LED(Light Emitting Diode)固态照明,是近年来被认为极具潜力的未来产业,因为消费者与业者均期待,可以利用LED固态照明去解决大量能源浪费在无效率的光源照明问题,正因为LED具备体积小、发光效率高、省电等优势,因此,多数人也对LED固态照明的未来发展寄予厚望。
因为LED固态照明与传统光源的发光技术不同,所以更有环保、节能方面的多项优势,先观察常见的日常照明光源,不外乎白炽灯与萤光灯,白炽灯基本上在发光效率表现即趋于劣势,即便具备低成本与使用习惯已建立等优势,但在环保观念抬头的社会氛围之下,已经成为不环保、无效率的照明产品。 在萤光灯方面,虽然采高频气体放电的光电技术去达到省电效益,但实际上萤光灯管制程无法避免对环境有害的汞,在环保诉求上也不是最佳的光源选择。
回到LED固态光源的发展上,早期LED多用于指示性光源,即信号灯、指示灯之类的中/低亮度、低功率驱动的光源应用,因此无散热方面的考量,一方面是指示用光源仅用以辨认目前装置的使用现况、开关状态提示,并非针对照明用途,因为驱动功率不高自然也无明显待解决的散热问题。 但问题来了,高亮度LED的使用目的,多半是为了针对替代性环保光源而进行开发,如此设计方式会造成诸多影响。
当LED固态光源朝日常的照明应用方向思考时,就会出现亮度不够的问题,必须在LED元件上尝试利用提高功率增加发光效率、或是利用更多数量高亮度LED进行模组化设计,让光源具备照明应用“高亮度”的要求。
发挥高效能、环保的照明效益散热设计是一大关键
LED元件的核心设计,即是由一片LED晶粒利用加诸电压使其产生发光结果,而与一般矽晶片类似,LED晶片也会因为长时间使用而产生光衰现象,多数设计方案为了提升元件发光亮度,多利用增加晶体的偏压,即提升加诸于LED的电能功率,让晶片能够激发出更高的亮度,如此一来,加强LED功率也会使得晶体的光衰问题、寿命问题加速出现,甚至元件本身因强化亮度而产生的高温,也会造成产品寿命的缩短。
当单颗LED晶粒随着亮度提升,单颗LED功耗瓦数也会由0.1W提高至1、3、甚至5W以上,而多数的LED光源模组实测分析,也会出现封装模组的热阻抗因增加发光效能而提升,一般会由250K/W至350K/W上下持续增加幅度。
而检视测试结果会发现,LED也会有随着“功率”增加、“使用寿命”减少的现象,会让原本可能具有20,000小时使用寿命的LED光源元件,因为散热影响,而降低到仅剩1,000小时的使用寿命。 尤其是当元件在摄氏50度的运作温度下,均能维持最佳的20,000小时寿命,但当LED元件运行于摄氏70度的环境,平均寿命则降至10,000小时,若持续在摄氏100度环境下运行,寿命会仅剩5,000小时。
LED模组设计的热阻抗现况
除了关键元件LED易受温度影响外,光源设计多半也采取模组化概念开发,甚至为了取代传统光源,让发光元件与电子电路只能在极小空间内进行整合,因为LED为DC直流驱动元件,多数灯具的连接电源为AC交流电源为主,为简化LED光源的施作复杂度,目前的主流做法是直接将电源整流、变压模组与LED发光元件进行整合,但问题来了,因为可用的电路空间相对小很多,在装置内的对流空间相对变小的情况下,自然也无法得到较佳的散热效果,也只能透过主动式强制散热的相关对策,进行模