探討LED光源效能及待解決的設計問題

這幾年下來，環(huán)保議題持續(xù)升溫，讓各種用電的現(xiàn)況出現(xiàn)極大的改變，終端電器就有多項極大的變革，像是CRT電視被LCDTV取代，甚至是大量耗能的白熾燈，也成為各國相繼禁用的光源。

因為觀察全球19%電能耗用都是用于照明應用中，若可在日常照明導入節(jié)能燈具，對于全球的能源消耗可能產(chǎn)生顯著的節(jié)約成效，因此，各國政府為了打造更環(huán)保的國家形象，也積極透過政策、法規(guī)與產(chǎn)業(yè)輔導朝照明節(jié)能化應用方向發(fā)展，而利用原有的LED或是CCFL新式光源設計來取代傳統(tǒng)光源，進行日常照明應用，也成為照明產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)光源應用現(xiàn)況

多數(shù)實際應用場合中，仍須大量的高效能、高亮度光源，例如，路燈、賣場照明、商店照明等，需高效能、高亮度的燈具設施，大多采高強度的氣體放電式燈具(High-intensitydischarge；HID)或鹵素燈，以達到高亮度、高照度的應用需求；而在賣場、店家的長時間需求，多半選用熒光燈管(CompactFluorescentLamp；CFL)；住宅多仍大量使用白熾燈、熒光燈(CFL)，或以省電訴求的新式省電燈泡。在眾多實際應用場合中，耗能最高、效率最差的光源應以白熾燈為主，因為應用時會讓大量電能轉換成無用的熱，也會讓燈具壽命因此降低。

以具體光源應用觀察，日常照明市場所涵蓋應用領域相當廣，包含建筑物照明、標志、景觀照明、零售、信號燈、街道照明和住宅照明等。若要討論節(jié)能的效益，就必需針對現(xiàn)有的燈具提出科學化的評估的方法，例如以輸入功率比與實際輸出流明進行效能衡量，目前也多實行每瓦流明數(shù)進行評估基準(或能源效率efficacy)評估。

不同照明方案能源效率差距大

以現(xiàn)有的照明應用觀察，白熾燈照明方案的能源效率最差，例如，用60W白熾燈進行照名實，能源效率約為10lm/W，相較CFL熒光燈具的能源效率就可達50lm/W。一支100WHID可具有80lm/W，相當于產(chǎn)生8,000流明亮度。

LED光源效能與實用性大幅提升

LED的特質在于本身就是1個電子零組件，與氣體放電式的HID燈具、CFL熒光燈具這類光源，必需以玻璃容器內(nèi)置高壓氣體的體積相對更小，不需內(nèi)填有毒元素，組件本身就設有金屬接點，并可焊接安裝在任意表面上，便利性相當高。

LED具備未來光源多項優(yōu)勢，其中節(jié)能效益是最受業(yè)者關注的重點。

以往LED因當時技術受限，在亮度無法有效提升，多用于指示性用途的輔助光源，但現(xiàn)在以白光LED為例子，制作方式早已大幅改善，例如，透過高效能藍光LED鍍磷產(chǎn)生近似白光的發(fā)光效果，同時大幅提升單一組件的亮度輸出，目前白光LED在能源效率已有大幅進展，色溫表現(xiàn)4,500～6,000k下，在實驗室的測試數(shù)據(jù)已可達到超越200lm/W的高效能表現(xiàn)。

LED屬于固態(tài)光源組件，在組件的硬度、強度較高，不會如同傳統(tǒng)光源因為主要由玻璃制成，會出現(xiàn)怕摔、不耐撞擊問題，也可搭配不同熒光粉設計或搭配構型設計，產(chǎn)制各種不同特性的光源效果，整體組件亦不含汞，同時具備超過50,000小時壽命周期，LED壽命較僅能運作1,000小時的白熾燈要高更多。

導入生活應用仍有關鍵問題待克服

由于LED在原器件的物理特性差異，制作光源系統(tǒng)的觀念則與傳統(tǒng)設計大不相同，需要有更多方面的技術與專業(yè)輔助。

LED燈泡型設計在空間相對緊湊，如何做到相關電路整合，必需靠整合芯片達成設計目標。

1、光學設計

LED光源屬于高效率的點光源，這種過于集中的光源，在傳統(tǒng)應用會有相當多的問題，例如，若當臺燈用會造成近距離的光型不夠勻稱，即便LED具備寬廣的色彩調(diào)控彈性，能源效率表現(xiàn)也相當不錯，但在生活用照明應用時就會影響使用觀感，點光源必須透過光學透鏡或機構設計(透鏡、導光素材)來產(chǎn)生近似傳統(tǒng)燈具的光型表現(xiàn)，會增加燈具成本，在緊湊的構型設計中較難突破光學的物理特性。

2、散熱設計

同樣的，延續(xù)LED組件本身是點光源的限制，組件在發(fā)光時產(chǎn)生的溫度會過度集中在單點之上，若沒有效處理散熱，會致使組件出現(xiàn)燒融，甚至縮短使用壽命！除了組件本身需針對散熱強化設計，例如，透過芯片打金線或是載板的設計技術進行改善，達到自體散熱設計，即便如此，熱源仍會出現(xiàn)有過度集中在燈具點狀位置的狀況，如何透過外部組件的主動散熱與被動散熱設計，去改善結點溫度控制的處理能力，這就成為相關燈具設計的技術差距。

3、驅動與控制電路設計　　

實際應用時，LED驅動發(fā)光仍需要大量電子電路進行輔助，才能達到高效率的目的，但對于一般白熾燈的調(diào)光設計，如果也想在新式LED光源上實現(xiàn)，這就必須透過DC直流供電控制進行供電調(diào)整，這時若同時考慮能耗與用電效率，會讓驅動的電子電路復雜度大幅提升，就的設計很采取大量獨立組件造成系統(tǒng)的離散設計問題，讓整體省下來的電能反倒在相關電路被消耗掉了。

目前已有組件廠商采取單芯片的可調(diào)光控制IC設計，讓燈具業(yè)者不用重新開發(fā)不同燈具的配合電路，運用現(xiàn)成的解決方案就能達到兼具對比舊式光源的操作體驗，也可達到更高效能的節(jié)能效益。

4、電源轉換電路設計

LED一般都使采取DC直流驅動，但ACLED在實際應用場合，有更多的應用彈性與優(yōu)勢，因此也是發(fā)展LED光源相當重要的一大趨勢！尤其是一般生活電力來源均為AC電力，若要快速讓LED光源普及于生活應用，發(fā)展AC設計的LED產(chǎn)品，是相關應用快速成長的應用關鍵。