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LED工程師基礎能力鑑定
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內容大綱
一. LED照明產品設計與應用LED照明市場發展與應用趨勢分析光學設計流程LED路燈設計LED車燈設計LED
MR16燈具設計LED檯燈設計
二. LED國際照明規範常識國際照明組織與標準概述規範訂定考量因素常用法規介紹LED照明法規制訂方向相關法規參考資料
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內容大綱三. LED產品發展趨勢
技術發展趨勢LED產品之應用現況LED產品發展趨勢分析LED未來技術展望
四. LED基本驅動電路LED驅動電路設計基本考量驅動電路設計種類AC-DC
Converters各式LED驅動電路LED基本連接方式
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內容大綱五. LED模組散熱概念
LED照明系統架構光源驅動電路控制系統散熱
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LED照明產品設計與應用LED照明市場發展與應用趨勢分析◎照明光源依發光原理分為:熱輻射發光、氣體放電發光、場致發光、半導體發光四大類。
◎一般常見(用)的照明光源:白熾燈/鹵素燈、螢光燈、高強度放電燈(High-intensity Discharge
Lamps;HID)最常用。
◎工業革命後，人類開始大量消耗能源。工業化集中生產與人口增加，人類大量集中生活在都市，使得都市範圍擴大，刺激對照明能源消耗。
◎照明市場規模龐大，照明能源佔全球能源消耗比例重要。
◎目前照明光源效率低，使得照明能源消率耗增加。
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LED照明產品設計與應用◎ 降低溫室氣體、節約能源及綠色環保意識的抬頭(京都議定書、哥本哈根會議、 ……..)。
◎發展能源效率高的光源，降低照明能源消耗增加率。
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LED照明產品設計與應用◎ 發光二極體（Light Emitting
Diode；LED）原理由半導體材料(砷、磷、鎵等Ⅲ-Ⅴ族元素)所製成之發光元件，元件具有兩個電極端子，在端子間施加電壓，通入極小電流，經由電子電洞之結合可將剩餘能量以光的形式激發釋出。
◎ LED具有發光效率高、壽命長、驅動簡單等優點，使得LED在照明市場的應用大幅擴張。
◎ LED 發光效率的成長以照明白光LED 為例，商品化規格早已達50 lm/W，超越
目前常用白熾燈泡與鹵素燈。日商Nichia(日亞化) 於2006年底推出100 lm/W 產品，其發
光效率與螢光燈相當。依據理論推算，白光LED 發光效率極大值約為199 lm/W，
未來仍有相當大進步空間。
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LED照明產品設計與應用
白光LED發光效率與市場價格發展趨勢
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LED照明產品設計與應用LED照明市場分析
年成長率
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LED照明產品設計與應用◎ LED 照明發展以北美、歐洲、中國及日本發展最快。
◎ LED 照明市場應用領域分析
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LED照明產品設計與應用
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LED照明產品設計與應用
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LED照明產品設計與應用
40吋LCD面板
70吋LED背光LCD TV
180W LED路燈 LED檯燈
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LED照明產品設計與應用
汽車頭燈與尾燈
東京跑馬場大型LED顯示幕 (66公尺寬、11.2公尺高，造價相當於新台幣10億元)
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LED照明產品設計與應用台灣LED產業分析◎
2009年經濟部能源局綠色能源產業旭升方案主推能源光電雙雄產業(太陽光電與LED照明光電產業)與能源「風火輪」產業(風力發電、氫能、燃料電池、生質能、能源資通與電動車輛產業)
資料來源:經濟部
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LED照明產品設計與應用
LED產業鏈變化 (資料來源：工研院IEK 2010/03)
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LED照明產品設計與應用LED的技術發展◎目前LED
待突破與解決的問題包括成本、發光效率及散熱等問題，要在短時間內取代現有光源有相當的難度。
◎未來LED 照明應用上的關鍵課題如何加強發光效率與亮度等光特性、降低成本以及散熱等。
