可以有效提高LED照明难度开发的灯具设计

光二极管(LED)稳坐次世代光源主流宝座已无庸置疑，LED在照明除能取代原有照明光源，更有机会发展广泛多元的创新应用，但亦同时伴随在模组、电源设计、安装场所与散热、寿命等必须克服的新挑战。面对LED在照明应用的无限曙光，本文将分享在众多测试案例中的发现，提醒业者必须投入更多的关注在这些安全挑战，才有机会取得竞争地位。 　　高功率LED灯具散热挑战重重 　　随着LED封装技术改进，LED业者亟欲突破亮度障碍，取代高亮度的高强度放电灯源(HID)或白炽灯。 　　LED虽然具有冷光与相对高效率的优势，但与一般传统光源的光热传导途径比较之下，白炽灯的热产生在光传递路径上;LED光源的热则集中在于光传递路径的反侧，在能量守恆定律下，LED的散热设计逐渐变为不可忽视的问题。 　　举例来说，作为舞台投射用途的灯源，无论是电灯或白炽灯，至少要达到200瓦以上，换言之，LED光源虽然仅须约60%的耗电量就能够得到与传统光源相同的亮度，但在过程中，80%的能量却是转换为灯具内部的热源，长久积聚不散的热，将会造成以下几点重要问题： 　　LED光效率降低 　　LED的光来自于半导体中，电子电洞结合过程所产生的光能，因此当周围环境温度升高时，电子与电洞的结构容易因为塬子本身的震动增加，而受到阻碍或是破坏，因此会造成LED光强度的降低。 　　绝缘的破坏 　　当LED灯具因散热设计不佳而造成环境温度上升时，作为安全最后一道防线的绝缘聚合物材料，亦受到热劣化的挑战。 　　一般具有热塑性的聚合物材料，并非处于完全聚合的情况，高温与溼气的环境会促进聚合反应产生逆向反应(也就是裂解)的进行，除会产生变形外，也会产生特性的变化，甚至会产生氧化的问题，绝缘特性也因此受到破坏。 　　以上例来说，在无散热的情况下，100瓦的热积聚，在一小时内就能够将一公升的水加热至近100度，因此高功率LED灯具的挑战，不仅在于将热由LED光源移出，也必须要从灯具移出(图1)，否则长期使用后，不仅是照明效率会下降，灯具本身也是安全堪虑。 　　LED灯泡须要具备散热设计 　　除应用在路灯以外，景观、号誌、标示用照明也是LED的激烈战场。 　　室外用LED灯具的水气与紫外线考验加剧 　　LED的可调色性是其他光源无法企及的优势，因此受到建筑与设计师的青睐，使用LED灯俨然成为城市先进的象徵。 　　可程式化的显示方式，除作为号誌灯的读秒外，更是户外资讯看板的不二选择，儘管受到城市光害的质疑，仍几乎无所不在的应用于大型LED显示屏幕，虽然所费不赀，尺寸却是越来越大。放在室外的LED灯具，相对于室内用灯具，散热环境虽然相对较好，但是水气与紫外线的影响却是额外的考验。 　　水气造成的功能危害 　　水气的积聚，对电子商品功能最大的问题就是造成电路短路与产品生锈。虽然纯水导电度低，但只要加上电解质，导电度就会上升，容易造成短路现象。刚开始短路现象会随水受热蒸发而停止，长久下来，累积在导体上的电解质加上通电时的热作用，就可能破坏绝缘材料，导致永久的短路现象或是迴路的锈蚀。 　　裸露的金属材料如銲点或螺丝、端子也会受到水气的影响产生生锈的情况。一旦发生锈蚀，电阻会提高，或者膨胀的导体也可能彼此连接产生短路，造成安全的危险(图2)。另外有些聚合物材料是透过脱水聚合而成，水气的存在会促使聚合物分解反应的进行，造成聚合物材料的破坏。 　　进行耐环境污染绝缘性的UL746A漏电指数测试（CTI）样品 　　紫外线对外壳材料的破坏 　　阳光含有高能量的紫外光，除会晒伤皮肤外，也足够裂解大多数的聚合物材料，UL研究发现，只要将近1，000小时的连续高强度曝晒，就可能导致材料的机械强度产生足够危险的衰煺，以及劣化材料的耐燃性。 　　下雨天的号誌灯老是故障，户外的LED大型显示幕也往往在阴雨天时出现白线，其实很多时候就是水气的杰作(表1)。 　　大多数设计都是希望透过密封而达到防水的目的，然而，除一体成型的密封外，大多数组装式的密封都会因为持续的热涨冷缩，导致水气因而藉由毛细现象能够渗入到机壳内部，逐渐累积，因此若能採用耐水性的电路材质，加上排水、通风与乾燥的设计，才可防止因为水气累积所造成的问题。 　　至于长久浸泡于水中的灯具，因受到环境温度变化较小，加上水压的帮助，同时可减少紫外线的吸收，密封较易达成，只要採用对水气不敏感的聚合物材料与金属材质，反而相对比较容易维持低水气的状态。 　　