与LED灯具有关的电参数在标准中适用性的研究 (上)

2012-12-04程晔

照明工程学报 2012年5期

程晔

(iGuzzini照明 (中国)有限公司，上海 200000)

1 LED技术发展与照明应用

LED是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED灯具就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。随着技术进步，LED的光效越来越高，再加上LED理论上的超长寿命，人们普遍将LED的发展直指替换传统照明。

当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

2 LED的电参数与传统光源的区别

由于LED本身是半导体部件，其电参数 (电压、电流等)与传统光源有很大的区别。其特殊的伏安特性，导致了为了正常点亮LED必须使用恒流的直流电源。如图，LED正向工作在第一象限，当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零，相应的电压叫死区电压。当正向电压超过死区电压后，其ΔR=ΔV/ΔI是正的，呈现正电阻特性，当LED管电压增加时其LED的电流也增加;LED管电压下降其LED的电流也下降。因此只要供电电压稳定，LED电流就不会继续增加或下降。然而在LED电压Vf附近，电压稍为变化，电流将发生大的变化 (见图1)。

此外，LED的伏安特性并不是固定的，是随着温度而变化的，所以在恒压供电时，LED电流随温度变化而变化，因为LED的伏安特性具有负温度系数的特点。

所以LED需要恒流电源驱动，即在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源以维持其稳定性。

图1 某LED的V-A特性曲线

照明应用级大功率LED的输入电压一般为3.0V左右，工作电流为350mA至1000mA左右。相比较传统光源，工作电源性质不同且工作电压低是最大的区别。如，传统钨丝灯工作电压一般为交流220V，工作电流0.2A到0.5A左右。其他气体放电灯需要很高的脉冲电压进行激发，即使工作电压往往也大于交流250V，工作电流0.5A至4A左右。即使工作电压最低的传统光源低压卤钨灯也需要12V，但其工作电流达到4安左右 (见表1)。

表1 各种光源工作电压和电流比较

此外，根据不同的照明应用，一台LED灯具中往往会使用1颗到上百颗的LED。再考虑到选用不同的LED驱动电源，直接导致了LED灯具的工作电压范围较宽，从几V到几十V。例如对于LED室外灯具而言，由于替换的是大功率的荧光灯、金卤灯和高压钠灯等，基本考虑的方法就是增加LED光源的使用数量。传统路灯功率都在250W至400W之间，荧光线性灯功率从14W至80W不等。由于LED是电流驱动型，随着LED数量的增加，所输入的电压也会相应增加。这又是LED灯具在电参数上与其他传统照明灯具的区别之一 (见图2)。

3 LED灯具的电参数在标准中的疑惑

通过上面LED与传统光源在电参数上面的比较，我们可以发现LED正常工作所需的电源性质与传统光源有着本质的区别，其工作电压范围较大。此外LED灯具将使用全新的驱动电源、电气结构、散热结构等。考虑到这样一系列区别于传统灯具的变化，LED灯具是否依然安全可靠呢?对于适用于传统光源的的灯具标准能否继续运用于LED灯具呢?

图2 LED灯具的各种布灯方式

本文就是从现行的灯具国家标准GB7000.1—2007和最新版国际标准 IED60598—1∶2008出发，通过比较和研究与电参数有关的条款，从而阐明LED灯具标准适用性的问题，给出了判断LED灯具安全性和可靠性的依据 (见图3)。

4 LED灯具的安全标准

目前为止，我国使用的灯具安全通用标准为GB7000.1—2007《灯具第一部分:一般要求与试验》，所对应的国际标准为等同采用IEC60598—1∶2003。而最新版灯具安全的国际标准为IEC60598—1∶2008。我国现行标准落后国际标准一版，对新型LED灯具有很多方面无法应用，这也是LED标准规范呼声越来越高的原因之一。我们将就新旧版的标准中涉及电参数的条款进行比较，来说明LED灯具的电压问题。旧版标准我们以我国现行标准为例，新版标准我们以国际最新标准为例来进行比较说明(见表2)。

