB）作为散热基板，便于将内部芯片产生的热量导出。除了足够散热面积的散热板或带有散热翼片，从LED管体到灯体外部整个导热通道也设计得十分科学，若将内部LED芯片的工作温度控制在100℃以内（LED的极限温度是150℃左右），LED的寿命就能达到几万小时。

　　（4）使用方便LED舞台灯具的使用十分方便。

　　LED的工作电压为3 V～5 V的直流电，若想将LED舞台灯具自带220 V交流电变为可调光的低压直流电源，只需要一台发出DMX信号的灯光控制台，不需要一般舞台灯具必须外加的调光器。通过控制台发出的DMX512信号分别控制红、绿、蓝三色LED管的亮度，可调出红橙黄绿青蓝紫各种色彩及亮度的光束。一个灯可代替多个不同颜色的常规舞台灯具，免除了换色器。而且，灯体没有一般白炽灯的玻璃灯泡和灯丝等易碎品，搬运、日常维护等都简单得多，特别适合经常拆装台的演出场合。

存在的问题

　　LED舞台灯具优点很多，很先进，但是目前还未能在舞台演出中普及，主要存在以下问题：

　　（1）目前价格比较高

　　（2）品种比较单一

　　（3）质量参差不齐

发展前景

　　尽管存在一些问题，但是LED舞台灯具的前景还是为人们一致看好。

　　（1）LED的光效不断提高，价格不断降低。

　　单一管芯LED的功率和发光效率在不断提高，实验室中已经能够达到超过160 lm/W（也有称超过190 lm/W），商品化的产品也有每瓦上百流明的效率，科学家的目标是200 lm/W。单个管芯产品的功率也会有成倍的提高。

　　发光效率和单管功率的提高有助于灯具中LED管数量的减少，进一步提高灯具的光效。随着科研的进展和应用的不断扩展，LED的成本和价格也在不断下降。比较电脑等微电子技术产品发展的过程，LED技术的发展速度以及它应用推广速度之快，超出很多人的想象。

　　虽然LED舞台灯具价格较高，但即使在目前仍然有使用的价值：一是电能的节约符合节能的国策；二是光源几倍于白炽灯的长寿命对价格的分摊；三是减少了外围器件（调光器、换色器）的使用，节约了成本；四是维护工作量减少，降低了使用成本。

　　综合分析比较而言，LED灯具的高价格主要体现在一次性的投资上，从长期使用和使用效果的角度看，价格高还是可以理解的。国家政策的扶持和用户观念的更新，会扩大LED灯具的应用面。更重要的是，随着应用的扩大和LED灯具产业的发展，大量的生产将进一步促使成本和价格的下降，成本的下降和应用的扩大相互促进形成一个良性循环，将产生积极的作用。当然，这需要厂商和用户的共同合作和努力。

　　（2）新的组合式管芯的出现，单个LED管（模块）的功率不断提高。

　　“单个LED光源的功率”的提法目前看来有些模糊，原来的LED管是单个芯片制成，由于电流、发热、出光效率等限制，单个LED管的功率不可能做得很大，影响到LED管的光通量。为此，已有厂商将多个LED管芯组合做在一个散热基片上，内部串联或并联成为一个更大功率的模块。目前，已经可以看到20 W、60 W甚至300 W的组合管芯LED管，组合管芯的LED管的总光通量大大增加。

　　组合大功率LED管虽然功率增大，总光通量变大，但是由于众多管芯高度集中，散热问题的解决更加困难，发光效率也有所降低。另外，多个管芯排列成一个平面，发光面积也增大，面发光的光源在灯具设计过程中，光线的汇聚和控制将变得困难，光的利用率也会降低。目前人们对这类组合管芯进行研究和开发，一是解决好大功率光源的散热问题和发光效率，二是开发新的光学结构，提高灯具效率。

　　由于单一的光源和聚光镜结构，调节两者的相对位置，可以方便地改变光束角度的大小和光斑边缘的虚实，满足舞台布光的要求，LED在舞台灯具方面的应用将有新的突破。

　　（3）新型光学设计的突破，新灯种的开发。

　　舞台演出多种多样，各种风格的舞台演出样式对光区的控制要求各不相同，舞台灯具从条灯、天幕泛光灯、柔光灯、光束灯、舞台聚光灯、成像灯、追光灯对灯具的聚光效果要求逐渐严格。目前，LED舞台灯具的聚光性能可部分满足从条灯到光束灯的要求，尚不能满足舞台聚光灯到追光灯的要求。

　　发光二极管与聚光杯模组的组合方式，光效较高，但是光束形式单一，难以如常规舞台灯具般对光束进行控制和调节。科研人员还需进一步改进光学设计，即“三次设计”。但是，由于反射和折射的加入，灯具的光效会有所降低，这些都是研发人员需要解决的问题。我们也可以跳出这一思路，直接用前文提到的LED模组非平面排列产生可调节的光束。相信未来的LED新灯具将不断创新，更适合舞台演出的需要。

　　（4）控制软件的改进使得LED舞台灯具使用更加便利。

　　LED亮度不断提高、单个功率不断提高，以及灯具光路结构的改进，使得现有的灯具的亮度和光学性能将更好。在控制方面，调光和调色也会更方便。未来的LED灯具可产生更加丰富的色彩，在红、绿、蓝的混合过程，国内外已经有超过三色的LED组成的灯具，多色混合后的色彩更加丰富。调光模式也由一种颜色的LED一个调光通道，改为经过灯具内部编码由色度（H）、饱和度（S）和亮度（B）三个通道调制的更便于使用的模式。国内也有厂商作了类似的尝试，增加了配色的LED管种类，增加了多种调光模式。但如何使灯具设计更为科学合理、使用更方便，还有待进一步的改进。相信，随着技术的进步和应用的普及，LED灯具的控制技术还可进一步改进。

