[硬體設備] LED燈具的演進及選購要點

LED 標榜節能省電,帶起一波燈具革命,這股熱潮同樣也帶進水族市場... LED 真能提供海洋生物所需的光源嗎? 從數千到數萬的產品,又該怎麼選擇呢?!

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燈泡的演進與淘汰

白熾燈 螢光燈

1880年 白熾燈 (電燈泡) 問世,照亮了這個世界... 由於白熾燈運作時,所消耗的能量中,90%都會轉化成無用的熱能,只有低於10%的能量轉成「光」,因此人們在這一百多年來,不斷嘗試使用各種素材,為的就是要創造效率更高、更節能的照明設備! 傳統的 T8 螢光燈管 (日光燈),將光的能量轉換效率從10%提升到40%,熱能也降低到只剩1/6,接著更有改良式的 T5 螢光燈管,各種外型的節能燈泡相繼推出,滿足了光源需求,也兼顧節能趨勢! 從2009年起,歐盟、英國、法國、美國、加拿大、義大利、日本、中國... 都將逐步汰換白熾燈。 而台灣方面,也公告將於2012年淘汰這已經不合時宜的傳統燈具...

HQI 高強度氣體放電燈

用於魚缸的水族燈具,演化歷程自然也與整個大環境同步前進... 目前常見的 T8、T5 螢光燈管,能提供的光源有限,但影響魚缸生物最劇的熱能產生尚能接受。 2000年代初期,HID (High Intensity Discharge) 高強度氣體放電燈,以及 LED 發光二極體 (Light-Emitting Diode) 的誕生,大大的改變了照明技術與觀念...

高階水族燈具「HQI 金屬鹵化燈」與常用於精品櫃的「鹵素燈」、街道作為路燈的「鈉燈」,汽車逐步採用的「氙氣車頭燈」,投影機用的「金屬鹵化物燈」,都屬「高強度氣體放電燈」。 它們雖然穿透力強,可是產生的熱能、耗費的電力則遠遠超過螢光燈管,維修與更換費用也不斐! 價格是其次,使用 HQI 燈具所產生的高溫,不僅影響缸內生物,周圍環境的溫度調節更費功夫!

LED 發光二極體

發光半導體電子元件 LED 對於現代人而言並不陌生,其實早在1962年就出現這種電子元件,但早期光度較低,甚至只有紅光版本,後期則發展出各種顏色的可見光,紅外線、紫外線等,非肉眼可見光源也突破技術門檻,從電子顯示板普及到交通號誌燈、汽車煞車燈、商用招牌,甚至開始取代白熾燈、螢光燈,走入辦公室、居家環境,進一步成為主流照明設備。

 

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數大便是美? 新舊 LED 元件差很大!

LED 真的比較省電?

LED 會有如此驚人的發展速度,最初是仰賴「長壽」的優點,在適當的散熱環境下,壽命可長達50000小時。相較 白熾燈 的2000小時,與 螢光燈 的15000小時,LED 燈的壽命相當驚人... 「LED 壽命長,但它省電嗎?」這可是關係到您荷包的好問題,也是挑選現代燈具的重點!

「光電轉換效率」是很重要的觀念,傳統白熾燈只能將電能轉換出低於10%的光能,這正是它被淘汰的主因。坦白說,發展初期的舊型 LED,每瓦發光效率只有56~60流明,效率低於新型的螢光燈,簡單說就是反而耗電! 因此舊型的 LED 多用於夜燈、手機背光等低光度環境,不過有些廠商不顧散熱的設計需求,用過載的大電流來推動 LED,一旦過熱,LED 就會減損壽命、迅速老化,變成一顆只發熱不發光的加熱器,這樣的燈可能不到幾個月就不亮了,情況嚴重則燒毀不亮,效率大幅降低也嚴重破壞 LED 長壽的美名!

新型 LED 元件效率才高!

別擔心,這樣的缺點目前已有所突破,但礙於技術門檻,現階段的燈具挑選,就必須有突破傳統的評估方式。魚友們可以回憶一下市場上多數水族專用 LED 燈具,是否一口氣用了好幾排壯觀的 LED ?! 正因為受限上述的條件,也為了降低生產成本,所以得讓燈具佈滿發光效率較差、成本較低的舊型 LED...「數大便是美?」閱讀了以上的內容,你應該也開始了解,這樣的燈具反而會讓你背負高昂的電費帳單! 辣椒會辣,一點點就夠!! 滿滿的一整排 LED,勒緊褲帶付電費還不打緊,不均勻的光線一坨一坨的照射,不但視覺感受不佳,魚缸內的生態也會大受影響,無法表現出最自然的顏色,這也是要特別留意的...

