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LED邁入工業照明新時代
高效率背後 仍要保護電路撐腰

【作者: 姚嘉洋】   2016年06月03日 星期五

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LED照明的相關發展在這幾年已經相當成熟,但如果進一步地看,事實上,LED照明在路燈、智慧家庭與商用照明等應用場景的發展較為快速。但技術的不斷演進,我們所常見的LED照明應用的滲透率的確也在逐年提升,最主要的原因當然是元件成本下降與發光效率的提升所致。


LED具技術優勢 工業照明成新興處女地

在這樣的背景下,LED照明業者就必須尋找下一個處女地,讓企業本身仍然可以維持一定的獲利水準,而這個處女地就現階段而言,就是工業照明。根據LEDinside最新「2016 工程照明防爆燈市場」研究報告指出,2016年全球LED工業照明市場規模達29.32億美元,並以超過15%的年增長率成長,2020年市場規模將達52.04億美元。


LEDinside研究副理吳盈潔表示,得益於石油及相關產業的推動,防爆燈在採礦、石油、軍事、交通等工業領域占有很大的市場地位,2016年由於替換需求驅動,LED防爆燈市場前景看好。


LEDinside也指出,LED防爆燈已有多年使用時間,各企業在研發方面也掌握較多經驗,開發出一代又一代的產品,基本滿足了危險場所的使用要求。吳盈潔指出,LED防爆燈比傳統防爆燈的體積更小、重量更輕、壽命更長,價格也較適中,深得用戶滿意。對於石油、石化行業照明場所而言,如考慮專案的整體品質、安全性能、成本控制與未來汞燈廢除條例等,選擇已成熟的LED防爆燈是必經之路。


而凌力爾特電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong則是談到,商業與工業應用在向LED過渡的過程中,發揮其引領作用是毫不奇怪的,因為在商業建築的能源消費總量中,照明通常占了 25% 至 40%。由於這些應用需要提供長時間的高強度光,所以節省電能的經濟回報是相對短期的。其次,LED 燈具的長壽命極大地降低了更換燈泡的成本。這些更換成本不僅包括燈泡本身的價格,還包括實際更換時的人工成本,而在某些應用中這種人工成本是很龐大的。



圖1 : 當居家LED照明市場出現飽和後,照明大廠自然就會尋找新的市場出路。(Source:pressroom.gelighting.com)
圖1 : 當居家LED照明市場出現飽和後,照明大廠自然就會尋找新的市場出路。(Source:pressroom.gelighting.com)

工業照明少量多樣 台灣仍要加把勁

英飛凌電源管理與多元電子事業處資深行銷經理張文貴表示,工業LED照明對台灣來說,還是較為陌生,理由在於台灣業者對於LED照明還是偏重量大的終端應用,而工業領域並沒有較大的數量需求。


此外,細分來看,不同的應用場景,所需要的LED光源的要求都不甚相同。就應用場景而言,可以分為,重工業、電子工廠、食品工廠或是戶外煙囪的警示燈等,像是食品工廠的LED照明,對於防水的能力就會特別要求,原因來自於食品需要高壓水柱沖洗,LED照明在機構設計上,就必須要特別注意。此外,如FAA(美國聯邦航空總署)也對於煙囪警示燈的警示燈有相關的照明。


美國超級盃場地在去年全面改用LED照明,工業領域使用的天井燈與防爆燈,也開始逐漸使用LED,市場產值雖然不算太大,但就利潤而言,仍足以吸引諸多照明大廠投入。

張文貴也以北美超級盃為例,由於原本的光源採用HID燈,但是由於關閉後,無法立刻就恢復其照度,但改採LED光源,就能立即解決。因此其球場也在去年改採LED光源,其他像是大賣場、造船場、倉儲等,在北美市場都陸續採用LED,因此發展相當快速,唯獨其產品品質有較高的要求,壽命時間至少要十萬小時。


Littelfuse資深技術行銷工程師游恭豪也指出,即便是Littelfuse本身,由於客戶種類太多,很難判斷有哪些客戶已經投入LED工業照明領域,當然有一部份的原因在於工業照明領域的標準在定義上相對模糊所導致。


但游恭豪指出,不論是居家或是戶外照明等,其產品生命週期都相當的長,再加上市場飽和的情況下,儘管台灣投入的業者不多,但在今年的確也開始出現了移動的情況,但進入工業照明領域,最大的問題在於,需要長時間的耕耘與摸索,由於工業照明的特色是少量多樣,所以會更為辛苦,訂單會更難取得。



圖2 : 超級盃將光源改為LED照明,對於LED在照明領域的擴張來說,又是一個新的里程碑。(Source:scooperinc.com)
圖2 : 超級盃將光源改為LED照明,對於LED在照明領域的擴張來說,又是一個新的里程碑。(Source:scooperinc.com)

LED保護 為設計基本要件

若將LED工業照明作一個概略的分類,像是戶外的天井燈或是體育場的照明,可被歸類在一類;廠房室內則是一個重要類別,最後則是難度最高的防爆照明。


游恭豪指出,光是在廠房裡的LED照明,就應用環境不同,像是高震動、多塵、爆炸,甚至是無塵室等,對於LED照明的要求也會有所差異,再加上LED照明也要考量人因工程的問題,所以大體來說,需要考量的面向相當多元,就市場特性來看,少量多樣可以說是LED工業照明的主要特色,所以從系統整合乃至於整廠輸出的角度而言,產品本身的品質就必須足以讓整合業者信任,否則無法打入廠房內的照明系統。當然,基本的可靠度、管理維護與突波電壓防護等,都是基本要求。