标准中与LED电参数有关的章节和条文有:

1)防触电

图3 LED照明的各种应用

2)Ⅲ类

3)爬电距离和电气间隙

4)接触电流和保护导体电流

5 LED灯具的防触电安全性

5.1 LED灯具防触电安全性实际应用上的困惑

有两款新型LED灯具，一款LED的载流部件手能触及，一款12V直流风扇作为主动散热部件用于灯具外壳，但其载流部件也能触及。这两款灯具LED安全吗?直流低电压是否一定安全，是否能作为产品的可触及表面?见图4。

根据常识，36V及以下电压为人体安全电压。那到底这些作用于LED的直流电压是否依然安全呢?对于我们日常使用中的LED产品，能否直接接触这些带电部件呢?由于是低压直流电，是否就不需要去考虑安全性呢?我们到哪去寻找这些问题的答案呢?

图4 LED灯具的带电部件可触及表面

5.2 GB/T3805—2008《特低电压 (ELV)限值》

关于这些问题，我们可以先参考GB/T3805—2008/IEC61201《特低电压 (ELV)限值》。该标准规定了GB/T18379—2001《建筑物电气装置的电压区段 (IEC60449∶1973，IDT)》中定义的 I区段电压等级的限值，用以指导正确选择人体在正常和故障两种状态下使用各种电气设备，并处于各种环境状态下可触及导电零件的电压限值 (见表3)。

表3 直流电压区段

该标准规定的数值基于 GB/T138870.1—1992《电流通过人体的效应第一部分:常用部分 (第三章:15～100Hz正弦交流电流的效应;第四章:直流电的效应;第五章:人体电阻抗)(neq IEC60479—1∶1984)》和 GB/T13870.2—1997《电流通过人体的效应第二部分:特殊情况 (第四章:频率100Hz以上的交流电流的效应;第五章:特殊波形电流的效应;第六章:短时间单向脉冲电流的效应) (idt IEC60479—2∶1987)》和其他来源的经验，电压限值的规定是针对正常和故障两种状态。这些限值与直接和间接接触的概念无关，也不用于区分接地和非接地电路，可认为这些限值及低于限值的电压在规定的条件下对人体不构成危险。

该标准考虑了各种环境状况的影响因素，如下:

环境状况1:皮肤阻抗和对地电阻均可忽略不计 (例如人体浸没条件);

环境状况2:皮肤阻抗和对地电阻降低 (例如潮湿条件);

环境状况3:皮肤阻抗和对地电阻均不降低(例如干燥条件);

环境状况4:特殊状况 (例如电焊、电镀)。

其稳态电压限值见表4。

表4 稳态电压限值

考虑到LED产品本身能工作在潮湿环境中，一般选择环境状态2，所以无故障正常状态下的直流电压限值为35V，单故障状态下为70V。这点也基本符合36V以下为人体安全电压的常识。所以35V以下的LED灯具 (如常用的12V和24V恒压驱动型)，我们基本能判定其安全。那35V以上灯具呢?

5.3 如何确定导电部件是否会引起触电危险

我们还需要考查产品本身的安全标准，可以参考灯具安全标准GB7000.1—2007中第8章条“防触电保护”。该章规定了灯具防触电保护的要求。防触电保护是指防止灯具中带电部件的可触及。带电部件是指正常使用可能引起触电的导电部件。附录A规定了确定导电部件是否会引起触电的带电部件的试验。

附录A(规范性附录)确定导电部件是否会引起触电的试验为了确定某一导电部件是否是可能引起触电的带电部件，灯具要在额定电源电压和标称频率下进行下述试验:a)测量被测件与地线之间的电流，测量线路的无感电阻为2000Ω±50Ω。如果测得的交流电流大于0.7mA(峰值)或直流电流大于2mA，则该部件为带电部件。当频率超过1kHz时，极限值应为0.7mA乘以以kHz为单位的频率值，但不应超过70mA(峰值)。泄漏电流极限值的组成是累积的。b)测量被测件与可触及件之间的电压，测量线路的无感电阻为50000Ω。如果测得的电压大于34V(峰值)，则该部件为带电部件。

