因具備省電,、節(jié)能以及環(huán)保的優(yōu)勢，LED燈源可望取代傳統(tǒng)燈源成為新世代路燈主流,，惟目前市場產(chǎn)品良莠不一,，光、機(jī),、電,、熱等系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)仍有待突破，其中,，又以光,、熱的技術(shù)難度最高，所幸現(xiàn)今技術(shù)瓶頸已有重大突破,，將有助于日后路燈市場規(guī)模的加速擴(kuò)大,。

 
　　高油價、高電價時代,，如何有效提高照明設(shè)備的效率已成為節(jié)能,、減碳的重要工作。隨著LED的發(fā)光效率與壽命提升,，讓原本只能做指示或輔助用途的LED燈逐漸拓展到一般照明,，可達(dá)成提供夜間交通安全照明與維持夜間治安的路燈設(shè)施,，提升整體市容，達(dá)到省電,、節(jié)能以及環(huán)保的多功能性,。 

　　LED路燈質(zhì)量參差不齊 

　　LED路燈必須受到高、低氣溫差異以及日曬雨淋的天氣考驗(yàn),，有些產(chǎn)品安裝不到半年就故障,。LED路燈良莠不齊，造成使用者信心不足,，市場需求自然疲弱,。有些專家認(rèn)為，目前LED的發(fā)光效率與高壓鈉燈相較尚有差距,，作為裝飾照明和部分環(huán)境照明用無虞,；但若作為道路照明用，目前只適合院(園)區(qū)通道或次干道,；同時作為功能性為主的道路照明(主干道),，尚有諸多技術(shù)問題有待克服，如散熱,、二次光分布,、均勻度等，因此目前尚不宜做主干道照明,。 

　　光/機(jī)/電/熱四大技術(shù)瓶頸待解 

　　LED因?yàn)榘l(fā)光特性,，輸入電能約有80%以上轉(zhuǎn)換成熱能必須排出，且LED晶粒屬半導(dǎo)體材料,，因此不耐高溫,，且發(fā)光效率會隨芯片溫度上升而降低，散熱變成LED路燈的首要考慮,。其次,，路燈應(yīng)用須符合道路照明規(guī)范，依照區(qū)域與道路狀況的不同,，分別會根據(jù)照度,、照度均勻度等有不同的規(guī)定，因此光學(xué)的設(shè)計(jì)成為LED路燈第二大挑戰(zhàn),。其他如LED需要直流驅(qū)動,，因此排列方式與電源供應(yīng)器的選用都是技術(shù)重點(diǎn)，還有耐風(fēng)壓,、耐雷擊,、耐震動等安全性考慮，都增加LED路燈設(shè)計(jì)困難性,。 

　　簡單來說,，LED燈具就是要考慮熱,、光、電,、機(jī)四大部分?，F(xiàn)行市場上技術(shù)瓶頸最高的便是熱與光，以下將就此兩大技術(shù)部分進(jìn)行討論,。 

　　借散熱機(jī)構(gòu)/被動散熱/組件解決散熱問題 

　　LED芯片可承受的最高溫約為125～150℃,。在LED路燈應(yīng)用上，環(huán)境溫度可達(dá)35℃以上,，甚至高溫區(qū)域40℃以上，若不能有效散熱(控制結(jié)點(diǎn)溫度),，LED的壽命將快速遞減,。根據(jù)Cree的數(shù)據(jù)顯示(圖1)，若可將發(fā)光芯片結(jié)點(diǎn)溫度控制于65℃,，LED的整體壽命將可達(dá)10萬小時(以光衰30%計(jì)算),。

 
數(shù)據(jù)源：Cree
圖1　LED壽命圖

　　LED燈從芯片開始發(fā)熱，至散熱裝置把熱散掉,，整個熱傳示意圖如圖2,。前段從LED芯片到LED底座與LED封裝設(shè)計(jì)有關(guān)，所以選擇耐溫的芯片,、熒光粉,、封裝材質(zhì)以及熱阻低的封裝設(shè)計(jì)便是首要要件，目前熱阻一般均可達(dá)10K/W以下,，較好的技術(shù)已經(jīng)有達(dá)到5K/W的水平,。而后段LED底座到空氣端則與散熱機(jī)構(gòu)有關(guān)。

 
圖2　LED簡易熱傳示意圖

　　大功率LED的散熱機(jī)構(gòu)一般有幾種形式：

　　? 主動散熱
  　　加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱,、水冷散熱技術(shù),、半導(dǎo)體制冷芯片。

