可以有效提高LED照明難度開發(fā)的燈具設(shè)計(jì)

光二極管(LED)穩(wěn)坐次世代光源主流寶座已無庸置疑，LED在照明除能取代原有照明光源，更有機(jī)會發(fā)展廣泛多元的創(chuàng)新應(yīng)用，但亦同時(shí)伴隨在模組、電源設(shè)計(jì)、安裝場所與散熱、壽命等必須克服的新挑戰(zhàn)。面對LED在照明應(yīng)用的無限曙光，本文將分享在眾多測試案例中的發(fā)現(xiàn)，提醒業(yè)者必須投入更多的關(guān)注在這些安全挑戰(zhàn)，才有機(jī)會取得競爭地位。 　　高功率LED燈具散熱挑戰(zhàn)重重 　　隨著LED封裝技術(shù)改進(jìn)，LED業(yè)者亟欲突破亮度障礙，取代高亮度的高強(qiáng)度放電燈源(HID)或白熾燈。 　　LED雖然具有冷光與相對高效率的優(yōu)勢，但與一般傳統(tǒng)光源的光熱傳導(dǎo)途徑比較之下，白熾燈的熱產(chǎn)生在光傳遞路徑上;LED光源的熱則集中在于光傳遞路徑的反側(cè)，在能量守恆定律下，LED的散熱設(shè)計(jì)逐漸變?yōu)椴豢珊鲆暤膯栴}。 　　舉例來說，作為舞臺投射用途的燈源，無論是電燈或白熾燈，至少要達(dá)到200瓦以上，換言之，LED光源雖然僅須約60%的耗電量就能夠得到與傳統(tǒng)光源相同的亮度，但在過程中，80%的能量卻是轉(zhuǎn)換為燈具內(nèi)部的熱源，長久積聚不散的熱，將會造成以下幾點(diǎn)重要問題： 　　LED光效率降低 　　LED的光來自于半導(dǎo)體中，電子電洞結(jié)合過程所產(chǎn)生的光能，因此當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時(shí)，電子與電洞的結(jié)構(gòu)容易因?yàn)檐颖旧淼恼饎?dòng)增加，而受到阻礙或是破壞，因此會造成LED光強(qiáng)度的降低。 　　絕緣的破壞 　　當(dāng)LED燈具因散熱設(shè)計(jì)不佳而造成環(huán)境溫度上升時(shí)，作為安全最后一道防線的絕緣聚合物材料，亦受到熱劣化的挑戰(zhàn)。 　　一般具有熱塑性的聚合物材料，并非處于完全聚合的情況，高溫與溼氣的環(huán)境會促進(jìn)聚合反應(yīng)產(chǎn)生逆向反應(yīng)(也就是裂解)的進(jìn)行，除會產(chǎn)生變形外，也會產(chǎn)生特性的變化，甚至?xí)a(chǎn)生氧化的問題，絕緣特性也因此受到破壞。 　　以上例來說，在無散熱的情況下，100瓦的熱積聚，在一小時(shí)內(nèi)就能夠?qū)⒁还乃訜嶂两?00度，因此高功率LED燈具的挑戰(zhàn)，不僅在于將熱由LED光源移出，也必須要從燈具移出(圖1)，否則長期使用后，不僅是照明效率會下降，燈具本身也是安全堪慮。 　　LED燈泡須要具備散熱設(shè)計(jì) 　　除應(yīng)用在路燈以外，景觀、號誌、標(biāo)示用照明也是LED的激烈戰(zhàn)場。 　　室外用LED燈具的水氣與紫外線考驗(yàn)加劇 　　LED的可調(diào)色性是其他光源無法企及的優(yōu)勢，因此受到建筑與設(shè)計(jì)師的青睞，使用LED燈儼然成為城市先進(jìn)的象徵。 　　可程式化的顯示方式，除作為號誌燈的讀秒外，更是戶外資訊看板的不二選擇，儘管受到城市光害的質(zhì)疑，仍幾乎無所不在的應(yīng)用于大型LED顯示屏幕，雖然所費(fèi)不貲，尺寸卻是越來越大。放在室外的LED燈具，相對于室內(nèi)用燈具，散熱環(huán)境雖然相對較好，但是水氣與紫外線的影響卻是額外的考驗(yàn)。 　　水氣造成的功能危害 　　水氣的積聚，對電子商品功能最大的問題就是造成電路短路與產(chǎn)品生銹。雖然純水導(dǎo)電度低，但只要加上電解質(zhì)，導(dǎo)電度就會上升，容易造成短路現(xiàn)象。剛開始短路現(xiàn)象會隨水受熱蒸發(fā)而停止，長久下來，累積在導(dǎo)體上的電解質(zhì)加上通電時(shí)的熱作用，就可能破壞絕緣材料，導(dǎo)致永久的短路現(xiàn)象或是迴路的銹蝕。 　　