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開發(fā)高亮度LED照明應用必需克服技哪些術挑戰(zhàn)?

發(fā)布時間:2012-11-20 責任編輯:echotang

【導讀】: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(jié)能燈具,對于全球的能源消耗可能產生顯著的節(jié)約成效,因此,各國政府為了打造更環(huán)保的國家形象,也積極透過政策、法規(guī)與產業(yè)輔導朝照明節(jié)能化應用方向發(fā)展,而利用原有的LED或是CCFL新式光源設計來取代傳統(tǒng)光源,進行日常照明應用,也成為照明產業(yè)重要發(fā)展趨勢。

LED發(fā)光效能持續(xù)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(xù)發(fā)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(huán)保議題持續(xù)升溫,讓各種用電的現(xiàn)況出現(xiàn)極大的改變,終端電器就有多項極大的變革,像是CRT電視被LCDTV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(jié)能燈具,對于全球的能源消耗可能產生顯著的節(jié)約成效,因此,各國政府為了打造更環(huán)保的國家形象,也積極透過政策、法規(guī)與產業(yè)輔導朝照明節(jié)能化應用方向發(fā)展,而利用原有的LED或是CCFL新式光源設計來取代傳統(tǒng)光源,進行日常照明應用,也成為照明產業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)光源應用現(xiàn)況

多數(shù)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-intensitydischarge;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(CompactFluorescentLamp;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(jié)能的效益,就必需針對現(xiàn)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(shù)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(xiàn)有照明應用觀察,白熾燈照明方案能源效率最差,用60W白熾燈進行照名實,能源效率約為10lm/W,相較CFL熒光燈具的能源效率就可達50lm/W。一支100WHID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(yōu)勢,其中節(jié)能效益是最受業(yè)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)4,500~6,000k下,在實驗室的測試數(shù)據(jù)已可達到超越200lm/W的高效能表現(xiàn)。

LED屬于固態(tài)光源組件,在組件的硬度、強度較高,不會如同傳統(tǒng)光源因為主要由玻璃制成,會出現(xiàn)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(tǒng)的觀念則與傳統(tǒng)設計大不相同,需要有更多方面的技術與專業(yè)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)燈具的光型表現(xiàn),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(xù)LED組件本身是點光源的限制,組件在發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn),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(tǒng)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(yè)者不用重新開發(fā)不同燈具的配合電路,運用現(xiàn)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(jié)能效益。

E27型式的LED節(jié)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ACLED在實際應用場合,有更多的應用彈性與優(yōu)勢,因此也是發(fā)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(fā)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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