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LED
基本驅動電路LED驅動電路設計基本考量◎理論上LED的使用壽命在10萬小時以上,若驅動電源的設計及驅動方式選擇不當,則LED極易損壞。
◎ LED電流、電壓特性
1. 非線性V-I曲線
2. 順向偏壓(VF), 操作電阻抗(Rd)
3. 電流小(幾百毫安)
4. 亮度由功率決定
資料來源：致茂電子
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LED 基本驅動電路◎根據LED的電壓、電流變化特性設計驅動電源。
以白光LED典型規格為例,按照LED的電流、電壓變化規律,一般應用順向電壓為3.0-3.6V左右,典型值電壓為3.3V,電流為20mA,當加於LED兩端的正向電壓超過3.6V後,順向電壓稍微增加一點,則LED的正向電流隨之增加很快,因此LED溫升很快,從而加速LED的光衰減,使LED的壽命縮短,甚至燒壞LED
。
解決方案 定電流(Constant Current) 驅動
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LED 基本驅動電路◎LED驅動方式可分
1. 定電壓(Constant Voltage; C.V.)驅動
穩壓精度不夠和穩流能力較差的缺點
(順向電流會作大範圍的變化)
2. 定電壓(Constant Current; C.C.)驅動
避免LED順向電壓的改變而引起劇烈的電流變動,同時恒定的電流,使LED的亮度穩定
注意:若阻抗增加時, 仍維持定電流,
則可能導致電壓過高
V
I
V
I
C.V. Mode
C.C. Mode
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LED 基本驅動電路◎理想的LED驅動方式是同時採用定電壓與定電流,但驅動器的成本增加
◎ LED電源的其他要求可靠性、效率(節能省電)、功因、均流、調光(Dimming)、壽命、保護、體積重量、方便使用、
…….
V
I C.C. Mode
C.V. Mode
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LED 基本驅動電路◎LED驅動電路的種類1. 線性式穩壓器(Linear
Regulator)將功率電晶體操作在線性區(當可變電阻用),並藉由回授機制控制輸出電壓或電流EX:
78XX,79XX,LM317,….
2. 切(交)換式穩壓器(Switching
Regulator)將功率電晶體操作在飽和區與截止區(當開關用),同樣並藉由回授機制控制輸出電壓或電流(需用PWM控制)
線性式穩壓器方塊圖
切換式穩壓器方塊圖
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LED 基本驅動電路
切換式穩壓器方塊圖與實際相片
DC/DC Stage
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LED 基本驅動電路◎各式LED驅動電路1.
非隔離型(Non-isolated)通常指輸出(負載端)與輸入電源端不同“地”(兩者不會構成迴路)
常見的非隔離型驅動電路(非隔離型直流-直流轉換器的六大架構)降壓型(Buck Converter) 昇壓型(Boost
Converter)昇降壓型(Buck-Boost Converter) 邱克型(Cuk Converter)Sepic
Converter Zeta Converter(Note:其中以降壓型、昇壓型與昇降壓型三者最常用)
2. 隔離型(Non-isolated)常見的隔離型驅動電路(隔離型轉換器的五大架構; AC-DC
Converters)返馳式(Flyback Converter) 順向式(Forward
Converter)推挽式(Push-Pull Converter) 半橋式(Half-Bridge
Converter)全橋式(Full-Bridge
Converter)Note:此部分有興趣者請參考電力電子學或切換式電源之相關書籍與文獻資料!
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LED 基本驅動電路◎市面上常見的LED驅動電路(1)
L
D
Q
Co RLVin
L D
Q Co RLVin L
DQ
Co RLVin
Tr
Vin
D
Co RL
Q
Tr
Vin
D1
Co RL
Q
D2
Lo
D3
降壓型 (Buck Converter) 昇壓型(Boost Converter)昇降壓型
(Buck-Boost Converter)
返馳式(Flyback Converter)順向式(Forward Converter)
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LED 基本驅動電路
LLC諧振式轉換器(LLC Resonant Converter)
Tr
Vin
D1
Co RLQ2
D2
Lo
Q1
Lm
LrCr
◎市面上常見的LED驅動電路(2)
Tr
Vin
D1
Co RL
Q2D2
Q1
Lm
LrCr
Tr
Vin
D1
Co RL
Q1
D2
Lo
Q2
C1
C2 非對稱(Asymmetrical)半橋式或主動箝位(Active Clamp)技術(工作在定頻)
(工作在變頻)LLC Converter的應用:LED路燈,高效率PC電源,LCD TV電源,…..
