LED 照明安全的挑战与对策 [复制链接]

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面临全球景气指数再度亮起红灯，诸多位居市场核心事业的订单，在终端客户普遍释出对市场展望转趋保守而不免遭受冲击之际，近几年蓬勃发展的 LED 照明产品，却在搭乘全球暖化的议题及采取国际品牌厂商的项目合作模式，成为少数仍呈现强势成长现象的产业。LED稳坐次世代光源的王座已经无庸置疑，不仅是 LED 的主力发展成为照明上取代传统型式的照明光源，而其所具备的特质更将有机会发展广泛多元的创新应用。只是随着 LED 的高度运用，其中的模块、电源设计、安装场所与散热、寿命等即成为必须克服的新挑战。 zn'Mi:O'p  
值 LED 为业界带来第一道美好曙光后，欲使其拥有投入长远稳健发展道路的优势，UL 透过近几年来所累积的实测经验，提醒无论是处于产业链或欲加入产业行列的企业皆应在安全挑战上注入更多的关注，如斯才有机会在愈加白热竞争的局面取得胜出的地位。 s!W{ru  
挑战一：高功率LED 灯具的散热问题 @<OsTF L  
随着 LED 封装技术的改进，LED 业者亟欲突破亮度的障碍，扩大照明市场的应用范围，进而取代原本高亮度照明的高强度放电灯源(HID) 或白炽灯源 (Incandescent)领域。尽管 LED 具有冷光与相对高效率的优势，然其与一般传统光源的光热传导途径相较：白炽灯的热产生是在光传递路径上；LED 光源的热则集中在于光传递路径的反侧，而在能量守恒定律下，LED 的散热设计逐渐形成益加无法忽视的问题。 /2r&ga&  
举例来说，做为舞台投射用途的灯源，无论是电灯或白炽灯，至少要达到 200W 以上，相较之下，LED 虽然仅须约 6 成左右的耗电即可取得同等的亮度，但此一过程的其中 8 成能量却会转换成为灯具内部的热源，因此其带来长久积聚不散的热可能造成下面几个问题： 
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•LED 光效率降低。LED 的光来自于半导体中电子电洞结合过程中所产生的光能，因此当周围环境温度升高时，电子与电洞的结构很容易因为原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。 .K_50%s  
•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，被当成安全最后一道防线的绝缘聚合物材料也会受到热劣化的挑战。一般具有热塑性的聚合物材料，并非处于完全聚合的情况，高温与湿气的外在环境皆会促进聚合反应产生逆向反应 ( 也就是裂解) 的进行，此除了会让材料变形外，也会产生特性变化，甚至带来氧化问题，绝缘特性也因此崩溃。 6DEH|2  
续前述舞台投射灯的案例，倘若处于无散热的情况，则 100W 的热积聚，足以于 1小时内将 1 公升的水加热到近沸点。以此为鉴，高功率 LED 灯具的挑战，不仅在于必须将热由 LED 光源移出， 同时亦须从灯具移出， 否则长期使用后， 照明效率下降事小，但灯具本身的安全则让人安全堪虑。 .F/l$4CQ  

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挑战二：室外用 LED 灯具的水气与紫外线考验 IP#qT `=}  
除了路灯的应用，景观、号志、标示用照明已被视为 LED 下一波的激烈战场。LED 的可调色性是其它光源无法企及的优势，因此常受建筑界的青睐，并促使 LED 灯成为城市先进的其一象征。可程序化的显示方式，除了能够充作号志灯的读秒，更是户外信息广告牌的不二选择，尽管受到城市光害的质疑，但此法仍使用在成为城市无所不在的大型 LED显示屏幕上，即使此举所费不赀，然应用尺寸却有加大的趋势。相对于室内用灯具，户外型的 LED 灯具散热环境虽然较好， 但应用环境相异的水气与紫外线影响却成为额外的考验： WQNFHRfO*n  
•水气造成的功能危害。水气的积聚，对电子商品功能最大的伤害即是造成电路短路与产品锈化。虽然纯水导电度低，但只要加上电解质即会提高导电度并带来短路现象。 qc/)l~]?g{  
或许起初的短路现象会随水受热蒸发而停止，然长久下来，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回路的锈蚀。裸露的金属材料如焊点或是螺丝、端子亦会因水气而发生锈化情况，一旦有锈蚀之情事，或电阻提高，或膨胀的导体可能彼此连接而造成短路，甚至接踵而至的安全问题。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。 LHusy;<E[  
•紫外线对外壳材料的破坏。阳光含有高能量的紫外光，除了会晒伤人体皮肤，也足够裂解大多数的聚合物材料。在UL 的研究中即不难发现，只要让材料处于近 1,000 小时的连续高强度曝晒，就可能导致其机械强度产生具足够危险的衰退，也有可能劣化另雨天亦是让号志灯故障的潜因。户外LED 大型显示屏往往在阴雨天时会出现白线，究其因正是水气的「杰作」。对于产品的防水多数是采用密封设计，然而除了一体成型的密封外，大部份组装式的密封仍会因持续的热涨冷缩，导致水气藉由毛细现象渗透至机壳内部，并在时间的累积下带来损害。由此若采用耐水性的电路材质，再佐以排水、通风与干燥的设计，才可有效防止因水气累积所造成的问题。 5"7lWX  
至于长久浸泡于水中的灯具，由于受到的环境温度变化较小，加上水压的帮助，以及因此减少紫外线的吸收，密封反而较容易达成。只要采用对水气不敏感的聚合物材料与金属材质，相对更容易维持低水气的状态。 z#srgyLt  
挑战三：防爆用 LED 灯具的设计 Hg+bmwM  
2011 年的爆炸事件频传。以台湾为例，为因应石油裂解厂等意外造成的庞大人力与物力损伤，政府当局即宣告自2012 年将针对危险场所使用的灯具、马达、开关箱进行管制以减少公安意外，而此项举措亦引发灯具业者的注意。 M~djX} #\  
传统灯具由于使用时电压与电流较大，或者使用温度较高，很容易在操作的过程中因温度过热或开关电弧等举动产生引爆易燃物的火源；而 LED 的低电压操作与相对低操作温度的特性，似乎具有未来防爆灯具的有利条件。不过防爆领域仍为多数LED 与灯具业者不甚熟悉的领域，包括对防爆的测试方式的不熟稔，甚至对防爆验证的模式与系统所知有限。 wGx*Xy1n<  

