探討LED光源效能及待解決的設(shè)計(jì)問題

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(xiàng)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(guó)相繼禁用的光源。

因?yàn)橛^察全球19%電能耗用都是用于照明應(yīng)用中，若可在日常照明導(dǎo)入節(jié)能燈具，對(duì)于全球的能源消耗可能產(chǎn)生顯著的節(jié)約成效，因此，各國(guó)政府為了打造更環(huán)保的國(guó)家形象，也積極透過政策、法規(guī)與產(chǎn)業(yè)輔導(dǎo)朝照明節(jié)能化應(yīng)用方向發(fā)展，而利用原有的LED或是CCFL新式光源設(shè)計(jì)來取代傳統(tǒng)光源，進(jìn)行日常照明應(yīng)用，也成為照明產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)光源應(yīng)用現(xiàn)況

多數(shù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，仍須大量的高效能、高亮度光源，例如，路燈、賣場(chǎng)照明、商店照明等，需高效能、高亮度的燈具設(shè)施，大多采高強(qiáng)度的氣體放電式燈具(High-intensitydischarge；HID)或鹵素?zé)?，以達(dá)到高亮度、高照度的應(yīng)用需求；而在賣場(chǎng)、店家的長(zhǎng)時(shí)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，耗能最高、效率最差的光源應(yīng)以白熾燈為主，因?yàn)閼?yīng)用時(shí)會(huì)讓大量電能轉(zhuǎn)換成無用的熱，也會(huì)讓燈具壽命因此降低。

以具體光源應(yīng)用觀察，日常照明市場(chǎng)所涵蓋應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣，包含建筑物照明、標(biāo)志、景觀照明、零售、信號(hào)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(duì)現(xiàn)有的燈具提出科學(xué)化的評(píng)估的方法，例如以輸入功率比與實(shí)際輸出流明進(jìn)行效能衡量，目前也多實(shí)行每瓦流明數(shù)進(jìn)行評(píng)估基準(zhǔn)(或能源效率efficacy)評(píng)估。

不同照明方案能源效率差距大

以現(xiàn)有的照明應(yīng)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(jìn)行照名實(shí)，能源效率約為10lm/W，相較CFL熒光燈具的能源效率就可達(dá)50lm/W。一支100WHID可具有80lm/W，相當(dāng)于產(chǎn)生8,000流明亮度。

LED光源效能與實(shí)用性大幅提升

LED的特質(zhì)在于本身就是1個(gè)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(nèi)置高壓氣體的體積相對(duì)更小，不需內(nèi)填有毒元素，組件本身就設(shè)有金屬接點(diǎn)，并可焊接安裝在任意表面上，便利性相當(dāng)高。

LED具備未來光源多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，其中節(jié)能效益是最受業(yè)者關(guān)注的重點(diǎn)。

以往LED因當(dāng)時(shí)技術(shù)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(lán)光LED鍍磷產(chǎn)生近似白光的發(fā)光效果，同時(shí)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(jìn)展，色溫表現(xiàn)4,500～6,000k下，在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)已可達(dá)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(qiáng)度較高，不會(huì)如同傳統(tǒng)光源因?yàn)橹饕刹Ａе瞥?，?huì)出現(xiàn)怕摔、不耐撞擊問題，也可搭配不同熒光粉設(shè)計(jì)或搭配構(gòu)型設(shè)計(jì)，產(chǎn)制各種不同特性的光源效果，整體組件亦不含汞，同時(shí)具備超過50,000小時(shí)壽命周期，LED壽命較僅能運(yùn)作1,000小時(shí)的白熾燈要高更多。

導(dǎo)入生活應(yīng)用仍有關(guān)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(shè)計(jì)大不相同，需要有更多方面的技術(shù)與專業(yè)輔助。

LED燈泡型設(shè)計(jì)在空間相對(duì)緊湊，如何做到相關(guān)電路整合，必需靠整合芯片達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1、光學(xué)設(shè)計(jì)

LED光源屬于高效率的點(diǎn)光源，這種過于集中的光源，在傳統(tǒng)應(yīng)用會(huì)有相當(dāng)多的問題，例如，若當(dāng)臺(tái)燈用會(huì)造成近距離的光型不夠勻稱，即便LED具備寬廣的色彩調(diào)控彈性，能源效率表現(xiàn)也相當(dāng)不錯(cuò)，但在生活用照明應(yīng)用時(shí)就會(huì)影響使用觀感，點(diǎn)光源必須透過光學(xué)透鏡或機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(透鏡、導(dǎo)光素材)來產(chǎn)生近似傳統(tǒng)燈具的光型表現(xiàn)，會(huì)增加燈具成本，在緊湊的構(gòu)型設(shè)計(jì)中較難突破光學(xué)的物理特性。

2、散熱設(shè)計(jì)

同樣的，延續(xù)LED組件本身是點(diǎn)光源的限制，組件在發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的溫度會(huì)過度集中在單點(diǎn)之上，若沒有效處理散熱，會(huì)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(duì)散熱強(qiáng)化設(shè)計(jì)，例如，透過芯片打金線或是載板的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行改善，達(dá)到自體散熱設(shè)計(jì)，即便如此，熱源仍會(huì)出現(xiàn)有過度集中在燈具點(diǎn)狀位置的狀況，如何透過外部組件的主動(dòng)散熱與被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)，去改善結(jié)點(diǎn)溫度控制的處理能力，這就成為相關(guān)燈具設(shè)計(jì)的技術(shù)差距。

3、驅(qū)動(dòng)與控制電路設(shè)計(jì)　　

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)發(fā)光仍需要大量電子電路進(jìn)行輔助，才能達(dá)到高效率的目的，但對(duì)于一般白熾燈的調(diào)光設(shè)計(jì)，如果也想在新式LED光源上實(shí)現(xiàn)，這就必須透過DC直流供電控制進(jìn)行供電調(diào)整，這時(shí)若同時(shí)考慮能耗與用電效率，會(huì)讓驅(qū)動(dòng)的電子電路復(fù)雜度大幅提升，就的設(shè)計(jì)很采取大量獨(dú)立組件造成系統(tǒng)的離散設(shè)計(jì)問題，讓整體省下來的電能反倒在相關(guān)電路被消耗掉了。

目前已有組件廠商采取單芯片的可調(diào)光控制IC設(shè)計(jì)，讓燈具業(yè)者不用重新開發(fā)不同燈具的配合電路，運(yùn)用現(xiàn)成的解決方案就能達(dá)到兼具對(duì)比舊式光源的操作體驗(yàn)，也可達(dá)到更高效能的節(jié)能效益。

4、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

LED一般都使采取DC直流驅(qū)動(dòng)，但ACLED在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，有更多的應(yīng)用彈性與優(yōu)勢(shì)，因此也是發(fā)展LED光源相當(dāng)重要的一大趨勢(shì)！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(yīng)用，發(fā)展AC設(shè)計(jì)的LED產(chǎn)品，是相關(guān)應(yīng)用快速成長(zhǎng)的應(yīng)用關(guān)鍵。