裸露的金屬材料如銲點(diǎn)或螺絲、端子也會受到水氣的影響產(chǎn)生生銹的情況。一旦發(fā)生銹蝕，電阻會提高，或者膨脹的導(dǎo)體也可能彼此連接產(chǎn)生短路，造成安全的危險(xiǎn)(圖2)。另外有些聚合物材料是透過脫水聚合而成，水氣的存在會促使聚合物分解反應(yīng)的進(jìn)行，造成聚合物材料的破壞。 　　進(jìn)行耐環(huán)境污染絕緣性的UL746A漏電指數(shù)測試（CTI）樣品 　　紫外線對外殼材料的破壞 　　陽光含有高能量的紫外光，除會曬傷皮膚外，也足夠裂解大多數(shù)的聚合物材料，UL研究發(fā)現(xiàn)，只要將近1，000小時(shí)的連續(xù)高強(qiáng)度曝曬，就可能導(dǎo)致材料的機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生足夠危險(xiǎn)的衰煺，以及劣化材料的耐燃性。 　　下雨天的號誌燈老是故障，戶外的LED大型顯示幕也往往在陰雨天時(shí)出現(xiàn)白線，其實(shí)很多時(shí)候就是水氣的杰作(表1)。 　　大多數(shù)設(shè)計(jì)都是希望透過密封而達(dá)到防水的目的，然而，除一體成型的密封外，大多數(shù)組裝式的密封都會因?yàn)槌掷m(xù)的熱漲冷縮，導(dǎo)致水氣因而藉由毛細(xì)現(xiàn)象能夠滲入到機(jī)殼內(nèi)部，逐漸累積，因此若能採用耐水性的電路材質(zhì)，加上排水、通風(fēng)與乾燥的設(shè)計(jì)，才可防止因?yàn)樗畾饫鄯e所造成的問題。 　　至于長久浸泡于水中的燈具，因受到環(huán)境溫度變化較小，加上水壓的幫助，同時(shí)可減少紫外線的吸收，密封較易達(dá)成，只要採用對水氣不敏感的聚合物材料與金屬材質(zhì)，反而相對比較容易維持低水氣的狀態(tài)。 　　LED燈具防爆設(shè)計(jì)至關(guān)重要 　　2011年是爆炸事件頻傳的一年，因應(yīng)石油裂解廠等意外造成的龐大人力與物力損傷，勞委會宣告自民國101年起，將針對危險(xiǎn)場所使用的燈具、馬達(dá)、開關(guān)箱進(jìn)行管制，以減少工安的意外，同時(shí)也引起燈具業(yè)者的注意。 　　傳統(tǒng)燈具由于使用時(shí)電壓與電流較大，或者使用溫度較高，很容易在操作的過程中，因?yàn)闇囟冗^熱或開關(guān)電弧的產(chǎn)生而成為引爆易燃物的火源，LED具有低電壓操作與相對低操作溫度的特性，似乎非常適合作為未來的防爆燈具，然而防爆領(lǐng)域卻是許多LED與燈具業(yè)者所不熟的領(lǐng)域。此外，對于防爆驗(yàn)證的模式與系統(tǒng)更是所知有限。 　　防爆一詞其實(shí)是過度簡化的說法，其實(shí)是防止引發(fā)爆炸，以及防止受到爆炸而破壞。在國際上有不同的爆炸危險(xiǎn)分級系統(tǒng)，主要分為美國電工法規(guī)(NEC)定義的系統(tǒng)，與國際電工委員會(IEC)所定義的IECEx系統(tǒng)。因應(yīng)不同的危險(xiǎn)氣體與環(huán)境，均不能讓電器產(chǎn)品因使用或者失效而成為爆炸源。要避免成為爆炸源，就必須注意下列的問題： 　　火花的產(chǎn)生，或者火花與危險(xiǎn)物質(zhì)接觸 　　一般有明滅控制的開關(guān)，容易因?yàn)閷?dǎo)體帶電的瞬間接觸而產(chǎn)生火花或是電弧，或因?yàn)楦鼡Q燈源時(shí)金屬間互相摩擦產(chǎn)生的火花，這樣的電弧或火花，很容易點(diǎn)燃如乙炔等易燃?xì)怏w。因此燈具的設(shè)計(jì)，要能避免採用會產(chǎn)生火花的開關(guān)，或者必須將開關(guān)密封，以免開關(guān)過程時(shí)產(chǎn)生的火花與易燃?xì)怏w接觸。 　　