半橋式轉換器(Half-Bridge Converter)
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LED 基本驅動電路◎ LED驅動電路功率應用範圍與選擇:小功率(十瓦以下):降壓型(Buck Converter)
、昇壓型(Boost Converter) 、昇降壓型(Buck-Boost Converter) 、返馳式(Flyback
Converter)
中功率(十瓦~數十瓦):返馳式(Flyback Converter) 、 順向式(Forward Converter)
大功率(數十瓦~數百瓦):順向式(Forward Converter) 、推挽式(Push-Pull
Converter)、半橋式(Half-Bridge Converter) 、全橋式(Full-Bridge
Converter)
Note:大功率、高效率、高功因(如LED路燈、大型廣場照明等)經常使用LLC諧振式轉換器(LLC Resonant
Converter)非對稱(Asymmetrical)半橋式或主動箝位(Active Clamp)技術
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LED 基本驅動電路◎ LED驅動電源的規格
Note:更詳細請參考電源供應器相關規格解說!
(輸出功率)*100%/輸入功率
看下一頁說明!
(短路保護與過載保護)
電氣、電子設備中限制使用某些有害物質指令(RoHs):一般指無鉛製程(產品包裝綠色)(the Restriction of
the use of certain hazardous substances in electrical and
electronic equipment )
美國安規保險商試驗所（Underwriter Laboratories Inc;UL.）
CSA:北美安規
CE標誌象徵該產品符合歐盟健康，
安全和環保規定，確保消費者的安全
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LED 基本驅動電路◎功因改善的方法
1.
被動式(Passive)功率因數修正:用大電感與電容器所組成的濾波器網路來修正輸入電流波形,以改善功因缺點:體積大重量重，功因值在不高(最高約0.7左右)
2. 主動式(Active)功率因數修正:主動式功因修正器架構多為昇壓型電路架構（Boost
Topology）優點:功因值非常高(接近1)
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LED 基本驅動電路
Vin
R1
+
-R2 RN
LED 1 LED 2 LED N
Vin
R1
+
-
LED 1
LED 2
LED N
V in
+
-
R 1
LED 11
LED 12
LED 1N
R 1
LED 21
LED 22
LED 2N
R 1
LED M 1
LED M 2
LED M N
◎ LED基本連接方式
並聯
通過每個LED之電流無法一致
串聯 串並聯
所有LED上之電流均相同，故每個LED的亮度也會相同
直流驅動電壓較高，而且只要其中一顆LED損毀，則整串LED就會不動作
結合串聯與併聯之優點，但仍舊存在LED之電流無法完全相同之缺點
需用均流電路
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LED 基本驅動電路◎ PWM原理(用於穩壓、穩流、調光等控制)
D C
L
RL
Q
Vs
+
E/A
Vref
CompVg
OSC
+
-+
-
Compensation Network
Compensation Network
VeaVsw
R1
R2
Driver
-Vo
+
-
PWM Voltage Mode Control
V-
-
LED 基本驅動電路
Vswitch
Vcontrol
t
t
Vg
Vswitch
Vcontrol
t
t
Vg
降低Vcontrol之值，Duty Cycle變小 增加Vcontrol之值，Duty Cycle變
V ref
kVo
+
- Comp+
-
or
Vcontrol
VgE/A
Sawtooth Waveform
Inductor current
D C
L
RL
Q
Vs
+
E/A
Vref
CompVg
OSC
+
-+
-
Compensation Network
Compensation Network
VeaVsw
R1
R2
Driver
-Vo
+
-
PWM Voltage Mode Control
V-
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LED 基本驅動電路
VswVea
t
tVG
輕載
重載
當負載變動時，PWM 控制Duty Cycle的變化情形
V ref
kVo
+
- Comp+
-
or
Vcontrol
VgE/A
Sawtooth Waveform
Inductor current
D C
L
RL
Q
Vs
+
E/A
Vref
CompVg
OSC
+
-+
-
Compensation Network
Compensation Network
VeaVsw
R1
R2
Driver
-Vo
+
-
PWM Voltage Mode Control
V-
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LED 基本驅動電路◎常用且具代表性之 Voltage Mode 控制器
TL494(ON Semiconductor, SGS-Thompson, Ti-Unitrode,…… )
KA7500(the same as TL494, Fairchild Semiconductor)
SG3524,SG3525,……………
◎常用且具代表性之 Current Mode 控制器
UC384X(,Ti-Unitrode, ON Semiconductor, SGS-Thompson………… )
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◎電源及LED 照明應用設計挑戰1. 增加能效密度(總能效要求低功率應用或輕載及散熱限制)2.
