水晶灯饰使用之LED蜡烛灯泡设计要点

量能光电

水晶装饰灯(以下简称水晶灯)常为室内照明及装饰之灯具,为住宅或商业空间带来高贵及华丽的感受。水晶灯制造商可以使用多种水晶材料,设计制造出各式美轮美奂的水晶灯具;水晶灯吸引人目光之处,在于光线穿透水晶时,不同波长(即不同颜色)的光线在水晶内之折射率不同,所以人眼看到的水晶会发出有如彩虹一般的颜色,即为色散现象。不同的水晶材质、切削面数量角度、抛光程度皆会让水晶灯组装完成后,观赏时有着不同的感受。

图一、晶体之色散现象

常见水晶灯使用E14接口的钨丝灯泡,或是内有卤素灯泡之白炽灯泡,统称为蜡烛灯泡(Candle Lamp);一盏小型的水晶灯可能需要安装8-10个蜡烛灯,中大型水晶灯可能需要安装20-50个以上的蜡烛灯泡,常见的传统蜡烛灯泡为25W(200-250lm左右)及40W(400-480lm左右),一盏小型的水晶灯开启灯光则需要250W(低亮度)至400W(高亮度),耗电量很大,如果是大型水晶灯更是耗电;而且点亮水晶灯同时,因为传统蜡烛灯泡温度很高,间接也会造成室内温度上升,增加空调电费成本。故许多消费者安装完水晶灯后,因为太耗电故不会常???,反而失去了水晶的的价值。

使用LED替代传统蜡烛灯可以有效解决水晶灯耗电的问题,保持一样的亮度下,安装LED蜡烛灯泡可以节省约80%用电。但在LED蜡烛灯泡设计上应该注意以下五点特性,才能保持水晶灯原本的价值:

1. 演色性(Color Rending Index,CRI)高,可见光区域内光谱越齐全越好,才可使水晶色散出之光线颜色齐全。

2. 发光角度大,能越接近360度越佳,才可照亮光源四周的水晶。

3. 配光需均匀,配光曲线近似形圆形,发光角内亮暗差异很少。

4. 外型精美,不影响水晶灯艺术感。

5. 发光不闪烁、电源安全及寿命长

图二、钨丝蜡烛灯光谱图                                                                    图三、钨丝蜡烛灯CRI Index

图四、钨丝蜡烛灯配光曲线图

LED演色性

提升LED演色性方面,可以透过多种混色技术达到接近传统钨丝灯之水准,目前以蓝色芯片配合两种或三种萤光粉制成之LED元件较为常见,LED长时间点亮造成光衰或色偏现象也较轻微。此种制程技术制作出之LED演色性已可达95-97。制作LED蜡烛灯泡之LED发光元件,演色性要求至少要能够大于80,如果能够大于90则是更高档次的选择;一般演色性约70-75间的LED元件,因为CRI中的R9分数太低,红色光谱不足,是不太适合用来制作LED蜡烛灯的。

图五、CRI=70/80/90 LED与传统蜡烛灯演色性比较

发光角度大

目前市面上LED蜡烛灯亮度主流规格有3W(200lm)及5W(300-400lm)两种,主要为取代25W及40W之传统蜡烛灯,亮度与传统蜡烛灯已经可以匹敌;但因LED为平面指向性光源,单颗LED发光角度约为120度,为了达到全周光的目的,常见之LED蜡烛灯设计会透过以下几种方式增加发光角度:

1. 将SMD LED(Surface Mounted Device)銲接在长条状电路板上,分成数个方向插在灯泡基座上

2. 远程萤光粉技术(Remote Phosphor):将萤光粉混入塑料中,将射出成形成之萤光粉帽盖在发出蓝光之LED元件上

3. 导光柱技术:使用各形式之导光柱,将LED光线散射至各个方向

4. 雾状灯罩:使用含有分散光线填充物之塑料或喷砂玻璃制作灯罩,将LED发出光线散开

一般不附有一次或二次光学透镜之LED元件常见为Lambertian光型,发光角度约为120o(亮度区间为50~100%)。本文提出一种新式LED光源设计,使用四片发光元件组合成一倒三角金字塔状的发光体,可以使发光体之发光角度为360度全周光,且各角度得到的发光照度可以均匀化,亮暗区差异可以缩减到最小,如下图七所示。

图六、不附有一次或二次光学透镜之LED元件发光角度

图七、倒三角金字塔状发光体

此发光体可以使用各种LED元件组成,其中以COB(Chip On Board)技术制作之LED元件为较佳之选择,因COB LED元件之发光面积较大,为面光源而非点光源,可以降低LED单点亮度高造成人眼眩光之不适感;而且COB面光源可以将发光面尽可能制作成接近三角形的形状,减少因LED元件不发光区造成之暗影问题;再者,COB元件之基板要越薄越好,因太厚的基板可能造成组合后未发光区域太大也会对配光曲线有严重影响。

一般COB之LED基板常使用材质为铜及铝基板,金属具有可挠性,如果基板厚度太薄,则很容易在LED封装制程中造成翘曲,造成元件底部不平整而导致元件散热不良,故一般铜铝基板之COB LED元件基板厚度约为0.8-2.0mm;如使用陶瓷基板制作之COB LED元件则可以达到基板薄型化之优点,常用陶瓷基板厚度可为0.3~0.5mm,不会因热制程产生翘曲及形变(热膨胀系数趋近于0),而且陶瓷为绝缘材质,也有利于High Voltage之LED设计可以顺利通过hipot测试。

配光均匀

除了发光角度够大之外,配光均匀更是LED蜡烛灯容易被忽略的一个重点。配光均匀的LED蜡烛灯泡,安装在水晶灯上,才不会出现明显的亮暗区光斑。全广角灯泡的配光曲线图看起来通常像一只张开双翅的蝴蝶,灯泡因为尾部之基座影响,故底部发光角度最大约为300度左右;有时灯泡为了造型需要会安装拉尾灯罩,也会影响一部分灯泡顶端的配光曲线完整性。总之,配光曲线像似蝴蝶的双翼部分,能够越接近一个正圆越好,亮暗分布如果能够在±10%以内则无明显光斑。本文提出之倒三角形光源,制作成LED蜡烛灯泡支配光曲线如图八,灯泡底部发光角度与传统蜡烛灯相同,可达300o;灯泡顶部因灯罩外壳有拉尾设计,故配光曲线向下掉,如使用非拉尾灯罩则可达到与钨丝蜡烛灯非常接近之配光曲线。

图八、倒三角光源之LED蜡烛灯配光曲线

图九、使用倒三角光源之LED蜡烛灯泡

外型精美

外型部分则跳脱了LED技术的范畴,但外型却是消费者第一个会选择的重要因素,毕竟LED蜡烛灯是安装在艺术灯具上,外型上就必须多花些功夫,在不影响功能性的条件下进行设计与美化。

驱动电源选择

LED蜡烛灯泡需要在有限的空间内置入光源、散热器及驱动器,是一项复杂的设计及工艺技术。虽然目前驱动器以AC-DC线性驱动器较常使用,未来也可能见到其他种类的驱动电源可能被用在LED蜡烛灯泡中,重点在不闪烁(在人眼及数码摄影设备上不被察觉),效率高、安全及长效。

使用LED取代传统光源已经是必然的趋势,但在设计及制作LED灯具时,更应该顾及使用光源者的感受,能够创造舒适和谐的光线是LED照明需要更加注重的部份。

作者:量能光电 Ceraenergy Co., Ltd. 研发处 陈志慧

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