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防爆顾名思义为防止引发爆炸或防止遭受爆炸的破坏。国际上有不同的爆炸危险分级系统，但主流为美国电工法规(NEC®) 定义的系统、及国际电工委员会(IEC) 的IECEx 系统。因应不同的危险气体与环境，均不得让电器产品因使用或失效成为爆炸源，而欲防此此事滋生，必须注意下列问题： PNh
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•火花的产生，或者火花与危险物质接触。 oVja$;>  
一般有明灭控制的开关，容易因为导体带电的瞬间接触而产生火花或是电弧，或因为更换灯源时金属间互相摩擦产生火花，而类似的电弧或火花极为容易点燃如乙炔等易燃气体，因此灯具的设计，即应考虑避免采用会产生火花的开关，或者须将开关密封，以免开关过程时产生的火花与易燃气体接触。 QK@[b3-h1  
•不当的外壳设计无法杜绝火焰蔓延。 >`=<(8bu  
当灯具的机体内部因为失效而产生火焰甚至是小型的爆炸时，外壳必须适时提供将火焰或是爆炸包覆的功能，以让火焰自行熄灭且不至于点燃机体外的易燃气体。为了达到上述成效，灯具类产品必须采用相对较为坚硬的外壳及设计泄压装置，或者须另外以大型透明密封外壳进行包覆等等。 (bo-JOOdY(  
当然在易燃气体之外，环境中的粉尘甚是木屑、纤维屑等也都被列为可能引发爆炸起火的危险物质。由于照明设备几乎是所有场所必备的电器用品，在爆炸案或火灾频传的现今，增一分安全就是少一分危害绝对是业者当有的思维，而使用者在上述所列的危险场所换装安全灯具则刻不容缓。 YK 6zN>M}E  
挑战四：LED 照明的长效考验 +/4wioGm  
在 2012 年全球陆续举办的照明展会，可以说是 LED 灯具独占鳌头的景况。除了能效功能，已有业者喊出「持续点亮 30 年」的口号。尽管目前尚无 LED 寿命的一致性推估标准，但相对高价的 LED 灯灯比之市场普及的日光灯，更长的使用寿命无庸置疑为LED 照明必备的武器。LM-80 为当下广为援用的 LED 光源老化试验圭臬，其主要是让 Auk#pO#  
LED 光源在 55℃、85℃ 与 105℃ 三个不同环境温度下连续点亮 6,000 小时(折算近一年)后， 还必须保持原本的光特性。得以通过上述评估的灯源，其耐久性自是不言可喻，可是此并不全然代表灯具的寿命随之如此，以下因素为决定灯具寿命的关键： rs+ ["h  

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•灯具的耐用性。灯具虽然相对机构简单，但仍是由许多零部件构成，其中提供低压直流电源的变压器即为其一重要零件，亦是决定灯具寿命的关键之一。虽然多数的电源直接采用消费电子的低压直流电源，但消费电子的短生命周期特性是否足以供应灯具长期连续使用性将是议题。尽管现今尚未建立变压器产品的使用年限推估标准，然而根据动辄使用年限超过十年的太阳光电变频器长期使用数据，目前所采用的技术与可接受的成本下，最好的变频器也似乎仅 5 年寿命。 ;Yt+{pI  
•安全的可靠性。除了电路的耐用性，产品长久使用的安全更是另一项挑战。塑料外壳会随着使用操作的环境逐渐劣化，内部绝缘材料亦然，而无论是绝缘、机械保护或耐燃特性也都会发生渐渐劣化的情况。以早为业界广泛接受的 UL 长时间耐热特性的指标 RTI (Relative Thermal Index) 评估法为例， 温度处于长期 10 年操作下，塑料的各项特性将有衰减一半的风险，同理若要维持更长久的安全，就必须采用更为耐热的塑料材料。 `hdN 6PgK  
在全球资源有限或是撙节政策的推动下，回收利用将是大幅减少物料浪费的行动。而由此流通的二手商品，其残余使用年限与安全保固，绝对也是厂商接着必须面临的责任挑战。 {F q wr>e  
突破安全挑战无限延伸 LED 照明应用 y)"rh/;  
LED 在科技世代交替的循环中，很可能不似液晶电视取代映像管那么简单，但 LED 光源在使用上所拥有的高度弹性功能，却是远远超越其原本在灯具上的应用范围，因此其所衍生的议题已不只是光效率提高与使用时间更长等；而 LED 天生带有的更广更大应用空间，在各式各样的应用条件下，新式灯具势必要颠覆过往传统灯具的设计，于 w{t]^w:  
此产业界要从中攫取更长远的商机，产品所涉及的功能、寿命与安全设计都将是崭新的挑战。 K Y}H-  

先支持一下楼主~ 以后有需要再拜读！

哇，好强啊

嗯，先顶再学习。谢谢！！！

好东西啊，新手必备，收藏了

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