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。

　　

　　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。

　　

　　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）。

　　

　　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。