【導(dǎo)讀】針對(duì)路燈、街燈產(chǎn)品,與一般居家使用的生活照明應(yīng)用不同,路燈、街燈的設(shè)置環(huán)境條件相對(duì)較差,不只需有較高的抗候條件,還必須具備防水、防塵、防銹蝕...等較高等級(jí)防護(hù)要求。而現(xiàn)有路燈、街燈會(huì)有部分產(chǎn)品產(chǎn)生無(wú)法通過(guò)認(rèn)證的問(wèn)題,不只要花大量時(shí)間、資源改善設(shè)計(jì),也必須進(jìn)行持續(xù)產(chǎn)品調(diào)校,必須在設(shè)計(jì)起始時(shí)就開(kāi)始將產(chǎn)品要求與測(cè)試方法確認(rèn)。
LED發(fā)光二極管,具備體積小、效率高,尤其是發(fā)光效能,在關(guān)鍵元件LED的封裝、基版、光學(xué)封裝材料各方面持續(xù)改善、精進(jìn),目前可量產(chǎn)的LED元件,白光產(chǎn)品可做到200~300lm表現(xiàn),但發(fā)展路燈、街燈產(chǎn)品不光需考量照明效能,反而是燈具的穩(wěn)定性、壽命、能源使用效率...
LED關(guān)鍵發(fā)光元件性能持續(xù)提升 為開(kāi)發(fā)照明燈具奠定基石
以現(xiàn)有的LED元件來(lái)說(shuō),已有多種方案可以將元件的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng),例如,在封裝材料的改善使用更高透光的光學(xué)等級(jí)材料,或是使用涂有防反射表面處理的設(shè)計(jì),讓透鏡減少二次反射問(wèn)題,讓整體光輸出能力更為強(qiáng)化而不會(huì)因?yàn)椴牧喜町惓霈F(xiàn)性能減損。此外,在光學(xué)特性的改善方面,封裝材料也可以強(qiáng)化聚光性,讓芯片本身的發(fā)光效用集中至元件上方而非過(guò)度泛射,影響產(chǎn)品測(cè)試的光通量表現(xiàn),或是需要在燈具使用高成本的二次光學(xué)材料或反射罩,增加產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。
而現(xiàn)有LED元件的芯片、封裝材料等關(guān)鍵技術(shù),在歐、美、日廠商已有量產(chǎn)高亮度元件產(chǎn)品,不管是使用多芯片封裝或特殊設(shè)計(jì)方案,至少在關(guān)鍵發(fā)光材料的選擇上較以往更多元,在性能表現(xiàn)上早已超越傳統(tǒng)最高效率之HID光源(發(fā)光效率90~110lm/W),這已可解決現(xiàn)有LED照明燈具在總體光效能不足的產(chǎn)品問(wèn)題,也能滿足街道照明所要求的壽命、亮度、光衰基本要求。
關(guān)鍵材料性能表現(xiàn)佳 設(shè)計(jì)燈具需考量多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)
而在關(guān)鍵元件的改善方面,已足以讓產(chǎn)品的性能有跳躍性的改善,反而在燈具的驗(yàn)證方面,例如,穩(wěn)定性、光衰、散熱、安全性、抗候能力方面,必須利用不同的針對(duì)性對(duì)策來(lái)改善產(chǎn)品性能與表現(xiàn)。
但在發(fā)光材料選擇上,LED元件不能只看發(fā)光效率指標(biāo),同時(shí)也須一并評(píng)估元件的溫升、壽命表現(xiàn)等關(guān)鍵相關(guān)指標(biāo),檢視CREE或OSRAM的產(chǎn)品規(guī)格資料會(huì)發(fā)現(xiàn),在LED發(fā)光元件必須檢視芯片PN接面的工作溫度(Tj)必須小于75~85度,這可確認(rèn)當(dāng)發(fā)光效率在高過(guò)85%時(shí),元件的工作效率仍可達(dá)到50,000小時(shí)水平,但實(shí)際上發(fā)光元件的工作溫度(Tj)若每升高10度,一般即會(huì)產(chǎn)生5%上下的光衰,同時(shí)LED元件壽命也會(huì)因此減半,因此在燈具設(shè)計(jì)方面,必須特別在散熱重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)改善,透過(guò)抑制溫升達(dá)到減緩光衰產(chǎn)生,同時(shí)也可維持LED照明產(chǎn)品應(yīng)有的壽命表現(xiàn)。
[page]
燈具散熱設(shè)計(jì)方案 直接左右產(chǎn)品壽命與光衰表現(xiàn)
