解讀LED照明設(shè)計關(guān)鍵 暢享LED照明大時代
2007年，澳大利亞政府開始逐步淘汰白熾燈。到現(xiàn)在，在整個澳大利亞，熒光燈已經(jīng)大量取代了無所不在的白熾燈。
但是David Whitfield已經(jīng)開始為熒光燈退出歷史倒計時了。
David Whitfield表示，LED有望在未來5年內(nèi)主導(dǎo)商業(yè)照明領(lǐng)域。到2020年，會有更多人的購買LED燈，將它們安裝在新房子中。按照LED燈的使用壽命，即使有一天你的房子拆遷了，那些LED燈依然存在。
技術(shù)的飛速發(fā)展，使得LED從單純的指示燈轉(zhuǎn)變成極富意義的高效節(jié)能照明。
但是與眾多新興技術(shù)一樣，LED仍面臨著很多問題。不規(guī)范的市場導(dǎo)致低價劣質(zhì)產(chǎn)品沖擊市場，不斷發(fā)生索賠糾紛。這些問題都會影響到制造商在專注質(zhì)量方面的真誠努力。
與任何一個LED業(yè)內(nèi)人士交流，必然都會提及50000小時。在理想條件下，封裝過后的LED平均使用壽命可達(dá)50000小時。當(dāng)然，設(shè)計與環(huán)境都會降低LED的使用壽命。如果冷卻得當(dāng)，未精加工的LED使用時間是直線型熒光燈的兩倍，是緊湊型熒光燈的5倍，是白熾燈的50倍。
使用時間長就意味著更換和處理燒壞的LEDD的頻率大大減少，同時也減少了垃圾量。這也是LED成為可持續(xù)照明發(fā)展首選的原因之一。第二個重要原因是，LED不像熒光燈那樣含有水銀，也不怕摔碎，因此對環(huán)境非常友好。
低能耗是另一個非常明顯的優(yōu)勢。
David Whitfield表示，澳大利亞至少擁有5000萬個T8熒光燈管，如果我們能用更高效的T5熒光燈或LED解決方案替代上述所有燈管，將可以關(guān)閉3座煤炭火電廠。
enLighten一款多功能旗艦LED照明產(chǎn)品Chameleon在2011年的“綠色地球獎”（Green Globe awards）中榮獲“節(jié)能與創(chuàng)新類”大獎。該產(chǎn)品照明解決方案與傳統(tǒng)照明方案相比，可節(jié)省能源高達(dá)93%。
據(jù)David Whitfield分析，LED自身僅能節(jié)省大概63%的能源。因此，要實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能目標(biāo)就必須從驅(qū)動電路的精細(xì)設(shè)計著手。
接下來，Whitfield將深度解讀LED照明設(shè)計的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，確保LED可以滿足市場對持久可靠照明的期待。
David Whitfield表示一項好的LED照明設(shè)計具有以下三個基本點(diǎn)。一是選擇合適的芯片。二是給予安全可靠的驅(qū)動；三是選擇燈具時盡量減少光照損失?！?/P> 合適的芯片
早期的LED解決方案所面臨的問題是，由于熒光粉的不斷老化，在使用過程中LED色彩會嚴(yán)重漂移向藍(lán)色光譜。
這些相對原始的設(shè)備制造起來非常便宜，目前仍被用于類似手電筒這樣對色彩要求不高的設(shè)備中。不過，在商業(yè)照明應(yīng)用領(lǐng)域，改進(jìn)的LED已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。
但相比色彩一致性，更加重要的就是LED熱力學(xué)性能。
二極管效率及工作壽命會隨著溫度的升高而減少。雖然不像白熾燈那樣在很高溫度下工作，但是LED仍然產(chǎn)生大量的熱。
事實(shí)上，我們都使用Philips LumiLEDs的芯片。雖然昂貴，但是耐熱性好。特別適用于澳大利亞北部一些地區(qū)。照明設(shè)備可以在高達(dá)110度的溫度下工作并仍能點(diǎn)亮50000小時。
安全可靠的驅(qū)動
enLighten照明產(chǎn)品Chameleon，設(shè)計用于商業(yè)領(lǐng)域的日常及應(yīng)急照明。內(nèi)置有人物行為和環(huán)境光線監(jiān)測技術(shù)，同時具有兩種不同的電源電路。
低壓電路提供背景照明，全壓電路則有人以及自然光不足的情況下被激活運(yùn)行。
LED是可調(diào)光的，但是我們不傾向于進(jìn)行調(diào)光操作。在低壓及中等電壓照明中，調(diào)光效率低。在整個LED照明設(shè)計中，驅(qū)動主要用于在一定功率情況下實(shí)現(xiàn)最高效率。
由于運(yùn)行兩個獨(dú)立的電路，因此存在兩個驅(qū)動器。一個是在高亮度照明水平下實(shí)現(xiàn)最高效率，另一個則在低亮度水平下實(shí)現(xiàn)最高效率。
驅(qū)動與電源供應(yīng)被設(shè)計到一起并集成到一個部件中。Whitfield的設(shè)計團(tuán)隊特別研發(fā)了針對該應(yīng)用的電子設(shè)備。
