LED發光二極體,具備體積小、效率高,尤其是發光效能,在關鍵元件LED的封裝、基版、光學封裝材料各方面持續改善、精進,目前可量產的LED元件,白光產品可做到200~300lm表現,但發展路燈、街燈產品不光需考量照明效能,反而是燈具的穩定性、壽命、能源使用效率...


針對路燈、街燈產品,與一般居家使用的生活照明應用不同,路燈、街燈的設置環境條件相對較差,不只需有較高的抗候條件,還必須具備防水、防塵、防鏽蝕...等較高等級防護要求。而現有路燈、街燈會有部分產品產生無法通過認證的問題,不只要花大量時間、資源改善設計,也必須進行持續產品調校,必須在設計起始時就開始將產品要求與測試方法確認。

 
採自然散熱設計方案,需注意燈具重量,為求結構強度提升也會使成本增加。ShaanXi Angile LED Lighting
 
   
LED街燈、路燈可利用燈殼金屬材料壓鑄或鋁擠工法,增加燈殼表面的散熱面積。DSD Lighting&Electronics
 


LED關鍵發光元件性能持續提升 為開發照明燈具奠定基石

以現有的LED元件來說,已有多種方案可以將元件的發光強度增強,例如,在封裝材料的改善使用更高透光的光學等級材料,或是使用塗有防反射表面處理的設計,讓透鏡減少二次反射問題,讓整體光輸出能力更為強化而不會因為材料差異出現性能減損。此外,在光學特性的改善方面,封裝材料也可以強化聚光性,讓晶片本身的發光效用集中至元件上方而非過度泛射,影響產品測試的光通量表現,或是需要在燈具使用高成本的二次光學材料或反射罩,增加產品的開發成本。

而現有LED元件的晶片、封裝材料等關鍵技術,在歐、美、日廠商已有量產高亮度元件產品,不管是使用多晶片封裝或特殊設計方案,至少在關鍵發光材料的選擇上較以往更多元,在性能表現上早已超越傳統最高效率之HID光源(發光效率90~110lm/W),這已可解決現有LED照明燈具在總體光效能不足的產品問題,也能滿足街道照明所要求的壽命、亮度、光衰基本要求。


關鍵材料性能表現佳 設計燈具需考量多項關鍵參數

而在關鍵元件的改善方面,已足以讓產品的性能有跳躍性的改善,反而在燈具的驗證方面,例如,穩定性、光衰、散熱、安全性、抗候能力方面,必須利用不同的針對性對策來改善產品性能與表現。

但在發光材料選擇上,LED元件不能只看發光效率指標,同時也須一併評估元件的溫升、壽命表現等關鍵相關指標,檢視CREE或OSRAM的產品規格資料會發現,在LED發光元件必須檢視晶片PN接面的工作溫度(Tj)必須小於75~85度,這可確認當發光效率在高過85%時,元件的工作效率仍可達到50,000小時水準,但實際上發光元件的工作溫度(Tj)若每升高10度,一般即會產生5%上下的光衰,同時LED元件壽命也會因此減半,因此在燈具設計方面,必須特別在散熱重點進行設計改善,透過抑制溫升達到減緩光衰產生,同時也可維持LED照明產品應有的壽命表現。


燈具散熱設計方案 直接左右產品壽命與光衰表現

而在路燈、街燈設計方案中,在產品溫度的相關規定,可以參考台灣LED道路燈具規範CNS15233規範,一般來說在耐久性測試環境溫度會在50°C下進行,一般為了避免燈具動不動就超過85°C水準,會將工作溫度定在70~75°C左右,讓燈具具備至少有10°C的溫升空間,避免因為環境下機殼內溫升問題造成關鍵元件的壽命減損或是光衰現象提早發生,影響路燈、街燈的產品導入效益。

而在LED路燈的設置環境,多半是屬於空曠的街道路邊,在運行過程雖然日間不需提供照明服務,但實際上夜間照明時,因為路燈、街燈仍須具備一定程度的防水、防塵特性,這會使得燈具本身的密閉性偏高,造成散熱設計的難度提升。

一般電子設備在處理高量的散熱需求時,在熱傳/散熱設計方案有針對小功率產品應用的自然散熱方案,可以透過金屬燈罩本身的材料進行傳導散熱,但前提必須是燈具本身的亮度與使用LED的材料特性、驅動方式可以達到僅在合理的額定溫度下運行,搭配金屬燈殼提供的自然散熱處理內部的溫升問題。


自然散熱法設計簡單 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熱金屬材料,例如,使用大量鋁合金材料製作燈殼、散熱片等,藉此擴大燈具的表面熱交換面積,這種設計方案將會導致燈殼動輒達到20公斤,不只是金屬加工在模具、二次加工處理等燈具製作成本大增,因為路燈、街燈都需要高空懸掛,這麼重的材料懸掛高空,也會產生安全與結構強度疑慮。

基本上使用自然散熱的設計方案,應用越重、越大的金屬面積來進行散熱,方案是實際可行且容易設計,效果也還不錯。比較新穎的做法是搭配熱導管,將燈具的重點高溫區塊快速將重點區域的溫度散逸到整個金屬燈罩,藉由燈罩的整體表面空間進行熱交換處理,但使用熱迴路或熱導管僅能分散導熱,僅可解決過度集中的熱問題,實際上燈具所需花在散熱上的金屬材料,並無法因此得到減省,使用此一散熱方案設計的街燈、路燈,仍有燈殼體積過大、過重的設計疑慮。


主動式散熱設計方案成本高 同時需考量耐用性

至於另一個方案是採行更有效的強制氣冷、風扇氣冷設計方案,以達到更高效率的散熱效果,例如,採行工業級冷氣機空調散熱處理,或如同電腦處理器型態的主動強制散熱方案。一般具備高效能、軍事用途規格的散熱風扇,使用壽命可達到70,000小時,風扇本體可具備IP65防水、防塵防護等級,如果搭配熱導管、鋁擠型散熱、鋁鰭片設計方案,整合燈殼造型的機構設計,在散熱處理上其燈殼體積、重量會較自然散熱法所使用的大幅減省,對於LED關鍵元件的壽命與光衰控制,也會有更好的成果。

路燈、街燈在設計過程中,也必須追加抗鹽霧環境測試,一般產品需要經過20,000小時測試確認可以達到光衰低於10%,外觀、狀況維持一定程度狀態。而路燈、街燈設置,先前也提過屬於較嚴苛的應用環境,不只會有風吹、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構時,會造成熱持續累積無法散逸,嚴重一點還會造成LED路燈故障、燒毀。

DIGITIMES中文網 原文網址: LED路燈、街燈可靠性提升需在元件光衰、散熱多方改善著手 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&cat=150&id=0000313617_XBQ55MY124K1BS64S5DE3&ct=1#ixzz2DZoox1OH

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