摆脱光与热技术障碍 LED路灯系统设计大跃进

　　因具备省电、节能以及环保的优势，LED灯源可望取代传统灯源成为新世代路灯主流，惟目前市场产品良莠不一，光、机、电、热等系统设计技术仍有待突破，其中，又以光、热的技术难度最高，所幸现今技术瓶颈已有重大突破，将有助于日后路灯市场规模的加速扩大。
 
　　高油价、高电价时代，如何有效提高照明设备的效率已成为节能、减碳的重要工作。随着LED的发光效率与寿命提升，让原本只能做指示或辅助用途的LED灯逐渐拓展到一般照明，可达成提供夜间交通安全照明与维持夜间治安的路灯设施，提升整体市容，达到省电、节能以及环保的多功能性。 

　　LED路灯质量参差不齐 

　　LED路灯必须受到高、低气温差异以及日晒雨淋的天气考验，有些产品安装不到半年就故障。LED路灯良莠不齐，造成使用者信心不足，市场需求自然疲弱。有些专家认为，目前LED的发光效率与高压钠灯相较尚有差距，作为装饰照明和部分环境照明用无虞；但若作为道路照明用，目前只适合院(园)区通道或次干道；同时作为功能性为主的道路照明(主干道)，尚有诸多技术问题有待克服，如散热、二次光分布、均匀度等，因此目前尚不宜做主干道照明。 

　　光/机/电/热四大技术瓶颈待解 

　　LED因为发光特性，输入电能约有80%以上转换成热能必须排出，且LED晶粒属半导体材料，因此不耐高温，且发光效率会随芯片温度上升而降低，散热变成LED路灯的首要考虑。其次，路灯应用须符合道路照明规范，依照区域与道路状况的不同，分别会根据照度、照度均匀度等有不同的规定，因此光学的设计成为LED路灯第二大挑战。其他如LED需要直流驱动，因此排列方式与电源供应器的选用都是技术重点，还有耐风压、耐雷击、耐震动等安全性考虑，都增加LED路灯设计困难性。 

　　简单来说，LED灯具就是要考虑热、光、电、机四大部分。现行市场上技术瓶颈最高的便是热与光，以下将就此两大技术部分进行讨论。 

　　借散热机构/被动散热/组件解决散热问题 

　　LED芯片可承受的最高温约为125～150℃。在LED路灯应用上，环境温度可达35℃以上，甚至高温区域40℃以上，若不能有效散热(控制结点温度)，LED的寿命将快速递减。根据Cree的数据显示(图1)，若可将发光芯片结点温度控制于65℃，LED的整体寿命将可达10万小时(以光衰30%计算)。

 
数据源：Cree
图1　LED寿命图

　　LED灯从芯片开始发热，至散热装置把热散掉，整个热传示意图如图2。前段从LED芯片到LED底座与LED封装设计有关，所以选择耐温的芯片、荧光粉、封装材质以及热阻低的封装设计便是首要要件，目前热阻一般均可达10K/W以下，较好的技术已经有达到5K/W的水平。而后段LED底座到空气端则与散热机构有关。

 
图2　LED简易热传示意图

　　大功率LED的散热机构一般有几种形式：

　　‧ 主动散热
  　　加装风扇强制散热、水冷散热技术、半导体制冷芯片。

　　‧ 被动散热 
　　自然散热、热管加鳍片、均温板加鳍片、回路热管技术等。

　　以路灯应用来说，户外安装风扇稳定性会有问题，水冷式散热与半导体制冷芯片则因为须要额外付出更多电力散热，且散热端亦须要另外结构散热，在LED路灯应用上，严苛的户外环境应避免这样的设计。以下将分析被动散热形式的原理和相关比较。

　　‧ 自然散热 
　　自然散热利用热传导、热对流以及热辐射作为基本的散热原理。主要系利用热传导将热导到灯具外壁面，再藉由灯具表面积或鳍片与周围空气的对流散热和对周围物体的辐射散热(图2)。

