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如何执行提高LED照明开发难度的灯具设计

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如何执行提高LED照明开发难度的灯具设计

发布日期:2017-06-02 作者: 点击:

摘抄:

如何执行提高LED照明开发难度的灯具设计

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。

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图1 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。

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 图2 进行耐环境污染绝缘性的UL 746A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)。


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 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 - 如何执行提高LED照明开发难度的灯具设计

来源:互联网 作者:秩名2013年02月22日 15:40 0 分享 QQ空间 新浪微博 腾讯微博 人人网 [导读] 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 关键词:LED灯具LED


  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)。


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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 (Relative Thermal Index)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。


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