检验

　　舞台灯具绝大部分的一般要求与试验直接引用 GB7000.1 标准中的相关内容，但试验的顺序应按本标准 GB7000.217 规定的章节顺序进行。

　　IP分类大于IP20的舞台灯具应在耐久性试验后进行防尘和防水试验， 然后进行热试验，再进行潮湿试验，这样能反映灯具使用了一段时间后的外壳防护性能，防水试验后进行热试验，热试验能够将受潮的试验灯具烘干，然后再进行潮湿试验，确保灯具在潮湿试验前不含有过多的水分，避免受试灯具凝露，导致潮态绝缘电阻和电气强度试验结果失真。

　　1 爬电距离和电气间隙采用高压强度气体放电灯的舞台灯具存在脉冲电压，不同的电器部位，其爬电距离和电气间隙的要求是不同的。

　　2 接地连续性应关注舞台灯具可调节的活动部件接地连续性是否符合要求。

　　3 接线端子标准中规定不允许采用 b 型的弹簧式无螺纹接线端子， 主要考虑的原因是这种形式的接线端子是靠弹簧的压紧来保证接触的，弹簧压力不可能很大，而舞台灯具通常功率比较大，电流载荷也大，灯具工作位置往往是可调节的，容易产生振动，在这种情况下，弹簧可能会受到振动的影响而松动，大电流高发热可能会使弹性失效，时间一长在使用过程中就可能会发生接触不良。而a 型的弹簧式无螺纹接线端子是靠卡住来保持接触力的，相对来说受振动和发热因素影响较小，因此标准中允许使用该类型端子。

　　接线由于舞台灯具通常功率比较大，额定电流负载也大，灯具接线为了安全地承载较高的电流负载，必须选择与电流载荷相适应的接线截面积，灯具额定电流小于等于 3A 时，接线标称截面积不小于 0.75mm2；灯具额定电流大于 3A 时，则不小于 1.5mm2；灯具额定电流特别大时，还应根据不同规格导线的额定电流载荷量来选择灯具接线标称截面积的大小。 但应特别注意的是内部接线应分为两部分，即：与固定布线直接连接的内部接线和通过一个内部的限流装置与固定布线连接的内部接线， 部分与固定布线直接连接的内部接线截面积必须符合上述要求， 第二部分通过一个内部的限流装置与固定布线连接的内部接线截面积只要符合 GB 7000.1第 5.3.1.2条要求即可，不需要使用过粗的导线截面积，特别适合于从控制器输出的小负载、多线路的内部布线。

　　与舞台灯具配套使用的独立式控制装置（镇流器电器箱）如果使用插头插座分别与灯具或主电源连接， 灯具/控制装置间连接的插头插座与控制装置/主电源间连接的插头插座应不能互换，以防止灯具的插头插座误插入主电源，控制装置输出端插头插座误插入主电源，导致灯具和控制装置损坏，危及电网安全。

　　4 防触电保护舞台灯具进行防触电保护检验时，应注意结合 GB7000.217第 6.1 条要求。GB7000.1 第8.2.1 条规定： “Ⅰ类和Ⅱ类灯具使用管形钨丝灯的，由于其每一端有灯头，在更换光源时应采取双极自动断电的装置。 如果有关标准包含了可能引起触电的带电部件的可触及性的特殊要求，且覆盖了相关的灯头和灯座组件，则本要求不适用。 ”此要求的前半段适用于非人员使用的舞台灯具，非人员使用的舞台灯具应设计成不能在灯座带电时装入灯泡。

　　此要求的后半段与人员使用的舞台灯具相适宜， 灯具中可能引起触电的灯头和灯座带电部件的可触及性可以免于检查， 在灯具外部应有明显的警告标记： “更换灯泡前应切断电源” ，人员可以根据灯具上警告标记的要求切断电源，打开灯具，更换光源。

　　由于标准要求仅供使用的舞台灯具应标注“更换灯泡前应切断电源”标记，非使用的舞台灯具应设计成不能在灯座带电时装入灯泡， 因此在检查防触电保护时不需要检查灯头和灯座带电部件的可触及性， 应关注断电装置的有效性以及断电装置前电源线路带电部件的可触及性。

　　5 热试验舞台灯具达到热稳定状态时， 灯具的外表面温度不应超过按 5.1.6标记规定的表面温度值，灯具的其他部件、部位的温度均不超过标准及标记规定的温度限值。

　　由于舞台灯具的可调节性，因此，灯具的工作位置是不确定的，应分析寻找舞台灯具外表面工作温度的部位及工作位置，不同部件的工作温度随着灯具工作位置改变而变化，不同部件的工作温度可能体现在灯具的不同工作位置， 寻找灯具最严酷的工作位置来进行耐久性试验和热试验。为测得灯具各部件、各部位的工作温度，热试验的灯具工作位置可能是多个，还应分析灯具的不同异常状态，如光源的整流效应、灯具的工作位置异常、风扇堵转等等，确保热试验结果的准确性。

　　6 外壳防护试验进行外壳防护试验时， 应按舞台灯具最不利的工作位置安装， 然后进行充分的工作预热，直至热稳定后开始防尘、防水试验，关注舞台灯具玻璃保护屏热态时是否能够经受冷水喷洒的冷热剧变试验。