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透鏡材質及LED包裝

LED 的「包裝 package」非常重要,這是「散熱」好壞與「透光」效果優劣的主要決定因素... 這裡說的包裝,是指構成整個 LED 的相關元件,優質的 LED 包裝會用散熱優異的陶瓷當底材,並用玻璃或矽膠 (silicon) 做透鏡,如此搭配才有好的透光及 LED 宣稱5至10萬小時壽命的表現! 便宜的 LED 則是以「環氧樹脂」做透鏡及支撐,環氧樹脂透鏡的耐熱、散熱、透光等特性效果,無法像矽膠或玻璃那麼好,過一段時間便會黃化,透光度也會隨之下降,燈具的使用年限將大打折扣! 通常 LED 的「包裝 package」反而比 LED 的核心「芯片 dice」還來得貴... 因此有許多 LED 小廠商捨棄矽膠、玻璃、陶瓷,犧牲效能與壽命換得較低的成本,以達成低價銷售目的。

LED 的供應商主要有 Cree、Nichia、Osram、Lumileds 幾家世界大廠... 畢竟 LED 將是新世代的主要照明設備,因此這些大廠投入龐大資源開發研究,並掌握重要專利。 他們非常努力的在提升發光效率,並改良 LED 的包裝,希望達到更佳的散熱、尋求正常降低成本的條件。反觀中國及台灣的小廠商,因為受限專利與資源,甚至仍銷售著發光效率低於螢光燈管的60流明 LED,其策略就是利用消費者仍不清楚「光的單位」及其意涵,以低價來搶佔市場,缺乏遠見也喪失先機...

買到了採用舊型的 LED、效率不如 T8 燈管的水族燈具,售價卻仍貴得多,真是讓人情而以堪?! 既然 LED 是科技趨勢、既然已經有突破技術門檻的元件,市場上是否有革新的機種? 又該如何挑選呢? 接著我們將以淺顯易懂的說明,分享重要的專有名詞,幫助大家照顧荷包,並找到最理想的水族專用燈具!

 

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光的正確量度單位,認識「光通量」才能幫你省荷包!

這支LED燈具 有幾顆燈泡? 有幾瓦? 有幾K?」這是普遍消費者在購買 LED 燈具時會詢問的問題,也是水族館老闆會介紹給客人的資訊... 你知道嗎?! 這些並不是最能清楚表示 LED 效能的數值,但為何大夥都會在這些數值上打轉呢?
原因在於製造商、店家,並不一定都能跟上科技的腳步,才讓這些不明確的光源計算方式,持續的傳遞給消費者,真正認真作功課的魚友,也越作越糊塗... 以下就透過 跳石光電「燈光大師 LED」為例,讓您了解這些數值的真正意義,才能選到真正好的燈具!

電功率 Electric Power

電功率 的單位是「瓦特 W」,以往習慣問「一個燈泡有幾瓦?」使用的便是這個單位,但卻讓大夥搞糊塗了一百年! 過去一百年,燈泡的發光效率幾乎是固定的,每瓦特大概有15~20流明,所以一直以來用耗電功率「瓦 W」,就可以知道燈泡光亮的程度,即使到現在,我們在購買燈泡都還是習慣性會說「這個燈泡有幾瓦」。

接著日光燈問世,每瓦可以提供80~100流明,相較之下1度電可以產生更多的光線,所以銷售時就會宣稱「比起傳統燈泡要省1/4的電力!」但瓦數事實上是電能而非光能單位,而今 LED 發光效率又大幅超越日光燈,因此如果還停留在「這個燈有幾瓦」已經不夠精確。「電功率」加「光通量」所計算出的「發光效率才能更正確了解每個發光體所能帶來的效益,自然也就更能夠精準的計算使用時必須耗費的電力成本!

光通量 Luminous Flux

以光對人眼造成的刺激、感受程度而制定的度量單位,「可見光」是以「流明 Lumen (lm)」來表示。銷售投影機,標榜機種優劣的條件通常就是「流明」,流明越高便能讓影像在光亮的環境下投射的更清楚。更簡單的說,發光體讓人眼感受到越多、越亮的光線,光通量就越高,顯示出的流明數值也同樣越高。 至於人眼所無法看見的「紫外線」、「紅外線」、「X光」,即便有強烈的光能,卻無法以光通量表示。而光波介於 450~465nm 的 「深藍光 Royal Blue」,人眼對其感受程度非常低,流明值低到不易表示,就會採用「毫瓦 mW」這樣的單位來標記,深藍光對於海洋生物十分重要,在此也特別提出解釋。

發光效率 lm/W

每單位電功率 (W) 產生的 光通量 (lm),就是「發光效率」。簡單的說,就是每消耗1度電,可以讓這個發光體產生多少光線,還在跟電費拔河的你,可千千萬萬要搞懂! 跳石光電的「燈光大師 LED」,單顆瓦數或許不高,但如果你了解上述的觀念以及發光效率的意義,那麼,你就會明白,燈光大師 使用的 LED,比其他同瓦數的 LED 至少多了 50% 以上的光通量,也因此無論是照射範圍、亮度,都會大幅的提升,用電量卻是相同的,比起靠著塞入滿滿 LED,發光效率卻較低的燈具,燈光大師 的電費也自然大幅的下降囉!

