水晶燈飾使用之LED蠟燭燈泡設計要點

量能光電

水晶裝飾燈(以下簡稱水晶燈)常為室內照明及裝飾之燈具,為住宅或商業空間帶來高貴及華麗的感受。水晶燈製造商可以使用多種水晶材料,設計製造出各式美輪美奐的水晶燈具;水晶燈吸引人目光之處,在於光線穿透水晶時,不同波長(即不同顏色)的光線在水晶內之折射率不同,所以人眼看到的水晶會發出有如彩虹一般的顏色,即為色散現象。不同的水晶材質、切削面數量角度、拋光程度皆會讓水晶燈組裝完成後,觀賞時有著不同的感受。

圖一、晶體之色散現象

常見水晶燈使用E14接口的鎢絲燈泡,或是內有鹵素燈泡之白熾燈泡,統稱為蠟燭燈泡(Candle Lamp);一盞小型的水晶燈可能需要安裝8-10個蠟燭燈,中大型水晶燈可能需要安裝20-50個以上的蠟燭燈泡,常見的傳統蠟燭燈泡為25W(200-250lm左右)及40W(400-480lm左右),一盞小型的水晶燈開啟燈光則需要250W(低亮度)至400W(高亮度),耗電量很大,如果是大型水晶燈更是耗電;而且點亮水晶燈同時,因為傳統蠟燭燈泡溫度很高,間接也會造成室內溫度上升,增加空調電費成本。故許多消費者安裝完水晶燈後,因為太耗電故不會常常開啟,反而失去了水晶的的價值。

使用LED替代傳統蠟燭燈可以有效解決水晶燈耗電的問題,保持一樣的亮度下,安裝LED蠟燭燈泡可以節省約80%用電。但在LED蠟燭燈泡設計上應該注意以下五點特性,才能保持水晶燈原本的價值:

1. 演色性(Color Rending Index,CRI)高,可見光區域內光譜越齊全越好,才可使水晶色散出之光線顏色齊全。

2. 發光角度大,能越接近360度越佳,才可照亮光源四周的水晶。

3. 配光需均勻,配光曲線近似形圓形,發光角內亮暗差異很少。

4. 外型精美,不影響水晶燈藝術感。

5. 發光不閃爍、電源安全及壽命長

圖二、鎢絲蠟燭燈光譜圖                                                                    圖三、鎢絲蠟燭燈CRI Index

圖四、鎢絲蠟燭燈配光曲線圖

LED演色性

提昇LED演色性方面,可以透過多種混色技術達到接近傳統鎢絲燈之水準,目前以藍色晶片配合兩種或三種螢光粉製成之LED元件較為常見,LED長時間點亮造成光衰或色偏現象也較輕微。此種製程技術製作出之LED演色性已可達95-97。製作LED蠟燭燈泡之LED發光元件,演色性要求至少要能夠大於80,如果能夠大於90則是更高檔次的選擇;一般演色性約70-75間的LED元件,因為CRI中的R9分數太低,紅色光譜不足,是不太適合用來製作LED蠟燭燈的。

圖五、CRI=70/80/90 LED與傳統蠟燭燈演色性比較

發光角度大

目前市面上LED蠟燭燈亮度主流規格有3W(200lm)及5W(300-400lm)兩種,主要為取代25W及40W之傳統蠟燭燈,亮度與傳統蠟燭燈已經可以匹敵;但因LED為平面指向性光源,單顆LED發光角度約為120度,為了達到全周光的目的,常見之LED蠟燭燈設計會透過以下幾種方式增加發光角度:

