節(jié)能、壽命與轉(zhuǎn)換效率成LED路燈的方向改善

一般用來(lái)評(píng)估LED照明系統(tǒng)，多會(huì)以可靠度與使用壽命來(lái)進(jìn)行檢視，尤其是在路燈型的公共設(shè)施導(dǎo)入方面，為了實(shí)現(xiàn)具低耗電量的LED光源路燈設(shè)施，在LED的元件、照明控制系統(tǒng)與燈具設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)都需要達(dá)到高可靠性與高光通量輸出要求…

LED路燈設(shè)計(jì)并不如家用照明光源單純，因?yàn)長(zhǎng)ED路燈的使用環(huán)境較為惡劣，設(shè)置于戶外需能耐受強(qiáng)風(fēng)、早/晚巨幅溫差，為達(dá)到照明目的元件的發(fā)光效能還有高光通量要求，不只是照明系統(tǒng)本身需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，搭配的驅(qū)動(dòng)電路、燈殼、散熱設(shè)計(jì)等，都必須搭配達(dá)到最終的產(chǎn)品審核要求，才能達(dá)到高可靠度、長(zhǎng)使用壽命的設(shè)計(jì)目的。

LED發(fā)光元件快速發(fā)展 單位元件亮度大幅提升

現(xiàn)有LED在晶粒、封裝技術(shù)已有突破性發(fā)展，單一元件的發(fā)光效率極高、壽命長(zhǎng)，尺寸也越來(lái)越小，加上數(shù)碼驅(qū)動(dòng)回路控制亦可達(dá)到如同傳統(tǒng)燈具的調(diào)光應(yīng)用需求，凸顯其在照明應(yīng)用市場(chǎng)極大的成長(zhǎng)潛力，加上各國(guó)基于環(huán)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(tǒng)低效照明光源已經(jīng)是指日可待的狀況。

然而，市場(chǎng)的LED照明產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，部分低價(jià)產(chǎn)品演色性表現(xiàn)不佳，或忽視LED應(yīng)有的可靠度、長(zhǎng)壽命表現(xiàn)，影響使用者信心，對(duì)于不良的光學(xué)設(shè)計(jì)，也會(huì)使得LED照明狀態(tài)不若傳統(tǒng)光源照明來(lái)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(shè)施為使用者天天都會(huì)接觸的照明設(shè)施，若發(fā)生演色性變異或是亮度明顯不足，也會(huì)令使用者對(duì)LED公眾照明的實(shí)用性存疑。

路燈改換LED光源 可大幅節(jié)約能源損耗

一般在道路或隧道等LED照明照明應(yīng)用場(chǎng)合中，會(huì)將路燈的LED光效定義在每盞每瓦85流明或更高，若以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行功能建構(gòu)，將可以發(fā)現(xiàn)LED光源技術(shù)制成的路燈、公眾照明設(shè)施，其能耗將遠(yuǎn)低于白熾燈、氙氣燈、鹵素?zé)舻雀吡炼葌鹘y(tǒng)光源燈具所使用的能耗，雖然能耗方面大幅勝出，但實(shí)際上LED光源作為路燈使用，仍會(huì)碰到可靠性、光衰率(使用壽命)影響。

先來(lái)了解LED的可靠性如何定義，一般來(lái)說(shuō)，可靠性指的是在單位時(shí)間、條件下產(chǎn)品執(zhí)行其目標(biāo)功能的能力，觀察LED光源燈具的故障原因主要分幾種狀態(tài)，一種是嚴(yán)重的損壞故障，這代表LED光源系統(tǒng)整個(gè)無(wú)法使用的嚴(yán)重?fù)p毀，另一種是LED光源的光源參數(shù)出現(xiàn)狀況，影響其運(yùn)行效能，也就是說(shuō)LED正常狀態(tài)下的光通量表現(xiàn)，若出現(xiàn)低于系統(tǒng)初始值的70%以下，就屬于參數(shù)型故障，不管是參數(shù)型或是嚴(yán)重故障現(xiàn)象，都代表LED光源路燈已經(jīng)無(wú)法勝任照明任務(wù)，必須維修或更換，而可靠度偏低則會(huì)增加維護(hù)與整修成本，并無(wú)法充分獲得LED的長(zhǎng)壽命效益。

分析LED光源故障原因 元件質(zhì)量是第一關(guān)

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(fā)生在產(chǎn)品初期運(yùn)行期間，此外可能就是隨機(jī)的元件故障導(dǎo)致，另隨著運(yùn)行時(shí)間拉長(zhǎng)也會(huì)逐漸產(chǎn)生耗損性故障現(xiàn)象。多數(shù)的初期故障，會(huì)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(dǎo)致，發(fā)生的原因相當(dāng)多，可以是靜電或是超載的電流，或是上料時(shí)的機(jī)械應(yīng)力造成元件的結(jié)構(gòu)損壞所導(dǎo)致，這類問(wèn)題都能在產(chǎn)品上機(jī)后5～10小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)并查錯(cuò)改善。