　　? 被動散熱 
　　自然散熱,、熱管加鰭片,、均溫板加鰭片、回路熱管技術(shù)等,。

　　以路燈應(yīng)用來說,，戶外安裝風(fēng)扇穩(wěn)定性會有問題，水冷式散熱與半導(dǎo)體制冷芯片則因?yàn)轫氁~外付出更多電力散熱,，且散熱端亦須要另外結(jié)構(gòu)散熱,，在LED路燈應(yīng)用上，嚴(yán)苛的戶外環(huán)境應(yīng)避免這樣的設(shè)計(jì),。以下將分析被動散熱形式的原理和相關(guān)比較,。

　　? 自然散熱 
　　自然散熱利用熱傳導(dǎo),、熱對流以及熱輻射作為基本的散熱原理。主要系利用熱傳導(dǎo)將熱導(dǎo)到燈具外壁面,，再藉由燈具表面積或鰭片與周圍空氣的對流散熱和對周圍物體的輻射散熱(圖2),。

　　? 熱管加鰭片 
　　熱管的傳熱現(xiàn)象，利用物質(zhì)相變化時,，可吸收或散發(fā)高熱能的現(xiàn)象,，因此使得熱管為具備極高的熱傳效率之設(shè)備。一般熱管仍須在冷凝端加鰭片散熱,，已經(jīng)是很成熟的技術(shù),，多應(yīng)用于計(jì)算機(jī)類設(shè)備中。
　　? 均溫板加鰭片 
　　均溫板與熱管的原理與理論架構(gòu)相同,，只有熱傳導(dǎo)的方向不相同,，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式,，而均溫板的熱傳導(dǎo)方式是二維的,，是面的熱傳導(dǎo)方式。
　　? 回路熱管散熱 
　　當(dāng)熱量從蒸發(fā)器傳至回路熱管內(nèi)的工作介質(zhì),，工作介質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)流向冷凝器,，釋放熱量冷凝后，再藉由蒸發(fā)器內(nèi)多孔材料的毛細(xì)力,，重新回到蒸發(fā)器,，重復(fù)循環(huán)。

　　在被動散熱的原件中,，回路熱管恰好補(bǔ)足熱管與均溫板無法遠(yuǎn)距離熱傳這一塊,，可將熱導(dǎo)至較遠(yuǎn)或較容易散熱的地方。

　　回路熱管技術(shù)原本應(yīng)用于太空科技,、人造衛(wèi)星等,，在LED照明是一項(xiàng)新嘗試，原理如圖3(A),，應(yīng)用示意如圖3(B),，散熱管可利用燈殼散熱，不須多加裝鰭片,，若考慮美觀,，可將散熱管繞置于燈殼內(nèi)部。
 

圖3　(A) 回路熱管示意圖 (B)回路熱管LED燈具應(yīng)用示意圖

　　散熱組件基本上只是一個工具,，沒有真正所謂的優(yōu)劣之分,，重要的乃是利用這些工具達(dá)到優(yōu)化應(yīng)用散熱之目的。下列將針對上述散熱機(jī)構(gòu)在LED路燈上應(yīng)用作相關(guān)比較。
　　? 自然散熱
　　優(yōu)點(diǎn)為散熱成本最低,、結(jié)構(gòu)最簡單,，較偏向于小瓦數(shù)散熱，如MR16的應(yīng)用,。
　　市場上以自身結(jié)構(gòu)本體散熱方式的LED路燈產(chǎn)品,，多為100瓦以下的產(chǎn)品，乃利用LED燈珠排放密度低的方式,，克服熱通量過高的問題,，但松排列卻產(chǎn)生光學(xué)上可能有多重影像的現(xiàn)象。
在實(shí)際應(yīng)用上,，若燈具利用鰭片散熱(鰭片外露于大氣中),，應(yīng)特別注意落塵或其他異物等積累于鰭片上，以至于造成散熱效果降低,，影響LED壽命,。
　　? 熱管加鰭片 
　　目前市場較成熟的熱管技術(shù)，一般單支直徑6毫米的圓管熱管便可解決約40～50瓦的熱量,，考慮折彎、打扁效率的折損,，一支熱管約可解決30～40瓦左右的熱量,。
以一個100瓦的燈具來說，約三支熱管便可將熱帶出LED模塊,，接著導(dǎo)至鰭片散熱,。針對高瓦數(shù)如100瓦以上的LED路燈產(chǎn)品，此為較合理,、成本較低廉的解決方式,。此散熱方式為目前LED路燈市場上的大宗。
　　? 均溫板加鰭片 
　　均溫板最大的優(yōu)點(diǎn)是解決高熱通量的散熱,，或是解決突擴(kuò)熱阻,，將不易散熱的點(diǎn)熱源，拓展成較易散熱的面熱源,，如圖4業(yè)界所做的模擬比較,。圖中左以單純鋁板加鰭片、中為三根熱管加鰭片,、右為均溫板加鰭片,，整個溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱源在整個散熱模塊的右方時,，三根熱管加鰭片很明顯優(yōu)于單純鋁板加鰭片,，但若利用均溫板，很明顯的溫度分布更佳，熱阻也從0.61K/W再降至0.54K/W,。這是強(qiáng)調(diào)傳熱的均勻性,，以確定鰭片的利用率。