同樣的瓦數,卻有截然不同的效能! 即便同樣是使用美國大廠 Cree 生產的 LED,也有不同的規格,發光效率、散熱元件、成本,也都有很大的差別,這也是消費者在作比較與衡量時最容易忽略的細節...

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照度 Illuminance

每單位面積所接收到的光通量,使用的單位是「勒克斯 lux」,1勒克斯是指1平方公尺有1流明的光通量。 我們平常會說「桌面夠不夠亮」,指的就是「照度」,100~300 lux,是居家環境最舒適的建議照度。適合人類閱讀的照度則為 300~600 lux,太陽直射的照度約 50000 lux,但若進入水中一定會大大折損...

上面的圖表是「燈光大師 LED RPX-60」的照度,照度器測量的位置是距離光源60公分。 圖表中的數據x10,得到的數值則表示距離光源 60公分、該定點所接受的照度。以最中間的位置來看,這支燈具在該定點就提供了 3610 lux 的照度。 但是,我們將照度器移動到離光源 10公分的位置,照度馬上增加到接進 30000 lux,若再拉近到 5公分,照度肯定是超過 60000 lux,已經超過太陽直射所提供的照度了。

如果利用反射板或是透鏡將光線集中,便能讓照度提高、能量集中,如同用放大鏡聚焦就可使紙張燃燒。聚焦的過程,光的面積變小,但也變得更亮,利用這個原理,部分水族用的 LED 使用二次透鏡聚焦,以達到「比較亮」的感覺,當選用成本較低的 LED,加上透鏡,單位面積的照度也會大大提升! 必須釐清的是,聚光僅能提高單位面積的光通量,總光通量並沒有增加,只是分布的範圍改變...

「燈光大師 LED」能量充足,因此選用 90~110度角的透鏡,可以讓光的呈現更均勻、柔和。 但不少 LED燈具,選用的元件能量不足,卻採用 30~60度角的透鏡,單位面積的照度是集中了,可是總光通量沒有提升,也因為能量分布範圍過於集中,魚缸內的光線就變成一坨一坨的現象。 一坨一坨的光影若只是不好看還不打緊,要擔心的是透過透鏡集中過度的光點,甚至可能傷害生物... 藉此也讓消費者了解,透鏡雖然已普遍裝載,但材質優劣所呈現的效果可以是天差地別!

水中生物到底需要的照度是多少呢?
不同的生物需要的光線能量是不同的,所以不同的海域、不同的深度,也會有不同的生物... 以前面提到太陽直射的照度數據為例,LED 燈具要提供高照度並不困難,但過高的照度可能曬死生物! 而且每一種生物的需求是不同的,一昧的提高照度,不一定能照顧到每一種生物,這也是為什麼「燈光大師 LED」會研發能夠模擬自然界光源,達到24小時自動變化演繹的燈具的主因。

 

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光的能量

「這支LED燈具 有幾顆燈泡? 有幾瓦? 有幾K?」若要得知海洋生物所需要的光能,就必須了解 光波、光譜、色溫,等專業術語。以最精闢、簡單的方式讓大家了解,則是我們希望能夠在此作到的...

光波 Light Wave 與 光譜 Spectrum

光線的傳遞,我們以「光波」來量度表示,所使用的單位則是「奈米 nm」。 我們所看見的光,包含著各種波長,並有不同的折射率,當一個肉眼可見的光源,通過稜鏡等散色設備,會得到不同的 光波,並映出彩色光帶,將各個強度的波長列出,便會得到這個光源的「光譜」。肉眼看到的陽光,經過稜鏡便會呈現 紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫 的彩色光譜。 所以光譜中沒有絕對的「白光」,而是由不同波長的光混合而成,或說白光混合著各種顏色。

不同的動物,甚至不同的人,對同一個光源所感受的「顏色」是不同的,因此「光譜」所定義出的顏色波長會呈現某一段的光波範圍,例如:紅色 625~740nm、黃色 565~590nm、綠色 500~565nm、藍色 440~485nm、紫色 380~440nm,光源強度不同,即便是同一種顏色,也會有不同的感受。

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色溫 Kelvin

色溫,指的是光波在不同的能量下,人類眼睛所感受到的顏色變化,使用的單位是「°K」,英國物理學家 Lord Kelvin 在鐵工廠看到金屬溶化的過程,由初始到最高的熔點,產生不同的顏色變化,建立出數據單位,便以他的姓氏為名。

從上面的圖表可以約略了解不同的色溫數值,感受到的顏色變化,低色溫值 1800°K 所呈現的顏色偏紅,色溫逐漸提高到 5500°K 顏色接近白色,最高的色溫值是 20000°K,顏色偏藍,回想鑄鐵時的光線變化,會更了解色溫的意義。 因此,色溫越高,不代表光線越亮,這也是必須釐清的觀念!