1. 將SMD LED(Surface Mounted Device)銲接在長條狀電路板上,分成數個方向插在燈泡基座上

2. 遠程螢光粉技術(Remote Phosphor):將螢光粉混入塑料中,將射出成形成之螢光粉帽蓋在發出藍光之LED元件上

3. 導光柱技術:使用各形式之導光柱,將LED光線散射至各個方向

4. 霧狀燈罩:使用含有分散光線填充物之塑料或噴砂玻璃製作燈罩,將LED發出光線散開

一般不附有一次或二次光學透鏡之LED元件常見為Lambertian光型,發光角度約為120o(亮度區間為50~100%)。本文提出一種新式LED光源設計,使用四片發光元件組合成一倒三角金字塔狀的發光體,可以使發光體之發光角度為360度全周光,且各角度得到的發光照度可以均勻化,亮暗區差異可以縮減到最小,如下圖七所示。

圖六、不附有一次或二次光學透鏡之LED元件發光角度

圖七、倒三角金字塔狀發光體

此發光體可以使用各種LED元件組成,其中以COB(Chip On Board)技術製作之LED元件為較佳之選擇,因COB LED元件之發光面積較大,為面光源而非點光源,可以降低LED單點亮度高造成人眼眩光之不適感;而且COB面光源可以將發光面儘可能製作成接近三角形的形狀,減少因LED元件不發光區造成之暗影問題;再者,COB元件之基板要越薄越好,因太厚的基板可能造成組合後未發光區域太大也會對配光曲線有嚴重影響。

一般COB之LED基板常使用材質為銅及鋁基板,金屬具有可撓性,如果基板厚度太薄,則很容易在LED封裝製程中造成翹曲,造成元件底部不平整而導致元件散熱不良,故一般銅鋁基板之COB LED元件基板厚度約為0.8-2.0mm;如使用陶瓷基板製作之COB LED元件則可以達到基板薄型化之優點,常用陶瓷基板厚度可為0.3~0.5mm,不會因熱製程產生翹曲及形變(熱膨脹係數趨近於0),而且陶瓷為絕緣材質,也有利於High Voltage之LED設計可以順利通過hipot測試。

配光均勻

除了發光角度夠大之外,配光均勻更是LED蠟燭燈容易被忽略的一個重點。配光均勻的LED蠟燭燈泡,安裝在水晶燈上,才不會出現明顯的亮暗區光斑。全廣角燈泡的配光曲線圖看起來通常像一隻張開雙翅的蝴蝶,燈泡因為尾部之基座影響,故底部發光角度最大約為300度左右;有時燈泡為了造型需要會安裝拉尾燈罩,也會影響一部分燈泡頂端的配光曲線完整性。總之,配光曲線像似蝴蝶的雙翼部分,能夠越接近一個正圓越好,亮暗分佈如果能夠在±10%以內則無明顯光斑。本文提出之倒三角形光源,製作成LED蠟燭燈泡支配光曲線如圖八,燈泡底部發光角度與傳統蠟燭燈相同,可達300o;燈泡頂部因燈罩外殼有拉尾設計,故配光曲線向下掉,如使用非拉尾燈罩則可達到與鎢絲蠟燭燈非常接近之配光曲線。

圖八、倒三角光源之LED蠟燭燈配光曲線

圖九、使用倒三角光源之LED蠟燭燈泡

外型精美

外型部分則跳脫了LED技術的範疇,但外型卻是消費者第一個會選擇的重要因素,畢竟LED蠟燭燈是安裝在藝術燈具上,外型上就必須多花些功夫,在不影響功能性的條件下進行設計與美化。

驅動電源選擇

LED蠟燭燈泡需要在有限的空間內置入光源、散熱器及驅動器,是一項複雜的設計及工藝技術。雖然目前驅動器以AC-DC線性驅動器較常使用,未來也可能見到其他種類的驅動電源可能被用在LED蠟燭燈泡中,重點在不閃爍(在人眼及數位攝影設備上不被察覺),效率高、安全及長效。

使用LED取代傳統光源已經是必然的趨勢,但在設計及製作LED燈具時,更應該顧及使用光源者的感受,能夠創造舒適和諧的光線是LED照明需要更加注重的部份。

作者:量能光電 Ceraenergy Co., Ltd. 研發處 陳志慧

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