 
圖4　鋁板,、熱管與均溫板之散熱模擬比較

　　均溫板加鰭片的散熱方式最大的限制是,，熱管可以把熱往水平或垂直方向傳遞，但均溫板僅能往垂直方向傳遞,，便造成在燈具外型設(shè)計(jì)上的限制(圖5),。目前市場上利用此散熱方式的廠家并不多，應(yīng)用的方式為六至八顆LED為一模塊,，以多模塊組合成大瓦數(shù)的LED路燈,。

 
圖5　均溫板與熱管熱傳方式之比較 

 　　? 回路熱管散熱 
　　回路熱管市售單一模塊可達(dá)最高瓦數(shù)為160瓦(圖6)，除了可解決高熱通量的問題外,，亦具有遠(yuǎn)距離熱傳,、抗重力以及可撓式的散熱管等優(yōu)點(diǎn)，若散熱管能有效與燈殼結(jié)合,，便能大幅降低整體燈具重量,。透過回路熱管，將位于燈具下方的LED模塊的熱帶往上燈殼,，透過上燈殼的大幅面積把熱量散掉,，以此方式便不會在燈殼上方看到鰭片，讓燈殼不只是外觀件也是功能件(圖7),。

 
圖6　一般回路熱管標(biāo)準(zhǔn)模塊

 
圖7　回路熱管在LED路燈的應(yīng)用

　　市售150瓦LED路燈采用回路熱管散熱的實(shí)際測試結(jié)果如圖8,。經(jīng)過有效的散熱設(shè)計(jì)，重量僅8.5公斤,，在環(huán)境溫度30℃,、無風(fēng)的環(huán)境下，量測到的芯片溫度為71℃,，熱阻值為0.27K/W,。目前市場上，以回路熱管散熱方式制作的LED路燈仍在少數(shù),，但因其整體燈具重量輕,，也吸引不少目光。

 
圖8　回路熱管在LED路燈的實(shí)測結(jié)果 

　　由于近期業(yè)界的投入,，LED路燈在熱問題解決上漸漸成熟,，上述的解決方式皆會因應(yīng)用的方式與切入的角度，考慮有所不同,。將上述方式就可靠度,、成本、設(shè)計(jì)難易度以及重量四個角度切入評比，作一簡單比較(圖9),。若是主打低價市場,，成本為第一考慮，鰭片或熱管加鰭片即為較佳選擇,；若是在安全有顧慮,，需要輕量化設(shè)計(jì)的路燈，回路熱管散熱在有效降低成本后,，會是不錯選擇,。

 
圖9　不同散熱方式比較

　　光均勻度為LED路燈另一大技術(shù)挑戰(zhàn) 

　　? LED發(fā)光效率/壽命/光色/演色性優(yōu)于傳統(tǒng)燈源
 　　 將傳統(tǒng)光源與LED光源總合作一比較，發(fā)光效率,、壽命如圖10,，光色與顯色性如圖11。

 
圖10　光源之發(fā)光效率與壽命比較

 
圖11　光源之色溫與顯色性比較

　　從圖10可看出LED燈發(fā)光效率與傳統(tǒng)燈源相比,，LED燈發(fā)光效率比水銀燈高,，但整體而言，高壓鈉燈發(fā)光效率最高,，然LED燈使用壽命卻遠(yuǎn)超過他種燈源,。若再將燈具效率、電源效率等因素考慮進(jìn)去,，可以更明顯可看出LED燈源的優(yōu)點(diǎn),。