外殼的設(shè)計(jì) 　　其能夠避免火焰的蔓延，當(dāng)機(jī)體內(nèi)部因?yàn)槭Фa(chǎn)生火焰甚至是小型的爆炸時(shí)，外殼必須適時(shí)地將火焰或是爆炸包覆，讓火焰自行熄滅而不至于點(diǎn)燃機(jī)體外的易燃?xì)怏w。為能達(dá)到此效果，必須採用相對較為堅(jiān)硬的外殼與洩壓裝置，或者要另外以大型透明密封外殼包覆等。 　　除易燃?xì)怏w以外，粉塵或者甚是木屑、纖維屑等也都是被列為可能引發(fā)爆炸起火的危險(xiǎn)物質(zhì)。由于照明設(shè)備幾乎是所有場所必備的電器用品，在爆炸案或火災(zāi)頻傳的現(xiàn)在，增一分安全就是少一分危害，在上述所列的危險(xiǎn)場所換裝安全的燈具刻不容緩(表2)。 　　耐用與可靠性決定LED照明壽命 　　2012年的照明展，幾乎是LED燈具獨(dú)占鰲頭的局面，除節(jié)能之外，更有LED業(yè)者喊出持續(xù)點(diǎn)亮30年的口號，儘管目前并沒有LED壽命的一致性推估標(biāo)準(zhǔn)，面對相對高價(jià)的LED燈具，對比于普及化的日光燈照明，更長的使用壽命絕對是LED照明所必須具備的武器。 　　LM-80是目前較為廣泛接受的LED光源老化試驗(yàn)方法，LED光源必須在55℃、85℃與105℃叁個(gè)不同環(huán)境溫度下連續(xù)點(diǎn)亮6，000小時(shí)(將近1 年)，同時(shí)還必須要能夠保持塬本的光特性，通過這樣評估后的燈源，其耐久性不言可喻，然而這樣的燈源光特性保持測試，往往并不代表燈具的壽命也是如此，決定燈具壽命還有下列幾個(gè)因素： 　　燈具的耐用性 　　燈具雖然相對機(jī)構(gòu)簡單，但仍由許多元件所構(gòu)成，提供低壓直流電源的變壓器就是其中一項(xiàng)重要的元件，也因此是決定燈具壽命的關(guān)鍵之一。 　　雖然大多數(shù)的電源直接採用消費(fèi)電子的低壓直流電源，但是以消費(fèi)電子的短生命週期，是否能夠提供燈具長期的連續(xù)使用可能就是個(gè)問題，目前雖然也沒有建立變壓器產(chǎn)品的使用年限推估標(biāo)準(zhǔn)，然在太陽光電變頻器的長期使用資料下，目前所採用的技術(shù)與可接受的成本下，最好的變頻器也似乎只有5年的壽命。 　　安全的可靠性 　　除了電路的耐用性以外，長久使用的安全更是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，塑料外殼會隨著使用操作的環(huán)境而逐漸劣化，內(nèi)部絕緣材料也是如此，無論是絕緣、機(jī)械保護(hù)或者耐燃特性都會漸漸產(chǎn)生劣化的情況。 　　以業(yè)界廣泛接受的UL長時(shí)間耐熱特性的指標(biāo)RTI(RelativeThermalIndex)評估法為例，在該溫度下長期使用10年，塑料的各項(xiàng)特性就會有衰減一半的風(fēng)險(xiǎn)，同理可證，若要能維持更長久的安全，就必須採用更為耐熱的塑膠材料。 　　不只人想要長生不老，我們也希望所有的用品都能夠持續(xù)使用到厭煩為止，在地球只有一個(gè)，資源有限的情況下，回收利用能夠大幅減少物料的浪費(fèi)，二手商品的流通也促進(jìn)環(huán)保的推動(dòng)，同時(shí)也減少購買新品的頻率。但在購買或者販?zhǔn)鄱稚唐返耐瑫r(shí)，殘余使用年限與安全保固，也是廠商所必須面臨的責(zé)任挑戰(zhàn)。 　　LED的問世，并不如液晶電視取代映像管那么簡單，LED光源的使用彈性，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塬本燈具的應(yīng)用範(fàn)圍，并不只是光效率提高與使用時(shí)間更長這么簡單，雖然可就當(dāng)成簡單換個(gè)燈泡，但 LED有更廣更大的應(yīng)用空間，在各式各樣的應(yīng)用條件下，新式燈具并無法簡單採用傳統(tǒng)燈具的設(shè)計(jì)，其功能、壽命與安全的設(shè)計(jì)也都將是新的挑戰(zhàn)。