而在路燈、街燈設(shè)計(jì)方案中,在產(chǎn)品溫度的相關(guān)規(guī)定,可以參考臺(tái)灣LED道路燈具規(guī)范CNS15233規(guī)范,一般來(lái)說(shuō)在耐久性測(cè)試環(huán)境溫度會(huì)在50°C下進(jìn)行,一般為了避免燈具動(dòng)不動(dòng)就超過(guò)85°C水平,會(huì)將工作溫度定在70~75°C左右,讓燈具具備至少有10°C的溫升空間,避免因?yàn)榄h(huán)境下機(jī)箱內(nèi)溫升問(wèn)題造成關(guān)鍵元件的壽命減損或是光衰現(xiàn)象提早發(fā)生,影響路燈、街燈的產(chǎn)品導(dǎo)入效益。
而在LED路燈的設(shè)置環(huán)境,多半是屬于空曠的街道路邊,在運(yùn)行過(guò)程雖然日間不需提供照明服務(wù),但實(shí)際上夜間照明時(shí),因?yàn)槁窡簟⒔譄羧皂毦邆湟欢ǔ潭鹊姆浪?、防塵特性,這會(huì)使得燈具本身的密閉性偏高,造成散熱設(shè)計(jì)的難度提升。
一般電子設(shè)備在處理高量的散熱需求時(shí),在熱傳/散熱設(shè)計(jì)方案有針對(duì)小功率產(chǎn)品應(yīng)用的自然散熱方案,可以透過(guò)金屬燈罩本身的材料進(jìn)行傳導(dǎo)散熱,但前提必須是燈具本身的亮度與使用LED的材料特性、驅(qū)動(dòng)方式可以達(dá)到僅在合理的額定溫度下運(yùn)行,搭配金屬燈殼提供的自然散熱處理內(nèi)部的溫升問(wèn)題。
自然散熱法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 但增加燈具體積、重量
使用自然散熱方案,必須使用大量的高導(dǎo)熱金屬材料,例如,使用大量鋁合金材料制作燈殼、散熱片等,藉此擴(kuò)大燈具的表面熱交換面積,這種設(shè)計(jì)方案將會(huì)導(dǎo)致燈殼動(dòng)輒達(dá)到20公斤,不只是金屬加工在模具、二次加工處理等燈具制作成本大增,因?yàn)槁窡?、街燈都需要高空懸掛,這么重的材料懸掛高空,也會(huì)產(chǎn)生安全與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疑慮。
基本上使用自然散熱的設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用越重、越大的金屬面積來(lái)進(jìn)行散熱,方案是實(shí)際可行且容易設(shè)計(jì),效果也還不錯(cuò)。比較新穎的做法是搭配熱導(dǎo)管,將燈具的重點(diǎn)高溫區(qū)塊快速將重點(diǎn)區(qū)域的溫度散逸到整個(gè)金屬燈罩,藉由燈罩的整體表面空間進(jìn)行熱交換處理,但使用熱回路或熱導(dǎo)管僅能分散導(dǎo)熱,僅可解決過(guò)度集中的熱問(wèn)題,實(shí)際上燈具所需花在散熱上的金屬材料,并無(wú)法因此得到減省,使用此一散熱方案設(shè)計(jì)的街燈、路燈,仍有燈殼體積過(guò)大、過(guò)重的設(shè)計(jì)疑慮。
主動(dòng)式散熱設(shè)計(jì)方案成本高 同時(shí)需考量耐用性
至于另一個(gè)方案是采行更有效的強(qiáng)制氣冷、風(fēng)扇氣冷設(shè)計(jì)方案,以達(dá)到更高效率的散熱效果,例如,采行工業(yè)級(jí)冷氣機(jī)空調(diào)散熱處理,或如同計(jì)算機(jī)處理器型態(tài)的主動(dòng)強(qiáng)制散熱方案。一般具備高效能、軍事用途規(guī)格的散熱風(fēng)扇,使用壽命可達(dá)到70,000小時(shí),風(fēng)扇本體可具備IP65防水、防塵防護(hù)等級(jí),如果搭配熱導(dǎo)管、鋁擠型散熱、鋁鰭片設(shè)計(jì)方案,集成燈殼造型的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),在散熱處理上其燈殼體積、重量會(huì)較自然散熱法所使用的大幅減省,對(duì)于LED關(guān)鍵元件的壽命與光衰控制,也會(huì)有更好的成果。
路燈、街燈在設(shè)計(jì)過(guò)程中,也必須追加抗鹽霧環(huán)境測(cè)試,一般產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)20,000小時(shí)測(cè)試確認(rèn)可以達(dá)到光衰低于10%,外觀、狀況維持一定程度狀態(tài)。而路燈、街燈設(shè)置,先前也提過(guò)屬于較嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境,不只會(huì)有風(fēng)吹、雨打,以及入塵與石化燃料廢氣、空氣中的酸性污染物...等,這些都會(huì)造成燈具的外殼損壞,尤其是空氣中的懸浮灰塵、重力落塵堆積在燈殼的散熱結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)造成熱持續(xù)累積無(wú)法散逸,嚴(yán)重一點(diǎn)還會(huì)造成LED路燈故障、燒毀。