改善功率因數(含低功率應用或輕載)3. 提高產品的可靠性4. 寬輸入電源範圍，支援277 Vac 電壓(有些北美地區的用電)5.
三端雙向可控矽開關(TRIAC)調光
Note: 不僅要求滿載的總能效(總效率)與功率因數,更要求低功率或輕載之效率與功因
LED 基本驅動電路
應對策略:採用更新技術或最佳化的電源拓撲結構及方案
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LED 的散熱◎由於高功率技術的發展，使得LED面臨到日益嚴苛的熱管理挑戰。溫度升高時不僅會造成亮度下降，且超過攝氏100
度時會加速本體及封裝材料的劣化。
◎為了避免高功率發光二極體產生的熱量累積，必須把熱快速傳到外界，因此LED封裝模組的熱阻抗必須大幅降低。
◎增加散熱面積、使用較佳熱傳導的材料及搭配風扇等，都是目前解決發光二極體散熱問題常用的方法。
◎熱源無法導出將影響LED發光效率。70%的LED會因為過高的接面溫度而故障，LED的產品生命週期、亮度、產品穩定度等都會隨接面溫度提高而衰竭。當LED熱源無法有效導出，將導致LED接面溫度(Junction
Temperature)升高，隨之影響到光的輸出效率衰減(光衰)。
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LED 的散熱◎接面溫度影響到了不只是效率或壽命等關係,接面溫度越高其壽命衰減越快。
◎LED散熱的改善1.晶片層級(Chip
level)LED光的取出效率只有20～30％，其他部分都變成熱(LED的發光效率不高,必需持續改善)。熱如果無法適時的排出，就會發生光衰的問題。具體做法包括降低封裝的熱阻抗、改善晶片外形、採用小型晶粒、改用矽質封裝材料與陶瓷封裝材料，能使LED
的使用壽命提高等改善方式。
2.封裝層級(Package level)降低封裝的熱阻抗。控制好溫度、挑選好的導熱係數，把LED
所產生的熱導出，不管是利用自然散熱、透過其他散熱機制散熱或是選用導熱係數大的金屬材料等等，在未來因為高功率的LED
會因為輸出功率提升， 造成熱的問題也相繼提升，且要把LED熱完全導出將是一個重要的課題。
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LED 的散熱降低熱阻的途徑有下列幾種方式：1. 降低晶片的熱阻，降低本身所產生的熱。2.
最佳化熱通道（1）通道結構，長度(L)越短越好，面積(S)越大越好來消除熱傳導上的瓶頸。（2）通道材料的導熱係數λ
越大越好。（3）改良封裝製程。3. 強化導/散熱功能。4. 選用導/散熱性能更高的材料。5. 良好的二次散熱機構。6.
