高亮度LED照明应用开发的技术挑战分析

2011-01-21 11:46:43来源: OFweek半导体照明网

        LED发光效能持续提升,为了达到高亮度的要求,也让单一组件的功率增加不少,尤其是随之而来的运行高热状况,很可能就因为高热问题,使组件的光衰或寿命相对减低,而在组件方面若能在前段制程就考虑散热需求,要比从外在条件进行散热设计要来得更有效率,也能可持续发展更高功率、高亮度的LED组件因应日常照明应用。

  这几年下来,环保议题持续升温,让各种用电的现况出现极大的改变,终端电器就有多项极大的变革,像是CRT电视被LCD TV取代,甚至是大量耗能的白炽灯,也成为各国相继禁用的光源。

  因为观察全球19%电能耗用都是用于照明应用中,若可在日常照明导入节能灯具,对于全球的能源消耗可能产生显着的节约成效,因此,各国政府为了打造更环保的国家形象,也积极透过政策、法规与产业辅导朝照明节能化应用方向发展,而利用原有的LED或是CCFL新式光源设计来取代传统光源,进行日常照明应用,也成为照明产业的重要发展趋势。

  传统光源应用现况

  多数实际应用场合中,仍须大量的高效能、高亮度光源,例如,路灯、卖场照明、商店照明等,需高效能、高亮度的灯具设施,大多采高强度的气体放电式灯具(High-intensity discharge;HID)或卤素灯,以达到高亮度、高照度的应用需求;而在卖场、店家的长时间需求,多半选用荧光灯管(Compact Fluorescent Lamp;CFL);住宅多仍大量使用白炽灯、荧光灯(CFL),或以省电诉求的新式省电灯泡。在众多实际应用场合中,耗能最高、效率最差的光源应以白炽灯为主,因为应用时会让大量电能转换成无用的热,也会让灯具寿命因此降低。

  以具体光源应用观察,日常照明市场所涵盖应用领域相当广,包含建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。若要讨论节能的效益,就必需针对现有的灯具提出科学化的预估的方法,例如以输入功率比与实际输出流明进行效能衡量,目前也多实行每瓦流明数进行预估基准(或能源效率efficacy预估。

  不同照明方案能源效率差距大

  以现有的照明应用观察,白炽灯照明方案的能源效率最差,例如,用60W白炽灯进行照名实,能源效率约为10 lm/W,相较CFL荧光灯具的能源效率就可达50 lm/W。一支100W HID可具有80lm/W,相当于产生8,000流明亮度。

        OFweek半导体照明网:LED发光效能持续提升,为了达到高亮度的要求,也让单一组件的功率增加不少,尤其是随之而来的运行高热状况,很可能就因为高热问题,使组件的光衰或寿命相对减低,而在组件方面若能在前段制程就考虑散热需求,要比从外在条件进行散热设计要来得更有效率,也能可持续发展更高功率、高亮度的LED组件因应日常照明应用。

  这几年下来,环保议题持续升温,让各种用电的现况出现极大的改变,终端电器就有多项极大的变革,像是CRT电视被LCD TV取代,甚至是大量耗能的白炽灯,也成为各国相继禁用的光源。

  因为观察全球19%电能耗用都是用于照明应用中,若可在日常照明导入节能灯具,对于全球的能源消耗可能产生显着的节约成效,因此,各国政府为了打造更环保的国家形象,也积极透过政策、法规与产业辅导朝照明节能化应用方向发展,而利用原有的LED或是CCFL新式光源设计来取代传统光源,进行日常照明应用,也成为照明产业的重要发展趋势。

  传统光源应用现况

  多数实际应用场合中,仍须大量的高效能、高亮度光源,例如,路灯、卖场照明、商店照明等,需高效能、高亮度的灯具设施,大多采高强度的气体放电式灯具(High-intensity discharge;HID)或卤素灯,以达到高亮度、高照度的应用需求;而在卖场、店家的长时间需求,多半选用荧光灯管(Compact Fluorescent Lamp;CFL);住宅多仍大量使用白炽灯、荧光灯(CFL),或以省电诉求的新式省电灯泡。在众多实际应用场合中,耗能最高、效率最差的光源应以白炽灯为主,因为应用时会让大量电能转换成无用的热,也会让灯具寿命因此降低。

