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LED迈入工业照明新时代
高效率背后 仍要保护电路撑腰

【作者: 姚嘉洋】2016年06月03日 星期五

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LED照明的相关发展在这几年已经相当成熟,但如果进一步地看,事实上,LED照明在路灯、智慧家庭与商用照明等应用场景的发展较为快速。但技术的不断演进,我们所常见的LED照明应用的渗透率的确也在逐年提升,最主要的原因当然是元件成本下降与发光效率的提升所致。


LED具技术优势 工业照明成新兴处女地

在这样的背景下,LED照明业者就必须寻找下一个处女地,让企业本身仍然可以维持一定的获利水准,而这个处女地就现阶段而言,就是工业照明。根据LEDinside最新「2016 工程照明防爆灯市场」研究报告指出,2016年全球LED工业照明市场规模达29.32亿美元,并以超过15%的年增长率成长,2020年市场规模将达52.04亿美元。


LEDinside研究副理吴盈洁表示,得益于石油及相关产业的推动,防爆灯在采矿、石油、军事、交通等工业领域占有很大的市场地位,2016年由于替换需求驱动,LED防爆灯市场前景看好。


LEDinside也指出,LED防爆灯已有多年使用时间,各企业在研发方面也掌握较多经验,开发出一代又一代的产品,基本满足了危险场所的使用要求。吴盈洁指出,LED防爆灯比传统防爆灯的体积更小、重量更轻、寿命更长,价格也较适中,深得用户满意。对于石油、石化行业照明场所而言,如考虑专案的整体品质、安全性能、成本控制与未来汞灯废除条例等,选择已成熟的LED防爆灯是必经之路。


而凌力尔特电源产品部产品行销总监Tony Armstrong则是谈到,商业与工业应用在向LED过渡的过程中,发挥其引领作用是毫不奇怪的,因为在商业建筑的能源消费总量中,照明通常占了25% 至40%。由于这些应用需要提供长时间的高强度光,所以节省电能的经济回报是相对短期的。其次,LED 灯具的长寿命极大地降低了更换灯泡的成本。这些更换成本不仅包括灯泡本身的价格,还包括实际更换时的人工成本,而在某些应用中这种人工成本是很庞大的。



图1 : 当居家LED照明市场出现饱和后,照明大厂自然就会寻找新的市场出路。 (Source:pressroom.gelighting.com)
图1 : 当居家LED照明市场出现饱和后,照明大厂自然就会寻找新的市场出路。 (Source:pressroom.gelighting.com)

工业照明少量多样 台湾仍要加把劲

英飞凌电源管理与多元电子事业处资深行销经理张文贵表示,工业LED照明对台湾来说,还是较为陌生,理由在于台湾业者对于LED照明还是偏重量大的终端应用,而工业领域并没有较大的数量需求。


此外,细分来看,不同的应用场景,所需要的LED光源的要求都不甚相同。就应用场景而言,可以分为,重工业、电子工厂、食品工厂或是户外烟囱的警示灯等,像是食品工厂的LED照明,对于防水的能力就会特别要求,原因来自于食品需要高压水柱冲洗,LED照明在机构设计上,就必须要特别注意。此外,如FAA(美国联邦航空总署)也对于烟囱警示灯的警示灯有相关的照明。


美国超级杯场地在去年全面改用LED照明,工业领域使用的天井灯与防爆灯,也开始逐渐使用LED,市场产值虽然不算太大,但就利润而言,仍足以吸引诸多照明大厂投入。

张文贵也以北美超级杯为例,由于原本的光源采用HID灯,但是由于关闭后,无法立刻就恢复其照度,但改采LED光源,就能立即解决。因此其球场也在去年改采LED光源,其他像是大卖场、造船场、仓储等,在北美市场都陆续采用LED,因此发展相当快速,唯独其产品品质有较高的要求,寿命时间至少要十万小时。


Littelfuse资深技术行销工程师游恭豪也指出,即便是Littelfuse本身,由于客户种类太多,很难判断有哪些客户已经投入LED工业照明领域,当然有一部份的原因在于工业照明领域的标准在定义上相对模糊所导致。


但游恭豪指出,不论是居家或是户外照明等,其产品生命周期都相当的长,再加上市场饱和的情况下,尽管台湾投入的业者不多,但在今年的确也开始出现了移动的情况,但进入工业照明领域,最大的问题在于,需要长时间的耕耘与摸索,由于工业照明的特色是少量多样,所以会更为辛苦,订单会更难取得。



图2 : 超级杯将光源改为LED照明,对于LED在照明领域的扩张来说,又是一个新的里程碑。 (Source:scooperinc.com)
图2 : 超级杯将光源改为LED照明,对于LED在照明领域的扩张来说,又是一个新的里程碑。 (Source:scooperinc.com)

LED保护 为设计基本要件

若将LED工业照明作一个概略的分类,像是户外的天井灯或是体育场的照明,可被归类在一类;厂房室内则是一个重要类别,最后则是难度最高的防爆照明。


游恭豪指出,光是在厂房里的LED照明,就应用环境不同,像是高震动、多尘、爆炸,甚至是无尘室等,对于LED照明的要求也会有所差异,再加上LED照明也要考量人因工程的问题,所以大体来说,需要考量的面向相当多元,就市场特性来看,少量多样可以说是LED工业照明的主要特色,所以从系统整合乃至于整厂输出的角度而言,产品本身的品质就必须足以让整合业者信任,否则无法打入厂房内的照明系统。当然,基本的可靠度、管理维护与突波电压防护等,都是基本要求。