降低環境溫度。7. 控制額定輸入功率。8. 減少LED 與第二次散熱機構之間的熱阻。
3. 電路板層級(Heat spreading
level)其技術核心在於將印刷電路板貼附在一金屬板(運用底部的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱)上以改善其傳熱路徑。
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LED 的散熱4. 散熱模組層級(Thermal module level)LED 的散熱組件與CPU
散熱相似，都是由散熱鰭片、熱管及熱介面材料所組成。不同之處，在於LED
的散熱只能憑藉空氣自然對流來傳遞熱量。有鑑於此，如何減短熱傳導路徑以達成降低界面溫度之目的為其技術關鍵。一般高功率LED單晶粒的封裝模組中的散熱片使用，整體封裝模組的結構包括光學透鏡、LED晶粒、透明封裝樹脂、螢光、電極導線及散熱片等，其通常作法是以焊料或散熱膏將LED晶粒黏貼在散熱片上，經由散熱片來降低封裝模組的熱阻抗，這亦是市場上用最廣為採用的LED封裝模組。
◎LED 封裝需搭配散熱片(增加散熱面積)，甚至用更大面積的鰭片及風扇，使產生的熱及時逸散至大氣中。散熱基板依材料可分為3
大類1. 功率小於1 瓦的印刷電路板(FR4)2. 功率大於1瓦的金屬散熱基板3.
價格較高的陶瓷基板金屬基板與陶瓷基板具有較大的熱傳導係數，再加上量產良率的提升，因此成為目前高功率LED散熱基板的兩大主流
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LED的測試◎國際照明組織與標準概述(1)為推動台灣LED照明產業之發展，2007年成立之「LED照明標準與品質
研發聯盟」在經濟部技術處大力的支持下，制定全套共17份之LED標準規範，其中最受各縣市政府路燈招標採購單位關注之「發光二極體路燈照明燈具」標準規範，已於2008年12月4日先行公告為CNS國家標準。而「發光二極體元件之光學與電性量測方法」、「發光二極體模組之光學與電性量測方法」、「發光二極體元件之熱阻量測方法」、及「照明用發光二極體元件與模組之一般壽命試驗方
法」共4份標準規範也於2009年1月22日正式公告為CNS國家標準。透過法人、產業聯盟提出的LED標準規範總計約30餘件，也讓台灣成為LED標準
規範最為完備的國家，並領先全球率先訂定LED路燈標準，對於LED產業國際競爭力有極大的助益。配合『綠色能源產業旭升計畫』，經濟部技術處亦透過法人科專致力研
發高演色、高亮度LED技術，2009年更促成工研院與國內LED大廠簽訂交流發光二 極體（AC
LED）專利讓與合約，成功協助國內廠商掌握AC LED關鍵專利及技術，藉由國內AC
LED專利群組上下串聯的完整佈局，取得與國際LED大廠之專利談判優勢，為台灣LED產業開創新局，並積極推動AC
LED等各項標準草案之制定，建立AC LED標準體系，加速AC LED標準國際化，以排除國內廠商進入國際市場之阻礙，加速AC
LED產業鏈之茁壯，期望2015年台灣可拿下全球25 AC LED之市占率。
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LED的測試◎國際照明組織與標準概述(2)透過國際標準組織制訂有利的國際標準，一直是各國政府與產業界努力
的方向，掌握標準就等於掌握了市場先機，也才有較大的機會成為國際市場技術領導者。經濟部技術處與工研院合作進行各項產業技術國際標準參與及制訂，並透過多方管道與國際標準組織接觸，其中與LED照明產業最息息相關的國際照明委員會（Commission
Internationale de l’Eclairage,
CIE）一直以來都是接觸的對象之一，國際照明委員會為國際承認之照明標準組織，其所訂出的標準常為ISO或
IEC國際標準組織所共同引用，若能加入該組織，對於我國在國際競爭力的提升會有相當大的助益。
LED不僅是下世代照明光源主流，更具有龐大產業商機，為推動台灣LED照明產業發展，經濟部技術處未來更規劃從政策面鼓勵產業投入，從法人科專的高功
率LED、人因照明等元件系統端之研發投入，到業界科專及綠能業界科專的支援，期望集結眾多廠商的力量，推動LED產業供應鏈之形成，並將透過將於
2010年3月24日成立之台灣照明委員會(CIE-Taiwan)，作為國內廠商與國際標準之合作交流平台，並作為與國際照明委員會(CIE)的唯一溝
通管道，並積極推動國內廠商透過垂直整合發展特色LED照明產品，尋求國際大廠合作，籌組LED照明旗艦公司，以華人品牌觀念推動兩岸合作，以期在未來
LED照明市場佔有先機，點亮台灣LED產業美好未來。
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LED的測試◎交流輸入測試法規(AC輸入電壓變動IEC 法規(immunity)IEC61000-4-11
(CE必測)電壓跌落和變化(電壓瞬時跌落,短時中斷和電壓漸變的抗擾性試驗)(Voltage Dips, Short
interruptions and voltage variations immunity tests)適用於額定輸入電流每相不超過
16A 之電氣電子設備
IEC61000-4-13 (家電需測)諧波和中間諧波
IEC61000-4-14交流電壓波動
IEC61000-4-28頻率變化
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LED的測試◎IEC規定免疫性(Immunity)測試法規的評定等級:1. Class A : 待測物觀察不到受影響2.