  以具体光源应用观察,日常照明市场所涵盖应用领域相当广,包含建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。若要讨论节能的效益,就必需针对现有的灯具提出科学化的预估的方法,例如以输入功率比与实际输出流明进行效能衡量,目前也多实行每瓦流明数进行预估基准(或能源效率efficacy预估。

  不同照明方案能源效率差距大

  以现有的照明应用观察,白炽灯照明方案的能源效率最差,例如,用60W白炽灯进行照名实,能源效率约为10 lm/W,相较CFL荧光灯具的能源效率就可达50 lm/W。一支100W HID可具有80lm/W,相当于产生8,000流明亮度。

  LED光源效能与实用性大幅提升

  LED的特质在于本身就是1个电子零组件,与气体放电式的HID灯具、CFL荧光灯具这类光源,必需以玻璃容器内置高压气体的体积相对更小,不需内填有毒元素,组件本身就设有金属接点,并可焊接安装在任意表面上,便利性相当高。

  LED具备未来光源多项优势,其中节能效益是最受业者关注的重点。

  以往LED因当时技术受限,在亮度无法有效提升,多用于指示性用途的辅助光源,但现在以白光LED为例子,制作方式早已大幅改善,例如,透过高效能蓝光LED镀磷产生近似白光的发光效果,同时大幅提升单一组件的亮度输出,目前白光LED在能源效率已有大幅进展,色温表现4,500~6,000k下,在实验室的测试数据已可达到超越200 lm/W的高效能表现。

  LED属于固态光源组件,在组件的硬度、强度较高,不会如同传统光源因为主要由玻璃制成,会出现怕摔、不耐撞击问题,也可搭配不同荧光粉设计或搭配构型设计,产制各种不同特性的光源效果,整体组件亦不含汞,同时具备超过50,000小时寿命周期,LED寿命较仅能运作1,000小时的白炽灯要高更多。

  导入生活应用仍有关键问题待克服

  由于LED在原器件的物理特性差异,制作光源系统的观念则与传统设计大不相同,需要有更多方面的技术与专业辅助。

  LED灯泡型设计在空间相对紧凑,如何做到相关电路整合,必需靠整合芯片达成设计目标。

  1、光学设计

  LED光源属于高效率的点光源,这种过于集中的光源,在传统应用会有相当多的问题,例如,若当台灯用会造成近距离的光型不够匀称,即便LED具备宽广的色彩调控弹性,能源效率表现也相当不错,但在生活用照明应用时就会影响使用观感,点光源必须透过光学透镜或机构设计(透镜、导光素材)来产生近似传统灯具的光型表现,会增加灯具成本,在紧凑的构型设计中较难突破光学的物理特性。

  2、散热设计

  同样的,延续LED组件本身是点光源的限制,组件在发光时产生的温度会过度集中在单点之上,若没有效处理散热,会致使组件出现烧融,甚至缩短使用寿命!除了组件本身需针对散热强化设计,例如,透过芯片打金线或是载板的设计技术进行改善,达到自体散热设计,即便如此,热源仍会出现有过度集中在灯具点状位置的状况,如何透过外部组件的主动散热与被动散热设计,去改善结点温度控制的处理能力,这就成为相关灯具设计的技术差距。

  3、驱动与控制电路设计

  实际应用时,LED驱动发光仍需要大量电子电路进行辅助,才能达到高效率的目的,但对于一般白炽灯的调光设计,如果也想在新式LED光源上实现,这就必须透过DC直流供电控制进行供电调整,这时若同时考虑能耗与用电效率,会让驱动的电子电路复杂度大幅提升,就的设计很采取大量独立组件造成系统的离散设计问题,让整体省下来的电能反倒在相关电路被消耗掉了。

  目前已有组件厂商采取单芯片的可调光控制IC设计,让灯具业者不用重新开发不同灯具的配合电路,运用现成的解决方案就能达到兼具对比旧式光源的操作体验,也可达到更高效能的节能效益。

  E27型式的LED节能灯泡,功耗仅6瓦。

  4、电源转换电路设计

  LED一般都使采取DC直流驱动,但AC LED在实际应用场合,有更多的应用弹性与优势,因此也是发展LED光源相当重要的一大趋势!尤其是一般生活电力来源均为AC电力,若要快速让LED光源普及于生活应用,发展AC设计的LED产品,是相关应用快速成长的应用关键。

关键字:LED照明  LED光源  LED灯泡  LED组件  LED驱动

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0121/article_2989.html
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