由于現(xiàn)有的很多驅(qū)動器都為了滿足90-270V的應(yīng)用需求，因此可以達(dá)到的效率約為70%。
據(jù)David Whitfield表示，在110V或者230到240V標(biāo)準(zhǔn)下對驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的話，可以大大提高效率。但優(yōu)化工作會是一項非常艱苦的工程
光源與光學(xué)系統(tǒng)
LED芯片耐熱性不斷增強(qiáng)使得設(shè)計工作變得更加簡單，但是為了保證LED芯片的工作壽命，就必須想方設(shè)法導(dǎo)出LED與接合點(diǎn)的余熱。
在解決少量并且間隔適宜的LED的散熱問題時，一小塊散熱片即可滿足要求。但對于大量緊密聚集到一起的LED（典型應(yīng)用于商業(yè)照明中），如果散熱處理不當(dāng)，其倍增的熱效應(yīng)都可以將設(shè)備燒壞。因此，商業(yè)照明用LED燈都傾向于利用相對散熱性能突出的散熱片。
David Whitfield表示，如果設(shè)計合理，按照經(jīng)驗，散熱片的溫度不超過55度。但是如果溫度遠(yuǎn)小于50度的話，表明散熱片太大或者散熱片根本沒有起到導(dǎo)熱效果。[!--empirenews.page--]
影響LED照明設(shè)計好壞的另一項重要因素是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。為了減少光損失，設(shè)計時除了重點(diǎn)關(guān)注反射率以及不透明度等因素外，還應(yīng)想法設(shè)法減少來自若干強(qiáng)光造成的眩光。
David Whitfield表示，大量的資金被用到改善LED芯片。但是很多都忽略了驅(qū)動LED的電子設(shè)備或者用到的光學(xué)系統(tǒng)。這是當(dāng)前一個非常嚴(yán)重的問題。‖
對于設(shè)計照明解決方案時是否考慮現(xiàn)有的照明設(shè)備時，Whitfield表示不支持這樣的發(fā)展方式。我們不考慮針對往日照明設(shè)備的兼容方案，要盡可能的發(fā)揮LED的光效，就必須進(jìn)行一體化設(shè)計才能滿足要求。
這種即插即用的方式進(jìn)一步降低了LED照明的使用障礙，屆時LED的優(yōu)勢將迫使現(xiàn)有的照明設(shè)備退出歷史舞臺。
當(dāng)前芯片的發(fā)展
在德國以及馬來西亞的歐司朗光電半導(dǎo)體實(shí)驗，為提高LED芯片技術(shù)，研究與開發(fā)力度在不斷加強(qiáng)。
歐司朗亞太區(qū)市場總監(jiān)Kai-chung Cheng將為我們特別解讀LED技術(shù)的最新進(jìn)展及應(yīng)用。
歐司朗最近的研究包括針對園藝照明應(yīng)用的660nm波長的高亮紅色LED以及450nm波長的藍(lán)色LED。同時正在設(shè)計研發(fā)應(yīng)用于投影設(shè)備的高強(qiáng)度LED。歐司朗高強(qiáng)度LED目前應(yīng)用于例如奧迪A8等高級轎車的車頭燈。
Cheng表示，我們在不斷提高封裝所用材料的性能，并且繼續(xù)努力提高發(fā)光效率。歐司朗Oslon系列高功率LED的熱阻為7K/W，而其它的則為低至3.5K/W。熱阻越低，封裝散熱就越容易。
LED的成本已經(jīng)成為該技術(shù)進(jìn)一步推廣的主要障礙之一。發(fā)光效率提高是一種解決辦法之一。因為擁有更高亮度的LED就意味著可以減少LED芯片的用量。
在實(shí)驗室中，歐司朗已經(jīng)用一個LED芯片，350Am驅(qū)動，2755K色溫下成功實(shí)現(xiàn)了142lm/W的發(fā)光效率。
另一種降低成本的途徑是提高晶圓的尺寸，即由目前的2寸和4寸提高到6寸。同時歐司朗正在研究SDS（silicon-on-dust substrate）工藝，如果成功，將可以借助半導(dǎo)體IC的一些先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)制造LED芯片。
一些新材料取得的突破進(jìn)展也有助于降低LED成本。例如，BluGlass,一家從悉尼麥考瑞大學(xué)分拆出來的公司，正在研究一種新的等離子體激活化學(xué)氣相淀積（RPCVD）工藝，力爭實(shí)現(xiàn)氮化基薄膜的低溫成長。
MOCVD工藝目前被大量用于生產(chǎn)高亮度LED，其所需工作溫度為1000度，而RPCVD工藝所需的溫度比MOCVD工藝要低。如果可以避免高溫的影響，那么就有希望降低芯片以及活性材料，進(jìn)而提高性能。
隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，最終目標(biāo)也越來越近。在美國能源部2010年3月發(fā)布的“固態(tài)照明研究與發(fā)展：多年期方案計劃”報告中指出，預(yù)計到2020年有望實(shí)現(xiàn)250流明每瓦的極限值。
標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)