Tony Armstrong進一步表示,與白熾燈不同的是,LED 燈不是「加熱器」,白熾燈本質上是個電阻器,而LED 本質上則是個二極體。所以LED需要相對嚴格的穩定電流和電壓,這一般由 LED 燈驅動器電路提供。不過這種電路容易出現開路或短路情況,另外高溫對 LED 燈的可用光輸出也有負面影響,因此設計 LED 驅動器電路及電路安裝方法時必須特別留意。


白熾燈可以直接接受 AC 電源電壓,與此不同,LED 需要穩定的DC電壓和電流。因此,視電源不同而不同,可能需要AC至DC轉換。無論何時,只要發生轉換,事情就總是有可能出錯。在很多情況下,這類故障可能有損甚至毀掉 LED驅動電路,而沒有了驅動電路,LED本身不可能發光。所以,本身納入LED保護功能的驅動器是非常有用的。



圖3 : LED照明雖然能夠省下不少電力,但對於電路保護仍有一定的要求存在。(攝影:姚嘉洋)
圖3 : LED照明雖然能夠省下不少電力,但對於電路保護仍有一定的要求存在。(攝影:姚嘉洋)

藉由簡單透過LED施加正確的電流量,將允許其取得特定的每瓦亮度輸出。針對單一LED這可能不是甚麼大問題,然而如果有許多成串LED,則其亮度輸出將非常可觀。


但是哪些事情可能對LED及其驅動器電路的工作產生負面影響? 答案是,很多事情都可能對 LED 輸出產生負面影響,甚至使LED發生災難性故障。這些事情包括:過壓或過流。當然,如前面所述,熱環境不佳也可能對LED的使用壽命造成負面影響,因此良好的整體熱設計也是至關重要的。此外,為防遺忘,這裡再強調一次,LED驅動器電路也很重要。


保護LED免受過熱影響更加富有挑戰性。LED燈具常常很小,幾乎沒什麼散熱途徑,而且可能沒有風扇增加空氣流動,提供冷卻。因此大部分熱量不得不透過傳導來散出。這樣一來,在設計階段必須考慮良好的散熱。此外,LED驅動器電路若能以非常高的轉換效率工作也會非常有幫助,因為轉換效率越高,以轉換功耗形式產生的熱量越少。因此,具備90%以上效率的 LED 驅動器對於良好的熱設計是極有幫助的。


環境不同 保護等級也不同

游恭豪觀察驅動電源業者的狀況並談到,從家用、商用到工業用,對於突波電壓防護,各有不同的標準要求,像是家用僅需1kV即可,商用則要到4kV,進入到工業用,則會一口氣提升到10kV的水準,一般來說,驅動電源業者都會同時提供規格要求的方案,但如同前面所提到的,由於工業規格相對少量多樣,所以業者們所採用的策略是將既有的商用產品依照客戶的需求,再加上工規防護的設計,這種作法相對較有彈性。



圖4 : 愈高功率的LED照明方案,對於電路保護的要求,也就愈為嚴苛(Source:www.greenlightingled.com)
圖4 : 愈高功率的LED照明方案,對於電路保護的要求,也就愈為嚴苛(Source:www.greenlightingled.com)

張文貴也提及,就英飛凌的角度來說,英飛凌畢竟僅是半導體元件供應商,對於機構或是燈具相關的設計,並無法介入這些領域,僅能就功率大小、是否調光、LED光源矩陣如何排列與電子控制等領域進行發揮。


他更談到,一般來說,工業電源的交流電電壓,其輸入範圍大致上可以分為兩類,一是120V到277V,其次是340V到480V,後者大多出現在美國與加拿大區域居多,而且擁有相當大的比重。而歐洲也有自己的交流電輸入範圍,220至240V。


就突波耐壓的層級而言,120V至277V,其耐壓標準為4000V,340V至480V則為10,000V,通常後者還會再加裝SPD(Surge Protection Device;電湧保護器),以吸收突如其來的雷極能量。當然,英飛凌本身在電路設計上也會有保護機制,但仍要被動元件的支援,才能形成完善的電路保護設計。


而針對SPD,游恭豪也從被動元件供應商的角度切入,進一步說明了SPD的具體要求,在遇到落雷時,SPD本身就必須承載動輒好幾百萬伏特的電壓,諸多國家在許多電器保護設計上,也將SPD納入基本要求,而SPD另一個任務,則是在擁有諸多重電設備的廠房內,扮演保護角色,畢竟每台設備在啟動時,一定會有突波電壓出現,有可能會對其他的電氣設備造成破壞,因此,SPD的確也適用於工業照明。


不過,除此之外,大部份的工業客戶對於SPD也有防水的需求,一般來說都要達到IP66的等級,僅有少部份會需要到IP67(深水等級)。


結論

不難發現,LED照明的應用領域已經向外擴張到工業場域,儘管該市場才正進入發展階段,但市場少量多樣的特性,輔以進入門檻又高等,LED工業照明未來的發展值得觀察,卻也值得台灣照明業者一試。


**刊頭圖片(Source:initial-led.com)


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