　　‧ 热管加鳍片 
　　热管的传热现象，利用物质相变化时，可吸收或散发高热能的现象，因此使得热管为具备极高的热传效率之设备。一般热管仍须在冷凝端加鳍片散热，已经是很成熟的技术，多应用于计算机类设备中。
　　‧ 均温板加鳍片 
　　均温板与热管的原理与理论架构相同，只有热传导的方向不相同，热管的热传导方式是一维的，是线的热传导方式，而均温板的热传导方式是二维的，是面的热传导方式。
　　‧ 回路热管散热 
　　当热量从蒸发器传至回路热管内的工作介质，工作介质吸收热量后蒸发流向冷凝器，释放热量冷凝后，再藉由蒸发器内多孔材料的毛细力，重新回到蒸发器，重复循环。

　　在被动散热的原件中，回路热管恰好补足热管与均温板无法远距离热传这一块，可将热导至较远或较容易散热的地方。

　　回路热管技术原本应用于太空科技、人造卫星等，在LED照明是一项新尝试，原理如图3(A)，应用示意如图3(B)，散热管可利用灯壳散热，不须多加装鳍片，若考虑美观，可将散热管绕置于灯壳内部。
 

图3　(A) 回路热管示意图 (B)回路热管LED灯具应用示意图

　　散热组件基本上只是一个工具，没有真正所谓的优劣之分，重要的乃是利用这些工具达到优化应用散热之目的。下列将针对上述散热机构在LED路灯上应用作相关比较。
　　‧ 自然散热
　　优点为散热成本最低、结构最简单，较偏向于小瓦数散热，如MR16的应用。
　　市场上以自身结构本体散热方式的LED路灯产品，多为100瓦以下的产品，乃利用LED灯珠排放密度低的方式，克服热通量过高的问题，但松排列却产生光学上可能有多重影像的现象。
在实际应用上，若灯具利用鳍片散热(鳍片外露于大气中)，应特别注意落尘或其他异物等积累于鳍片上，以至于造成散热效果降低，影响LED寿命。
　　‧ 热管加鳍片 
　　目前市场较成熟的热管技术，一般单支直径6毫米的圆管热管便可解决约40～50瓦的热量，考虑折弯、打扁效率的折损，一支热管约可解决30～40瓦左右的热量。
以一个100瓦的灯具来说，约三支热管便可将热带出LED模块，接着导至鳍片散热。针对高瓦数如100瓦以上的LED路灯产品，此为较合理、成本较低廉的解决方式。此散热方式为目前LED路灯市场上的大宗。
　　‧ 均温板加鳍片 
　　均温板最大的优点是解决高热通量的散热，或是解决突扩热阻，将不易散热的点热源，拓展成较易散热的面热源，如图4业界所做的模拟比较。图中左以单纯铝板加鳍片、中为三根热管加鳍片、右为均温板加鳍片，整个温度分布可以发现，当热源在整个散热模块的右方时，三根热管加鳍片很明显优于单纯铝板加鳍片，但若利用均温板，很明显的温度分布更佳，热阻也从0.61K/W再降至0.54K/W。这是强调传热的均匀性，以确定鳍片的利用率。

 
图4　铝板、热管与均温板之散热模拟比较

　　均温板加鳍片的散热方式最大的限制是，热管可以把热往水平或垂直方向传递，但均温板仅能往垂直方向传递，便造成在灯具外型设计上的限制(图5)。目前市场上利用此散热方式的厂家并不多，应用的方式为六至八颗LED为一模块，以多模块组合成大瓦数的LED路灯。

 
图5　均温板与热管热传方式之比较 

 　　‧ 回路热管散热 
　　回路热管市售单一模块可达最高瓦数为160瓦(图6)，除了可解决高热通量的问题外，亦具有远距离热传、抗重力以及可挠式的散热管等优点，若散热管能有效与灯壳结合，便能大幅降低整体灯具重量。透过回路热管，将位于灯具下方的LED模块的热带往上灯壳，透过上灯壳的大幅面积把热量散掉，以此方式便不会在灯壳上方看到鳍片，让灯壳不只是外观件也是功能件(图7)。

 
图6　一般回路热管标准模块

 
图7　回路热管在LED路灯的应用

　　市售150瓦LED路灯采用回路热管散热的实际测试结果如图8。经过有效的散热设计，重量仅8.5公斤，在环境温度30℃、无风的环境下，量测到的芯片温度为71℃，热阻值为0.27K/W。目前市场上，以回路热管散热方式制作的LED路灯仍在少数，但因其整体灯具重量轻，也吸引不少目光。