Tony Armstrong进一步表示,与白炽灯不同的是,LED 灯不是「加热器」,白炽灯本质上是个电阻器,而LED 本质上则是个二极体。所以LED需要相对严格的稳定电流和电压,这一般由 LED 灯驱动器电路提供。不过这种电路容易出现开路或短路情况,另外高温对 LED 灯的可用光输出也有负面影响,因此设计 LED 驱动器电路及电路安装方法时必须特别留意。


白炽灯可以直接接受 AC 电源电压,与此不同,LED 需要稳定的DC电压和电流。因此,视电源不同而不同,可能需要AC至DC转换。无论何时,只要发生转换,事情就总是有可能出错。在很多情况下,这类故障可能有损甚至毁掉 LED驱动电路,而没有了驱动电路,LED本身不可能发光。所以,本身纳入LED保护功能的驱动器是非常有用的。



图3 : LED照明虽然能够省下不少电力,但对于电路保护仍有一定的要求存在。 (摄影:姚嘉洋)
图3 : LED照明虽然能够省下不少电力,但对于电路保护仍有一定的要求存在。 (摄影:姚嘉洋)

藉由简单透过LED施加正确的电流量,将允许其取得特定的每瓦亮度输出。针对单一LED这可能不是什么大问题,然而如果有许多成串LED,则其亮度输出将非常可观。


但是哪些事情可能对LED及其驱动器电路的工作产生负面影响? 答案是,很多事情都可能对 LED 输出产生负面影响,甚至使LED发生灾难性故障。这些事情包括:过压或过流。当然,如前面所述,热环境不佳也可能对LED的使用寿命造成负面影响,因此良好的整体热设计也是至关重要的。此外,为防遗忘,这里再强调一次,LED驱动器电路也很重要。


保护LED免受过热影响更加富有挑战性。 LED灯具常常很小,几乎没什么散热途径,而且可能没有风扇增加空气流动,提供冷却。因此大部分热量不得不透过传导来散出。这样一来,在设计阶段必须考虑良好的散热。此外,LED驱动器电路若能以非常高的转换效率工作也会非常有帮助,因为转换效率越高,以转换功耗形式产生的热量越少。因此,具备90%以上效率的 LED 驱动器对于良好的热设计是极有帮助的。


环境不同 保护等级也不同

游恭豪观察驱动电源业者的状况并谈到,从家用、商用到工业用,对于突波电压防护,各有不同的标准要求,像是家用仅需1kV即可,商用则要到4kV,进入到工业用,则会一口气提升到10kV的水准,一般来说,驱动电源业者都会同时提供规格要求的方案,但如同前面所提到的,由于工业规格相对少量多样,所以业者们所采用的策略是将既有的商用产品依照客户的需求,再加上工规防护的设计,这种作法相对较有弹性。



图4 : 愈高功率的LED照明方案,对于电路保护的要求,也就愈为严苛(Source:www.greenlightingled.com)
图4 : 愈高功率的LED照明方案,对于电路保护的要求,也就愈为严苛(Source:www.greenlightingled.com)

张文贵也提及,就英飞凌的角度来说,英飞凌毕竟仅是半导体元件供应商,对于机构或是灯具相关的设计,并无法介入这些领域,仅能就功率大小、是否调光、LED光源矩阵如何排列与电子​​控制等领域进行发挥。


他更谈到,一般来说,工业电源的交流电电压,其输入范围大致上可以分为两类,一是120V到277V,其次是340V到480V,后者大多出现在美国与加拿大区域居多,而且拥有相当大的比重。而欧洲也有自己的交流电输入范围,220至240V。


就突波耐压的层级而言,120V至277V,其耐压标准为4000V,340V至480V则为10,000V,通常后者还会再加装SPD(Surge Protection Device;电涌保护器),以吸收突如其来的雷极能量。当然,英飞凌本身在电路设计上也会有保护机制,但仍要被动元件的支援,才能形成完善的电路保护设计。


而针对SPD,游恭豪也从被动元件供应商的角度切入,进一步说明了SPD的具体要求,在遇到落雷时,SPD本身就必须承载动辄好几百万伏特的电压,诸多国家在许多电器保护设计上,也将SPD纳入基本要求,而SPD另一个任务,则是在拥有诸多重电设备的厂房内,扮演保护角色,毕竟每台设备在启动时,一定会有突波电压出现,有可能会对其他的电气设备造成破坏,因此,SPD的确也适用于工业照明。


不过,除此之外,大部份的工业客户对于SPD也有防水的需求,一般来说都要达到IP66的等级,仅有少部份会需要到IP67(深水等级)。


结论

不难发现,LED照明的应用领域已经向外扩张到工业场域,尽管该市场才正进入发展阶段,但市场少量多样的特性,辅以进入门槛又高等,LED工业照明未来的发展值得观察,却也值得台湾照明业者一试。


**刊头图片(Source:initial-led.com)


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