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LED路燈朝節能、壽命與轉換效率改善

文章出處:本站責任編輯:Admin人氣:發表時間:2015-06-07 21:50:01【

一般用來評估LED照明系統,多會以可靠度與使用壽命來進行檢視,尤其是在路燈型的公共設施導入方面,為了實現具低耗電量的LED光源路燈設施,在LED的元件、照明控制系統與燈具設計,整體結構都需要達到高可靠性與高光通量輸出要求。

LED路燈設計并不如家用照明光源單純,因為LED路燈的使用環境較為惡劣,設置于戶外需能耐受強風、早/晚巨幅溫差,為達到照明目的元件的發光效能還有高光通量要求,不只是照明系統本身需要達到設計要求,搭配的驅動電路、燈殼、散熱設計等,都必須搭配達到最終的產品審核要求,才能達到高可靠度、長使用壽命的設計目的。

LED發光元件快速發展 單位元件亮度大幅提升

現有LED在晶粒、封裝技術已有突破性發展,單一元件的發光效率極高、壽命長,尺寸也越來越小,加上數碼驅動回路控制亦可達到如同傳統燈具的調光應用需求,凸顯其在照明應用市場極大的成長潛力,加上各國基于環保要求相繼宣布禁售白熾球泡燈的禁令,這等于是LED替換是球泡燈的最佳宣傳,利用LED高效能照明光源取代傳統低效照明光源已經是指日可待的狀況。

然而,市場的LED照明產品質量良莠不齊,部分低價產品演色性表現不佳,或忽視LED應有的可靠度、長壽命表現,影響使用者信心,對于不良的光學設計,也會使得LED照明狀態不若傳統光源照明來得舒適。相同的道路用的LED路燈也是相同的狀況,道路用路燈設施為使用者天天都會接觸的照明設施,若發生演色性變異或是亮度明顯不足,也會令使用者對LED公眾照明的實用性存疑。

路燈改換LED光源 可大幅節約能源損耗

一般在道路或隧道等LED照明照明應用場合中,會將路燈的LED光效定義在每盞每瓦85流明或更高,若以現有技術進行功能建構,將可以發現LED光源技術制成的路燈、公眾照明設施,其能耗將遠低于白熾燈、氙氣燈、鹵素燈等高亮度傳統光源燈具所使用的能耗,雖然能耗方面大幅勝出,但實際上LED光源作為路燈使用,仍會碰到可靠性、光衰率(使用壽命)影響。

先來了解LED的可靠性如何定義,一般來說,可靠性指的是在單位時間、條件下產品執行其目標功能的能力,觀察LED光源燈具的故障原因主要分幾種狀態,一種是嚴重的損壞故障,這代表LED光源系統整個無法使用的嚴重損毀,另一種是LED光源的光源參數出現狀況,影響其運行效能,也就是說LED正常狀態下的光通量表現,若出現低于系統初始值的70%以下,就屬于參數型故障,不管是參數型或是嚴重故障現象,都代表LED光源路燈已經無法勝任照明任務,必須維修或更換,而可靠度偏低則會增加維護與整修成本,并無法充分獲得LED的長壽命效益。

分析LED光源故障原因 元件質量是第一關

而觀察LED光源路燈典型的故障曲線,可分為幾種,一種為早期發生在產品初期運行期間,此外可能就是隨機的元件故障導致,另隨著運行時間拉長也會逐漸產生耗損性故障現象。多數的初期故障,會是LED元件或是使用零組件在制程中的缺陷造成,或是料件與電子基板焊接不良導致,發生的原因相當多,可以是靜電或是超載的電流,或是上料時的機械應力造成元件的結構損壞所導致,這類問題都能在產品上機后5~10小時運轉時發現并查錯改善。