 
图8　回路热管在LED路灯的实测结果 

　　由于近期业界的投入，LED路灯在热问题解决上渐渐成熟，上述的解决方式皆会因应用的方式与切入的角度，考虑有所不同。将上述方式就可靠度、成本、设计难易度以及重量四个角度切入评比，作一简单比较(图9)。若是主打低价市场，成本为第一考虑，鳍片或热管加鳍片即为较佳选择；若是在安全有顾虑，需要轻量化设计的路灯，回路热管散热在有效降低成本后，会是不错选择。

 
图9　不同散热方式比较

　　光均匀度为LED路灯另一大技术挑战 

　　‧ LED发光效率/寿命/光色/演色性优于传统灯源
 　　 将传统光源与LED光源总合作一比较，发光效率、寿命如图10，光色与显色性如图11。

 
图10　光源之发光效率与寿命比较

 
图11　光源之色温与显色性比较

　　从图10可看出LED灯发光效率与传统灯源相比，LED灯发光效率比水银灯高，但整体而言，高压钠灯发光效率最高，然LED灯使用寿命却远超过他种灯源。若再将灯具效率、电源效率等因素考虑进去，可以更明显可看出LED灯源的优点。

　　走夜路时，若对面过来一个看不清楚脸面和衣服颜色的人，会使人感觉到不安和可怕。能显示出表现物体颜色的光源性质叫做显色性(CRI)，在道路照明时，选择高显色性的光源，较容易辨识出交通状况，有效降低犯罪率。图11中，LED灯在显色性皆优于高压钠灯与水银灯。

　　在色温的选择上，因各地环境与设计状况不同，以东方人来说，主要是因为高温、高湿的环境，会选择白色或高色温的照明，若为气氛照明则选择以低色温为主；以台湾地处亚热带来说，色温选择水银灯或白光LED较佳。

　　以发光效率、寿命、光色以及演色性为四个主要评价点，将目前路灯光源市占率最多的水银灯、高压钠灯与LED灯做一比较(图12)。

 
图12　光源之综合比较图 

 　　‧ LED光均匀度须符合IES规范要求
  　　LED因为指向性比较强，在路灯的应用须利用反射板或光学透镜等方式来达到一般道路规范均匀度的要求。一般道路照明最常引用之国外标准，不外是北美照明协会(IES)及国际照明委员会(CIE)之标准，因国内各地路灯亮度普遍高于国家标准，比美国亮两倍，比日本亮1.5倍，造成电力资源浪费，所以本文将以IES的规范来讨论。

　　路灯会依照安装的道路种类与区域分类规定，表2为IES辉度标准推荐值，表3为IES照度标准推荐值。以下利用市售150瓦LED路灯，其发光效率为每瓦58流明，规格样式与光形如图13，所模拟出的道路照明结果为表4(仿真软件为Dialux 4.4版)。在表4的模拟条件下所得到的结果，平均照度11 lux，以柏油路面来说，可以安装于住宅区内的快速道路与主要干道，若要装置于混合区或商业区内，则须要再增加发光效率或瓦数。照度均匀度来说，模拟结果之照度均匀度为1.43，小于3，符合所有道路种类与区域分类。
 

 
图13　市售150W LED灯具规格与光形

　　仿真结果之平均辉度为0.55cd/㎡，以柏油路面来说，仅能安装于住宅区内的次要道路，若要安装于住宅区内的快速道路与主要干道则须提升至0.6cd/㎡。辉度均匀度来说，模拟结果之辉度均匀度为1.33，小于3，符合所有道路种类与区域分类。

　　因此，以上述市售150瓦的模拟的例子来说，囿于成本考虑，仅采用发光效率每瓦58流明LED，所以在平均照度与平均辉度上，仅达到可安装于住宅区内的次要道路，但在照度均匀度与辉度均匀度这两个部分，皆可符合所有道路种类与区域分类。

　　LED路灯技术/规范有望推出市场成长 

　　上述就发光效率、寿命、色温与显色性进行比较，以目前LED的规格，确实拥有取代传统光源的潜力，设计上端视道路类别与安装区域来选用适合的LED。而因为业界资源的陆续投入，LED路灯的均匀度，透过反射版与光学透镜的技术，已可达到道路照明规范。 

　　LED路灯系统技术上，在热、光、机、电都已有解决方案，加上相关规范陆续出炉，有效把关灯具技术与质量，将可加强消费者与政府的信心，省电又省钱下，相信LED路灯的推广能为目前能源短缺的现况，提供一个良好的解决方案。