　　走夜路時，若對面過來一個看不清楚臉面和衣服顏色的人,，會使人感覺到不安和可怕,。能顯示出表現(xiàn)物體顏色的光源性質(zhì)叫做顯色性(CRI),，在道路照明時,，選擇高顯色性的光源，較容易辨識出交通狀況,，有效降低犯罪率,。圖11中，LED燈在顯色性皆優(yōu)于高壓鈉燈與水銀燈,。

　　在色溫的選擇上,，因各地環(huán)境與設(shè)計(jì)狀況不同，以東方人來說,，主要是因?yàn)楦邷?、高濕的環(huán)境，會選擇白色或高色溫的照明,，若為氣氛照明則選擇以低色溫為主,；以臺灣地處亞熱帶來說，色溫選擇水銀燈或白光LED較佳。

　　以發(fā)光效率,、壽命,、光色以及演色性為四個主要評價點(diǎn)，將目前路燈光源市占率最多的水銀燈,、高壓鈉燈與LED燈做一比較(圖12),。

 
圖12　光源之綜合比較圖 

 　　? LED光均勻度須符合IES規(guī)范要求
  　　LED因?yàn)橹赶蛐员容^強(qiáng)，在路燈的應(yīng)用須利用反射板或光學(xué)透鏡等方式來達(dá)到一般道路規(guī)范均勻度的要求,。一般道路照明最常引用之國外標(biāo)準(zhǔn),，不外是北美照明協(xié)會(IES)及國際照明委員會(CIE)之標(biāo)準(zhǔn)，因國內(nèi)各地路燈亮度普遍高于國家標(biāo)準(zhǔn),，比美國亮兩倍,，比日本亮1.5倍，造成電力資源浪費(fèi),，所以本文將以IES的規(guī)范來討論,。

　　路燈會依照安裝的道路種類與區(qū)域分類規(guī)定，表2為IES輝度標(biāo)準(zhǔn)推薦值,，表3為IES照度標(biāo)準(zhǔn)推薦值,。以下利用市售150瓦LED路燈，其發(fā)光效率為每瓦58流明,，規(guī)格樣式與光形如圖13,，所模擬出的道路照明結(jié)果為表4(仿真軟件為Dialux 4.4版)。在表4的模擬條件下所得到的結(jié)果,，平均照度11 lux,，以柏油路面來說，可以安裝于住宅區(qū)內(nèi)的快速道路與主要干道,，若要裝置于混合區(qū)或商業(yè)區(qū)內(nèi),，則須要再增加發(fā)光效率或瓦數(shù)。照度均勻度來說,，模擬結(jié)果之照度均勻度為1.43,，小于3，符合所有道路種類與區(qū)域分類,。
 

 
圖13　市售150W LED燈具規(guī)格與光形

　　仿真結(jié)果之平均輝度為0.55cd/㎡,，以柏油路面來說，僅能安裝于住宅區(qū)內(nèi)的次要道路,，若要安裝于住宅區(qū)內(nèi)的快速道路與主要干道則須提升至0.6cd/㎡,。輝度均勻度來說，模擬結(jié)果之輝度均勻度為1.33,，小于3,，符合所有道路種類與區(qū)域分類,。

　　因此，以上述市售150瓦的模擬的例子來說,，囿于成本考慮,，僅采用發(fā)光效率每瓦58流明LED，所以在平均照度與平均輝度上,，僅達(dá)到可安裝于住宅區(qū)內(nèi)的次要道路,，但在照度均勻度與輝度均勻度這兩個部分，皆可符合所有道路種類與區(qū)域分類,。

　　LED路燈技術(shù)/規(guī)范有望推出市場成長 

　　上述就發(fā)光效率,、壽命、色溫與顯色性進(jìn)行比較,，以目前LED的規(guī)格,，確實(shí)擁有取代傳統(tǒng)光源的潛力，設(shè)計(jì)上端視道路類別與安裝區(qū)域來選用適合的LED,。而因?yàn)闃I(yè)界資源的陸續(xù)投入,，LED路燈的均勻度，透過反射版與光學(xué)透鏡的技術(shù),，已可達(dá)到道路照明規(guī)范,。 

　　LED路燈系統(tǒng)技術(shù)上，在熱,、光,、機(jī)、電都已有解決方案,，加上相關(guān)規(guī)范陸續(xù)出爐,，有效把關(guān)燈具技術(shù)與質(zhì)量，將可加強(qiáng)消費(fèi)者與政府的信心,，省電又省錢下,，相信LED路燈的推廣能為目前能源短缺的現(xiàn)況，提供一個良好的解決方案,。