关于节能型防爆灯具—大功率LED防爆灯具的设计探讨

2012-05-28周青聂新安王亚德

电气开关 2012年3期

周青，聂新安，王亚德

(华荣科技股份有限公司，上海 201808)

1 概述

在全球能源短缺的背景下，节能技术得到快速发展。照明领域LED光源以其高效、节能、长寿命等优点得到了广泛应用。根据试验验证及照明灯具现场测试，在相同的照度情况下，采用LED光源的照明灯具将实现较普通照明灯具直接节约电能达到60%以上，近年，随着大功率LED光源的研发和逐渐成熟，开始作为第四代新光源应用于工业照明，并深入到防爆照明领域。笔者通过对大功率LED光源应用于防爆照明灯具的设计经验总结，归纳了大功率LED防爆灯具在产品设计中所应解决的几大瓶颈技术、质量问题，提出设计质量稳定、性能可靠的防爆LED灯具的几点意见和建议，供大家商榷。

2 LED光源概括介绍

2.1 发光原理

LED即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体的晶片，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P－N结”，当电流通过导线作用于晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，就会以光子的形式发出可见光，如图1所示。

图1

2.2 LED作为一种固体光源，具有独特的优点

(1)光效率高，90%的电能转化为可见光;

(2)高效节能，在同样照明效果的情况下，其耗能远低于白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等传统光源，仅为荧光灯的二分之一，白炽灯的十分之一;相同照明效果比传统光源节能60%以上;

(3)使用寿命长，平均使用寿命一般为50，000～100，000 小时;

(4)耐振、耐冲击，LED被完全封装在环氧树脂或硅胶里面，灯体内没有松动的部分，使得LED不易损坏;

(5)绿色环保，光源中不含有汞、钠等有害金属元素，光谱中没有紫外线和红外线，热量低，无频闪，无辐射，容易回收，不会对环境造成污染，属于典型的绿色照明光源。

随着技术的进步，LED光源发光效率不断的提高，LED光源将逐步替代白炽灯、荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等光源，大功率LED将作为照明灯具光源被广泛应用到民用照明、工业照明等各种场所。

3 大功率LED防爆照明灯具的设计

最初，LED光源在照明领域应用是使用在局部照明及移动照明类产品中，如:手电筒、防爆手电筒等。随着技术的进步，大功率、高亮度的LED光源走向市场应用，部分企业先后开始了大功率LED防爆灯具的开发研制工作，大功率LED是新型光源，具有节能高效、长寿命等特点，但对应用灯具的结构、电源的匹配等方面要求非常严格，市场上也不乏有因设计结构不合理、光源选择错误、电源驱动不匹配或散热不充分等产品设计缺陷造成设计失败的现象。

笔者通过多年LED灯具开发研制的经验，总结大功率LED防爆灯具的设计应注意从防爆结构、光源选择、电源设计、散热设计及配光设计等几方面进行重点研发设计。

3.1 防爆结构的设计

防爆灯具是应用于爆炸性环境的特殊照明灯具，根据采用防爆形式的不同有隔爆型、增安型、复合型等防爆灯具，根据LED的工作特性、1区2区应用场所广泛性及GB3836.1、GB3836.2、GB3836.15等国家强制性标准的要求，大功率LED防爆灯具应设计为隔爆型防爆结构。可采用螺纹隔爆或止口隔爆形式，推荐采用光源腔、电器腔、接线腔三腔分离式结构设计(见图2)，设置有独立的接线腔，间接引入方式，以满足国家强制性标准的要求。

图2

3.2 光源芯片的选择

LED光源是大功率LED防爆灯具的核心部件，LED光源的光效、光衰、结温、色温、显色性等主要参数性能直接影响到LED防爆灯具的质量，因此在选择LED光源时应在同等的环境条件下对比各厂家LED相应参数，选用光效高、光衰慢、结温高等高性能的光源。我公司技术人员通过各厂家的数据对比及大量的试验验证，现选用国际知名品牌的LED光源(如图3、图4)，光效＞110lm/W、设计结温150℃，经长期可靠性测试，在使用50，000小时后，流明维持率在75%以上，通过实际应用对比，各项性能指标正常，工作可靠。