LED灯具防爆设计至关重要 　　2011年是爆炸事件频传的一年，因应石油裂解厂等意外造成的庞大人力与物力损伤，劳委会宣告自民国101年起，将针对危险场所使用的灯具、马达、开关箱进行管制，以减少工安的意外，同时也引起灯具业者的注意。 　　传统灯具由于使用时电压与电流较大，或者使用温度较高，很容易在操作的过程中，因为温度过热或开关电弧的产生而成为引爆易燃物的火源，LED具有低电压操作与相对低操作温度的特性，似乎非常适合作为未来的防爆灯具，然而防爆领域却是许多LED与灯具业者所不熟的领域。此外，对于防爆验证的模式与系统更是所知有限。 　　防爆一词其实是过度简化的说法，其实是防止引发爆炸，以及防止受到爆炸而破坏。在国际上有不同的爆炸危险分级系统，主要分为美国电工法规(NEC)定义的系统，与国际电工委员会(IEC)所定义的IECEx系统。因应不同的危险气体与环境，均不能让电器产品因使用或者失效而成为爆炸源。要避免成为爆炸源，就必须注意下列的问题： 　　火花的产生，或者火花与危险物质接触 　　一般有明灭控制的开关，容易因为导体带电的瞬间接触而产生火花或是电弧，或因为更换灯源时金属间互相摩擦产生的火花，这样的电弧或火花，很容易点燃如乙炔等易燃气体。因此灯具的设计，要能避免採用会产生火花的开关，或者必须将开关密封，以免开关过程时产生的火花与易燃气体接触。 　　外壳的设计 　　其能够避免火焰的蔓延，当机体内部因为失效而产生火焰甚至是小型的爆炸时，外壳必须适时地将火焰或是爆炸包覆，让火焰自行熄灭而不至于点燃机体外的易燃气体。为能达到此效果，必须採用相对较为坚硬的外壳与洩压装置，或者要另外以大型透明密封外壳包覆等。 　　除易燃气体以外，粉尘或者甚是木屑、纤维屑等也都是被列为可能引发爆炸起火的危险物质。由于照明设备几乎是所有场所必备的电器用品，在爆炸案或火灾频传的现在，增一分安全就是少一分危害，在上述所列的危险场所换装安全的灯具刻不容缓(表2)。 　　耐用与可靠性决定LED照明寿命 　　2012年的照明展，几乎是LED灯具独占鰲头的局面，除节能之外，更有LED业者喊出持续点亮30年的口号，儘管目前并没有LED寿命的一致性推估标準，面对相对高价的LED灯具，对比于普及化的日光灯照明，更长的使用寿命绝对是LED照明所必须具备的武器。 　　LM-80是目前较为广泛接受的LED光源老化试验方法，LED光源必须在55℃、85℃与105℃叁个不同环境温度下连续点亮6，000小时(将近1 年)，同时还必须要能够保持塬本的光特性，通过这样评估后的灯源，其耐久性不言可喻，然而这样的灯源光特性保持测试，往往并不代表灯具的寿命也是如此，决定灯具寿命还有下列几个因素： 　　灯具的耐用性 　　灯具虽然相对机构简单，但仍由许多元件所构成，提供低压直流电源的变压器就是其中一项重要的元件，也因此是决定灯具寿命的关键之一。 　　虽然大多数的电源直接採用消费电子的低压直流电源，但是以消费电子的短生命週期，是否能够提供灯具长期的连续使用可能就是个问题，目前虽然也没有建立变压器产品的使用年限推估标準，然在太阳光电变频器的长期使用资料下，目前所採用的技术与可接受的成本下，最好的变频器也似乎只有5年的寿命。 　　安全的可靠性 　　除了电路的耐用性以外，长久使用的安全更是另一项挑战，塑料外壳会随着使用操作的环境而逐渐劣化，内部绝缘材料也是如此，无论是绝缘、机械保护或者耐燃特性都会渐渐产生劣化的情况。 　　以业界广泛接受的UL长时间耐热特性的指标RTI(RelativeThermalIndex)评估法为例，在该温度下长期使用10年，塑料的各项特性就会有衰减一半的风险，同理可证，若要能维持更长久的安全，就必须採用更为耐热的塑胶材料。 　　不只人想要长生不老，我们也希望所有的用品都能够持续使用到厌烦为止，在地球只有一个，资源有限的情况下，回收利用能够大幅减少物料的浪费，二手商品的流通也促进环保的推动，同时也减少购买新品的频率。但在购买或者贩售二手商品的同时，残余使用年限与安全保固，也是厂商所必须面临的责任挑战。 　　LED的问世，并不如液晶电视取代映像管那么简单，LED光源的使用弹性，也远远超过塬本灯具的应用範围，并不只是光效率提高与使用时间更长这么简单，虽然可就当成简单换个灯泡，但 LED有更广更大的应用空间，在各式各样的应用条件下，新式灯具并无法简单採用传统灯具的设计，其功能、寿命与安全的设计也都将是新的挑战。