至于隨著使用時間拉長產生的材料耗損型態故障,雖說是材料必經的過程,但也是有跡可循,觀察LED光輸出衰減的參數可由光通量與顏色座標等參數來進行評估,LED光通量即光的輸出量,LED一般可維持50,000小時的運行壽命,但光通量表現會隨著使用時間漸長而衰減,而當LED光通量衰減到標示值的70%的使用時間,就是LED的L70參數。由于經長時間使用造成的耗損與元件老化對于評估元件表現相當重要,當一定數量LED達到L70累計至整體數量的一半時,此段時間區間即為L70/B50,此即代表LED使用壽命的關鍵數據圖表。

使用者對LED光源壽命期待高

針對Energy Star(能源之星)對于室外LED照明燈具的壽命要求定義為35,000小時,即便LED發光元件的L70/B50的使用壽命可以達到50,000小時,但因為元件本身的光衰表現受影響的因素相當多,象是封閉的燈殼或是散熱不佳的運行環境,甚至是漏電短路的驅動電路等,都有可能讓LED發光元件提早進入光衰期,影響其耐用度。

以現有的LED燈具制造工藝,其實已有相當多能改善燈具整體壽命的作法,例如在LED的封裝方面,LED的封裝可以說是左右可靠性的關鍵,高功率芯片封裝搭配高耐熱與表面變化低的陶瓷基板進行封裝,不只可在散熱性獲得極佳表現,也是在熱導性與相關參數表現相對穩定的封裝技術。此外,封裝尺寸也在逐步減小,目前10~13W驅動的LED元件封裝尺寸已可小到3mm * 3mm甚至更小。

路燈/隧道使用環境惡劣 考驗燈殼防水、防塵與散熱設計

但現實的狀況與情境是,LED路燈設置環境為戶外或是隧道,燈具會深受汽車廢氣、酸雨侵蝕,腐蝕性的氣體將會造成驅動電路出現故障,在LED的封裝過程中,利用鍍銀材料來充作反光使用,但實際上銀材質反而容易與酸性、腐蝕氣體產生化學反應而趨于變黑,如此一來即直接影響了LED光源路燈的光通量表現,原有的鍍銀處理應改用耐腐蝕的設計方案進行改善,減緩其材料腐蝕變黑造成的光通量輸出下滑問題。

除LED元件本身的改善外,在燈殼的設計也是整體產品的設計關鍵,因為產品的強固表現就看燈殼的防水、防塵與散熱效果,一般路燈會采用兩件式或是三件式組構而成,利用少量的組構件與扣件強化整體燈具的強固程度,在鑲嵌燈罩玻璃周邊也會利用隔水橡膠避免雨水侵入,而重要的電線、電纜連接處也會采用橡膠防水處理。燈殼基本上也需擔負自體散熱需求,一般會將LED發光模塊與金屬燈殼貼合組構,讓發光的同時也可透過金屬導熱特性將LED產生的熱源散到燈殼外,部分設計還可追加主動散熱系統,以協助燈具進行散熱處理。

元件老化與灰塵入侵 也是LED燈具故障主因

而一般燈具老化故障,除了空氣和潮濕外,元件老化與灰塵問題也必須考慮在產品設計之中,基本上只要采行高可靠性的LED發光元件,即可解決一大半的產品故障問題,其次就是如何改善灰塵侵入燈殼而因為燈殼潮濕導致照明設備短路毀損。利用較佳的LED元件搭配高可靠度的照明系統集成,LED照明路燈設施自然可以發揮較佳的可靠性與使用壽命。

另一方面,LED光源路燈也不是越亮越好,而是要以最經濟、最具效益的方式進行產品設計,一般來說以約8公尺寬的雙車道來說,約每20~25公尺設置一盞路燈,路燈的夜間照明需求僅需要10 lx即夠用,超過10 lx的光源設計基本上都是一種能源上的浪費,以此需求回推,在設計對應的路燈LED光源需求,便能掌握所需要的光源驅動功率、LED型式與數量,另驅動電路與保護電路、燈殼設計也可做出對應開發選擇,自然可以從需求中找出對應最佳化的產品組態,而不是一昧開發高效率、高亮度、高壽命的產品,導致產品成本過高,無法切入應用市場。

 

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