色溫也是進入攝影領域的一門重要學問... 夕陽、彩霞會呈現 2500~4500°K 的低色溫,接近黃光燈泡。 中午12點左右的光源會呈現 5500°K 的色溫,閃光燈提供的就是攝影所需的「標準色溫」。 雨天、凌晨,則呈現 8000°K 以上的色溫,LED 藍光便能提供超過 10000°K以上的高色溫。 所以,低色溫會呈現「暖色調」,高色溫呈現「冷色調」。

燭光 1850°K、燈泡 2800°K、月光 4000°K、太陽光 5500°K、日光燈 6500°K,從這些光源所呈現的色溫參考值,應該能讓你更了解色溫的意義。

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珊瑚需要的光能

HQI燈具能提供強大的亮度、能量,但這些光源都是珊瑚軟體需要的嗎?! 多數的珊瑚軟體需要靠「共生藻」行光合作用,才能維持生命... 因此,當你瞭解 光波、光譜、色溫,接下來討論的數據才會更加實用!

葉綠素a、葉綠素b、胡蘿蔔素,是植物行光合作用的主要細胞,上方圖表轉載於維基百科,內容顯示出這些細胞進行光合作用時所需的光譜。 共生藻行光合作用與分裂的過程,需要的光波涵蓋了 黃、綠、藍、紫,因此燈具也必須提供這些光源波長,才能讓珊瑚軟體賴以維生。 部分生物學家指出,色溫 6500°K 最適合珊瑚生長,光線越強、色溫越高,並不會長得越好。 珊瑚軟體的種類有多少? 共生藻的種類又有多少? 答案可能是未知,但可以肯定的是,不同的珊瑚軟體、不同的共生藻,需要的光源能量也不相同!

大自然的學問浩瀚無垠,現在我們有了這些資訊,即便這所有的數據都是千真萬確,那麼,現有的燈具是否能提供這些必須的光能呢? 多數的燈具只能提供藍燈、白燈兩種固定的光波與能量,即便是量身訂作的燈具,大概也僅能提供幾種不同的光源組合... 這樣又怎麼能滿足魚缸內所有的生物呢?!

 

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在家中24小時運作的太陽與月亮

你的魚缸內只有單一魚種? 只養某一種珊瑚?
燈具能訂作,但你能確定怎麼樣的光譜? 多少的光能? 能夠同時滿足魚缸內的所有生物?
仔細想想這兩個問題,就不難發現為什麼已經顧好水質,魚缸內的生態還是無法長久美麗綻放!

台灣市場的 LED 水族專用燈具如雨後春筍般的冒出頭,即使是一般消費者,在坊間要購得 LED 元件也不難,但因為上述的技術門檻,也使得多數的 LED 燈具,充其量只能說是「裝了LED 的燈組」,專業度仍待考驗。 2009年3月,我們撰寫網誌《LED 讓海洋世界更艷麗》,緊接著分享《LED再進化 ─ 24小時自動光源系統自動光源系統》,兩篇網誌中所使用的燈具,是由台灣 跳石光電 所研發,採用的 LED 亦是專業大廠 Cree 生產。拜科技所賜,高效能 LED 搭配電腦程式設備,自動模擬太陽與月亮進行24小時光源變換的燈具奇蹟似的誕生!

從兩篇網誌就能看出 「燈光大師 LED」 與一般水族燈具的明顯差異,再看過以上說明,您已經已晉升 LED 專業領域... 銷售到日本、歐美各地的「台灣之光」,讓水族專用燈具,不再只是亮與不亮、藍燈與白燈,最接近大自然的光源演變,可以輕輕鬆鬆的在家中上演,想要什麼樣的波長、色溫,都可以立即設定,甚至您不再需要去鑽研這些艱澀的數據,「燈光大師 LED」光源演繹的過程就能自動提供適當的能量。隨著消費者知識的增長及時間的累積,相信 LED 將會更為不同,也更能天馬行空的讓更多創意照亮人類的生活!

附註說明 LED 元件圖片由 Cree 授權使用,專業資訊為 跳石光電 提供,自由海洋 彙整編撰料。

延伸閱讀 點選《LED 讓海洋世界更艷麗》及《24小時自動光源系統》可詳閱實際使用狀況