3.3.1 电源的热稳定功能

图3 LED灯具光谱参数

图4 LED结温曲线图

防爆灯具相对密闭，散热状况较差，因此必须确保在高温环境下电源仍能可靠稳定工作，具体到应用的每个电子元器件热稳定性，高温环境下使用寿命的核算，都必须满足整灯的使用现场及使用寿命的要求。

3.3.2 恒压恒流驱动设计

LED光源工作对输入的电压电流稳定性要求很高，电压波动、电流波动幅度将直接影响LED的使用寿命，严重时可能瞬间烧坏LED光源。因此对电源恒压恒流输出驱动LED光源工作，为灯具的长寿命可靠工作提供保证。

3.3.3 宽电压输入恒功率输出

由于石化现场受大设备起停的影响，电压波动较大，要求电源的电压适用范围较宽，正常设计在170～264VAC范围内可靠工作，输出功率恒定。

3.3.4 电源应具有开路、短路保护、防浪涌保护等功能

当系统出现故障时自动保护，防止光源或电源因系统故障造成元件损坏，当系统故障解除时则停止保护，正常输出工作，保证灯具的正常使用。

3.3.5 电源的电磁兼容、谐波含量要求

LED的驱动电源为电子类电源，为了保证应用到现场不会影响其他电子设备的工作，要求驱动电源必须满足国家标准规定的电磁兼容等性能的要求，表1是我公司防爆LED灯电磁兼容及谐波电流限值的部分检测报告。

图5 LED灯具谐波

3.4 散热结构设计

LED防爆灯具的散热设计是确保LED光源具有正常工作温度和工作寿命的重要环节。LED光源是一个发光体，同时也是发热体，特别是防爆灯具具有密闭性，热量散发困难，散热不好，灯具各部件的温升增高，特别在环境温度较高的情况下，既影响光源的寿命、光效，又影响灯具电器部分的正常可靠工作。因此，散热设计是LED灯具关键。

LED防爆灯具的散热可以通过以下方式来实现:减少各散热部件间的热阻、增加散热的表面积、选择低热阻及导热系数好的散热材料等。

图6 LED灯具电磁兼容

根据散热的热欧姆定律:

ΔT=QR

即温差=热流×热阻。这说明当热阻越大时，温差大，也就是说在散热组件内残留的热越多，在环境温度一定的情况下，结温就越高。因此要散热好，就需要降低热阻。因此减少热阻需要由两个方面考虑:减少传导的层数和加大散热部件的面积。

表1 金属材料熔点、热导率及比热容

散热器在自身的热容达到极限后需将热向空气进行传导，一般均通过对流散热和辐射散热进行。要使散热器将热量快速的传递出去，根据对流散热和辐射散热的基础公式:

Q=εσAT4 Q=hAΔT

由公式可知面积是最关键的因素。因此在设计允许范围内尽量加大散热面积成为最重点的设计因数。对流散热分为自然对流和强制对流，强制对流需考虑风扇的排布不适合密闭防爆LED照明灯具的使用，自然对流的散热通道和热流通道吻合的情况下将有助于对流散热的效率，如图7所示。

图7

我公司的大功率LED防爆灯具散热设计采用自然通风对流散热技术，利用空气流动，通过散热通道和热流通道散发到灯具散热片表面，有效散发LED光源的热量，确保LED防爆灯具长寿命的工作。散热效果明显，温升数据如表2。

表2

3.5 大功率LED防爆灯具配光系统设计

LED防爆灯具的光学系统设计对LED防爆照明的普及以及真正实现绿色照明起了至关重要的作用，然而要想同时达到均匀照明效果和高的光能利用率是非常困难的。

LED光源产品上已包含一次光学设计，这设计的目的是尽量把LED芯片所发出的光释放出来，同时也为LED提供一个波束宽度(可视角度);二次光学设计用于改变LED的出射光束，从而使灯具的出射光束更有效地满足所期望的光度规格，二次光学的基本作用是发散和准直;灯具除需具有合适的配光曲线外还应不产生眩光，限制眩光是照明设计中的一个重要问题，可采用棱晶透明罩或光扩散技术等方式进行防眩光设计。

我公司的技术人员在光学设计中采用专用照明设计软件对LED光源进行分析，通过模拟分析、试验验证来设计高效率的出光透镜及反射器等二次配光光学器件，图8、图9为BAD85防爆高效节能LED灯的光学设计分析图例。