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0431-81702023
光學工程
高亮度LED照明應用需克服技術挑戰

      LED發光效能持續提升,為了達到高亮度的要求,也讓單一組件的功率增加不少,尤其是隨之而來的運行高熱狀況,很可能就因為高熱問題,使組件的光衰或壽命相對減低,而在組件方面若能在前段制程就考慮散熱需求,要比從外在條件進行散熱設計要來得更有效率,也能可持續發展更高功率、高亮度的LED組件因應日常照明應用。
  這幾年下來,環保議題持續升溫,讓各種用電的現況出現極大的改變,終端電器就有多項極大的變革,像是CRT電視被LCD TV取代,甚至是大量耗能的白熾燈,也成為各國相繼禁用的光源。
  因為觀察全球19%電能耗用都是用于照明應用中,若可在日常照明導入節能燈具,對于全球的能源消耗可能產生顯著的節約成效,因此,各國政 府為了打造更環保的國家形象,也積極透過政策、法規與產業輔導朝照明節能化應用方向發展,而利用原有的LED或是CCFL新式光源設計來取代傳統光源,進行日常照明應用,也成為照明產業的重要發展趨勢。
  傳統光源應用現況
  多數實際應用場合中,仍須大量的高效能、高亮度光源,例如,路燈、賣場照明、商店照明等,需高效能、高亮度的燈具設施,大多采高強度的氣體放電式燈具(High-intensity discharge;HID)或鹵素燈,以達到高亮度、高照度的應用需求;而在賣場、店家的長時間需求,多半選用熒光燈管(Compact Fluorescent Lamp;CFL);住宅多仍大量使用白熾燈、熒光燈(CFL),或以省電訴求的新式省電燈泡。在眾多實際應用場合中,耗能最高、效率最差的光源應以白熾燈為主,因為應用時會讓大量電能轉換成無用的熱,也會讓燈具壽命因此降低。
  以具體光源應用觀察,日常照明市場所涵蓋應用領域相當廣,包含建筑物照明、標志、景觀照明、零售、信號燈、街道照明和住宅照明等。若要討論節能的效益,就必需針對現有的燈具提出科學化的*估的方法,例如以輸入功率比與實際輸出流明進行效能衡量,目前也多實行每瓦流明數進行*估基準(或能源效率efficacy)*估。
  不同照明方案能源效率差距大
  以現有的照明應用觀察,白熾燈照明方案的能源效率最差,例如,用60W白熾燈進行照名實,能源效率約為10 lm/W,相較CFL熒光燈具的能源效率就可達50 lm/W。一支100W HID可具有80lm/W,相當于產生8,000流明亮度。
  LED光源效能與實用性大幅提升
  LED的特質在于本身就是1個電子零組件,與氣體放電式的HID燈具、CFL熒光燈具這類光源,必需以玻璃容器內置高壓氣體的體積相對更小,不需內填有毒元素,組件本身就設有金屬接點,并可焊接安裝在任意表面上,便利性相當高。
  LED具備未來光源多項優勢,其中節能效益是最受業者關注的重點。
  以往LED因當時技術受限,在亮度無法有效提升,多用于指示性用途的輔助光源,但現在以白光LED為例子,制作方式早已大幅改善,例如,透過高效能藍光LED鍍磷產生近似白光的發光效果,同時大幅提升單一組件的亮度輸出,目前白光LED在能源效率已有大幅進展,色溫表現4,500~6,000k下,在實驗室的測試數據已可達到超越200 lm/W的高效能表現。
  LED屬于固態光源組件,在組件的硬度、強度較高,不會如同傳統光源因為主要由玻璃制成,會出現怕摔、不耐撞擊問題,也可搭配不同熒光粉設計或搭配構型設計,產制各種不同特性的光源效果,整體組件亦不含汞,同時具備超過50,000小時壽命周期,LED壽命較僅能運作1,000小時的白熾燈要高更多。
  導入生活應用仍有關鍵問題待克服
  由于LED在原器件的物理特性差異,制作光源系統的觀念則與傳統設計大不相同,需要有更多方面的技術與專業輔助。

      LED燈泡型設計在空間相對緊湊,如何做到相關電路整合,必需靠整合芯片達成設計目標。
  1.光學設計
  LED光源屬于高效率的點光源,這種過于集中的光源,在傳統應用會有相當多的問題,例如,若當臺燈用會造成近距離的光型不夠勻稱,即便LED具備寬廣的色彩調控彈性,能源效率表現也相當不錯,但在生活用照明應用時就會影響使用觀感,點光源必須透過光學透鏡或機構設計(透鏡、導光素材)來產生近似傳統燈具的光型表現,會增加燈具成本,在緊湊的構型設計中較難突破光學的物理特性。
  2.散熱設計
  同樣的,延續LED組件本身是點光源的限制,組件在發光時產生的溫度會過度集中在單點之上,若沒有效處理散熱,會致使組件出現燒融,甚至縮短使用壽命!除了組件本身需針對散熱強化設計,例如,透過芯片打金線或是載板的設計技術進行改善,達到自體散熱設計,即便如此,熱源仍會出現有過度集中在燈具點狀位置的狀況,如何透過外部組件的主動散熱與被動散熱設計,去改善結點溫度控制的處理能力,這就成為相關燈具設計的技術差距。
  3.驅動與控制電路設計
  實際應用時,LED驅動發光仍需要大量電子電路進行輔助,才能達到高效率的目的,但對于一般白熾燈的調光設計,如果也想在新式LED光源上實現,這就必須透過DC直流供電控制進行供電調整,這時若同時考慮能耗與用電效率,會讓驅動的電子電路復雜度大幅提升,就的設計很采取大量獨立組件造成系統的離散設計問題,讓整體省下來的電能反倒在相關電路被消耗掉了。
  目前已有組件廠商采取單芯片的可調光控制IC設計,讓燈具業者不用重新開發不同燈具的配合電路,運用現成的解決方案就能達到兼具對比舊式光源的操作體驗,也可達到更高效能的節能效益。
  E27型式的LED節能燈泡,功耗僅6瓦。
  4.電源轉換電路設計
  LED一般都使采取DC直流驅動,但AC LED在實際應用場合,有更多的應用彈性與優勢,因此也是發展LED光源相當重要的一大趨勢!尤其是一般生活電力來源均為AC電力,若要快速讓LED光源普及于生活應用,發展AC設計的LED產品,是相關應用快速成長的應用關鍵。


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