Class B : 待測物可觀察到受影響, 電源恢復即正常3. Class C : 待測物可觀察到受影響,
電源恢復也無法正常工作,
需要關機再重新開始4. Class D : 待測物可觀察到受影響, 且受到永久性損壞.
Note: 等級大小(愈嚴格等級愈高)Class A> Class B> Class C > Class
D高等級 低等級
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LED的測試◎能源之星對LED 燈規範1. 關機時應該不消耗功率2. 待機狀態, 若有其他電路(非趨動發光), 應維持<
0.5W3. 輸入功率因數(Power Factor), 家庭使用> 0.7 , 商業使用> 0.9
◎燈具輸入電流諧波限制法規IEC 61000-3-2: Limits for harmonic current
emissions(equipment input current ≤16 A per phase)燈具類被歸到Class C.
限制如下:輸入>25W的產品1. 先開燈具15分鐘2. 若接不同燈, 都要測試3. 若有調光,
主要測滿載,可分5段測試來比較
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LED的測試◎輸入≤ 25W, 兩種判斷方式1. 依據Class D 方式, 如右表2. a. 第3 階諧坡電流不超過86%b.
第5 階諧坡電流不超過61%c. 電流開始角度需在60º 之前d. 電流波峰角度需在65 º 之後且不得超過90 º.
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LED燈具產品與電源電氣安規測試◎法規精神為何? 防止人體傷害(感電、碰撞等) 防止設備零組件發生起火
◎企業為何要做電氣安規測試 降低因電氣危害而產生的風險(風險評估與管理)
◎法規標準分類
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◎電氣安規測試: 燈具/燈管產業
LED燈具產品與電源電氣安規測試
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◎耐壓測試(Hipot test ; Withstanding test; Dielectric strength
test)為什麼要耐壓測試? 1. 防止高壓突然進入電氣產品或零組件時，使產品損壞或
起火，進而導致人體受傷害2. 成品與半成品不同: inlet(輸入接頭) 以及output (輸出接頭)皆要測試
3. 可偵測燈管接點製成時是否絕緣不良
法規: IEC 60598-1-1,IEC 60950….. 在耐壓測試中, 不得有電氣閃絡或絕緣破壞發生
(No flashover or breakdown shall occur during the electric
strength test.)
LED燈具產品與電源電氣安規測試
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◎接地(Grounding)接地連接(Ground Bond)
LED燈具產品與電源電氣安規測試
資料來源:致茂電子
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完畢! 謝謝!
LED工程師基礎能力鑑定內容大綱內容大綱內容大綱LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED照明產品設計與應用LED
基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED
基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED
基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 基本驅動電路LED 的散熱LED
的散熱LED 的散熱LED
的散熱LED的測試LED的測試LED的測試LED的測試LED的測試LED的測試LED燈具產品與電源電氣安規測試LED燈具產品與電源電氣安規測試LED燈具產品與電源電氣安規測試LED燈具產品與電源電氣安規測試