至于隨著使用時(shí)間拉長(zhǎng)產(chǎn)生的材料耗損型態(tài)故障，雖說(shuō)是材料必經(jīng)的過(guò)程，但也是有跡可循，觀察LED光輸出衰減的參數(shù)可由光通量與顏色座標(biāo)等參數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)估，LED光通量即光的輸出量，LED一般可維持50，000小時(shí)的運(yùn)行壽命，但光通量表現(xiàn)會(huì)隨著使用時(shí)間漸長(zhǎng)而衰減，而當(dāng)LED光通量衰減到標(biāo)示值的70%的使用時(shí)間，就是LED的L70參數(shù)。由于經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用造成的耗損與元件老化對(duì)于評(píng)估元件表現(xiàn)相當(dāng)重要，當(dāng)一定數(shù)量LED達(dá)到L70累計(jì)至整體數(shù)量的一半時(shí)，此段時(shí)間區(qū)間即為L(zhǎng)70/B50，此即代表LED使用壽命的關(guān)鍵數(shù)據(jù)圖表。

使用者對(duì)LED光源壽命期待高

針對(duì)Energy Star(能源之星)對(duì)于室外LED照明燈具的壽命要求定義為35，000小時(shí)，即便LED發(fā)光元件的L70/B50的使用壽命可以達(dá)到50，000小時(shí)，但因?yàn)樵旧淼墓馑ケ憩F(xiàn)受影響的因素相當(dāng)多，象是封閉的燈殼或是散熱不佳的運(yùn)行環(huán)境，甚至是漏電短路的驅(qū)動(dòng)電路等，都有可能讓LED發(fā)光元件提早進(jìn)入光衰期，影響其耐用度。

以現(xiàn)有的LED燈具制造工藝，其實(shí)已有相當(dāng)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(shuō)是左右可靠性的關(guān)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(jìn)行封裝，不只可在散熱性獲得極佳表現(xiàn)，也是在熱導(dǎo)性與相關(guān)參數(shù)表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的封裝技術(shù)。此外，封裝尺寸也在逐步減小，目前10～13W驅(qū)動(dòng)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(huán)境惡劣 考驗(yàn)燈殼防水、防塵與散熱設(shè)計(jì)

但現(xiàn)實(shí)的狀況與情境是，LED路燈設(shè)置環(huán)境為戶外或是隧道，燈具會(huì)深受汽車廢氣、酸雨侵蝕，腐蝕性的氣體將會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)故障，在LED的封裝過(guò)程中，利用鍍銀材料來(lái)充作反光使用，但實(shí)際上銀材質(zhì)反而容易與酸性、腐蝕氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而趨于變黑，如此一來(lái)即直接影響了LED光源路燈的光通量表現(xiàn)，原有的鍍銀處理應(yīng)改用耐腐蝕的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改善，減緩其材料腐蝕變黑造成的光通量輸出下滑問(wèn)題。

除LED元件本身的改善外，在燈殼的設(shè)計(jì)也是整體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，因?yàn)楫a(chǎn)品的強(qiáng)固表現(xiàn)就看燈殼的防水、防塵與散熱效果，一般路燈會(huì)采用兩件式或是三件式組構(gòu)而成，利用少量的組構(gòu)件與扣件強(qiáng)化整體燈具的強(qiáng)固程度，在鑲嵌燈罩玻璃周邊也會(huì)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(huì)采用橡膠防水處理。燈殼基本上也需擔(dān)負(fù)自體散熱需求，一般會(huì)將LED發(fā)光模塊與金屬燈殼貼合組構(gòu)，讓發(fā)光的同時(shí)也可透過(guò)金屬導(dǎo)熱特性將LED產(chǎn)生的熱源散到燈殼外，部分設(shè)計(jì)還可追加主動(dòng)散熱系統(tǒng)，以協(xié)助燈具進(jìn)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(wèn)題也必須考慮在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，基本上只要采行高可靠性的LED發(fā)光元件，即可解決一大半的產(chǎn)品故障問(wèn)題，其次就是如何改善灰塵侵入燈殼而因?yàn)闊魵こ睗駥?dǎo)致照明設(shè)備短路毀損。利用較佳的LED元件搭配高可靠度的照明系統(tǒng)集成，LED照明路燈設(shè)施自然可以發(fā)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(jīng)濟(jì)、最具效益的方式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)以約8公尺寬的雙車道來(lái)說(shuō)，約每20～25公尺設(shè)置一盞路燈，路燈的夜間照明需求僅需要10 lx即夠用，超過(guò)10 lx的光源設(shè)計(jì)基本上都是一種能源上的浪費(fèi)，以此需求回推，在設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的路燈LED光源需求，便能掌握所需要的光源驅(qū)動(dòng)功率、LED型式與數(shù)量，另驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路、燈殼設(shè)計(jì)也可做出對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)選擇，自然可以從需求中找出對(duì)應(yīng)最佳化的產(chǎn)品組態(tài)，而不是一昧開(kāi)發(fā)高效率、高亮度、高壽命的產(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品成本過(guò)高，無(wú)法切入應(yīng)用市場(chǎng)。