目前，標(biāo)準(zhǔn)缺乏仍是LED技術(shù)廣泛應(yīng)用的另一大障礙。
澳大利亞照明協(xié)會主席Douglas Bryan表示，大量LED產(chǎn)品涌入不受管制的市場是引發(fā)擔(dān)憂的一個原因之一。這些產(chǎn)品中，有一些質(zhì)量上乘；但也有許多產(chǎn)品在壽命、顏色特征及效率等方面不符合要求。 市場出現(xiàn)的質(zhì)量問題正逐漸破壞消費(fèi)者對產(chǎn)品的信心。
作為提高消費(fèi)者對LED燈信心的第一步，澳大利亞照明協(xié)會推出一項基于標(biāo)記的質(zhì)量工程，被稱為固態(tài)照明（SSL）質(zhì)量計劃。
這是一項自愿性的行業(yè)計劃，依賴于第三方機(jī)構(gòu)針對供應(yīng)商產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)作出的測試報告。這些關(guān)鍵參數(shù)包括燈具的功效，光輸出，測得的輸入功率，相關(guān)色溫和顯色指數(shù)等。
一經(jīng)驗證和支付費(fèi)用后，未來三年，一個質(zhì)量標(biāo)記將被用于產(chǎn)品以及產(chǎn)品手冊中。
該計劃完全是自愿性的，遠(yuǎn)談不上成為一項標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，但能在很大程度上減少進(jìn)口商遇到的障礙。Douglas Bryan表示，澳大利亞監(jiān)管機(jī)構(gòu)正等待國際標(biāo)準(zhǔn)出臺以及世界范圍內(nèi)的測試成果。
與其它產(chǎn)品一樣，美國，歐洲和亞洲，預(yù)計將有不同的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。目前，走在前列的是美國能源部的固態(tài)照明能源之星標(biāo)準(zhǔn)。
美國的標(biāo)準(zhǔn)是基于北美照明工程學(xué)會（IES）LM-79“固態(tài)照明產(chǎn)品電氣和光度測量”和LM-80“測量LED光源流明維持率”這兩種測試方法。
市場調(diào)整
不論標(biāo)準(zhǔn)如何變化，有一點(diǎn)是明確的：市場將發(fā)生變化，澳大利亞將有更多的機(jī)會從中分得一杯羹。
對于未來的發(fā)展，存在著不同的觀點(diǎn)。Douglas Brya認(rèn)為，與眾多制造LED的中國企業(yè)競爭，澳大利亞將捉襟見肘。
David Whitfield已經(jīng)在做設(shè)計工作，他認(rèn)為，在不久的將來，中國LED制造業(yè)將出現(xiàn)一系列的兼并和倒閉。這將緩解LED價格的下調(diào)壓力，使得澳大利亞公司有機(jī)會將LED產(chǎn)品打入中國市場。
David Whitfield表示，到2020年，澳大利亞將用LED取代100億到200億的照明市場。政府與其進(jìn)口LED產(chǎn)品，還不如支持建立本地制造業(yè)。LED芯片由機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)，不涉及太多勞動力，所以有足夠的理由扶持本地制造商。
“我們可以在質(zhì)量，上市時間，快捷配送方式方面與中國的LED企業(yè)競爭，憑借專利和知識產(chǎn)權(quán)，澳大利亞可以打造一個出口生產(chǎn)基地?！?/P>
目前，新一代照明技術(shù)OLED照明已經(jīng)出現(xiàn)。David Whitfield表示，OLED照明會對LED照明起到補(bǔ)充的作用。商業(yè)應(yīng)用上，OLED照明落后LED照明20年。當(dāng)它得到商業(yè)化，LED照明應(yīng)用大規(guī)模普及了。最后的問題是，OLED的成本效益是否可以幫助取代已經(jīng)非常高效的LED。[!--empirenews.page--]
潛力巨大
很難想象愛迪生和白熾燈背后的其他科學(xué)家如何看待今天的世界，因為他們的發(fā)明接連不斷地被更高效的技術(shù)取代。
但也許愛迪生會認(rèn)同圍繞著LED燈的巨大潛力-沒有沉重的環(huán)境代價，更明亮，幾乎無處不在的照明的機(jī)會。對澳大利亞來說，有望在全球電子供應(yīng)鏈中發(fā)揮更大作用，對高質(zhì)量電子產(chǎn)品設(shè)計人員，通過他們的專業(yè)知識和辛勤工作，將會創(chuàng)造更大收益。
然而，即使世界各地的消費(fèi)者和制造商開始關(guān)注LED，該技術(shù)的廣泛采用仍面臨很多問題。目前，早期應(yīng)用LED的人，被泛濫的偽劣產(chǎn)品的所傷，認(rèn)為LED價格過高，而且質(zhì)量參差不齊。
雖然該技術(shù)的價格將不可避免地下降，澳大利亞和世界其他國家必須迅速開展工作，加強(qiáng)監(jiān)管生機(jī)勃勃的市場，以保護(hù)消費(fèi)者和電子行業(yè)。
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