以上试验，试验电源的一个极应处于地电位。

其中附录A的第a)条谈到了直流概念。我们可以用图5测量线路测量来确定直流导电部件是否会引起触电试验。

图5 用测量对地接触电流来判定带电部件试验布置图

乍一看，除了附录A的第a)条款就再也没有如何检测直流能否引起触电方面的要求，真的是这样吗?我们还是要仔细看看附录A的第b)，34V峰值这个概念似乎是说交流而不是直流，其实并非如此。

直流电一般分为普通直流电和脉动直流电。普通的直流电是指大小 (电压高低)和方向 (正负极)都不随时间 (相对范围内)而变化，比如干电池。脉动直流电是指方向 (正负极)不变，但大小随时间变化，比如:我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电，它们只有经过滤波 (用电感或电容)以后才变成平直的直流电，当然其中仍存在脉动成分 (称纹波系数)，大小视滤波电路得滤波效果。实际应用中，直流电大多数都是通过此种方式实现的。

相比较使用干电池来获得直流电源，利用交流电源经过变换而得到直流电源的方法更经济实用。直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路，如图6所示。

图6 直流电源示意图和原理图

根据 IEC60598—1∶2008中给出的定义1.2.42.1中的注释如下:

NOTE“Ripple free”is conventionally defined for sinusoidal ripple voltage as a ripple content of not more than 10%r.m.s.:the maximum peak value does not exceed 140V for a nominal 120V ripple-free d.c.system，respectively 70V for a nominal 60V ripple-free dc.System，and 35V for a nominal 30V ripple-free system.所以34V峰值这个概念对应于30V无纹波的直流系统。此试验可以依据图7进行测试。

图7 用测量对外壳的电压来判定带电部件试验布置图

标准为什么考虑电压不超过34V(峰值)是安全电压呢?感知电流因人而异，女人一般为0.7mA(交流)，男人一般为1.1mA(交流)。50mA电流通过人体时，就会有生命危险。假设人体电阻1000Ω (人体电阻通常为1～100kΩ，在潮湿及出汗情况下为800Ω左右甚至更低)，如以危险电流50mA计，人体所能接触的电压为50V;人体电阻假定是480Ω时，人体所能接触的电压为24V。应该说50V及其以下电压都是安全的，人接触以后是不会发生危险的，但考虑有一定的安全系数，标准中规定安全电压峰值电压34V(槡2x24V)。此时电流I=34V/50000Ω=0.7mA，也对应限制在了第一条所述的安全范围内。

在现行我国标准中，并没有说明上述两种方法的区别和使用情况。但在最新国际标准中已明确指出:

If the conductive part is a live part according to test a)，then it is a live part and it is not necessary to perform test b).

If the conductive part is not a live part according to test a)，then it is considered a live part only if it is a live part according to test b).

也就是说这两个试验是先后顺序，如果试验a)已说明此为带电部件，就不需要试验b)。不然可以用试验b)来继续进行确认。

5.4 标准中其他有关防触电保护

在现行国家标准GB7000.1—2007和最新国际标准IEC60598—1∶2008中，对于防触电保护，还在如下章节和条文给出了要求:

“灯具应制造成当灯具按正常使用安装和接线后以及为更换光源或可替换的启动器而必须打开时，即使不是徒手操作，其带电部件是不可触及的。基本绝缘部件不能用在没有防意外接触措施的灯具的外表面上。”

对于LED灯具，其他防触电方面都与传统光源灯具相同。关键是更换光源也要带电部件不可触及这条要求对于LED灯具适用不适用，毕竟LED的一大特点就是长寿命。根据CTL第46次会议上，形成了如图8一份Sheet No:089/06.m CTL-ETF5 OSM/LUM的决议。

图8 LED灯具防触电保护CTL决议

该决议规定了IEC标准8.2.1条款要求适用于LED灯具。无论是通过端子还是连接件与内部驱动连接的LED组件，都被认为是可更换的光源。如果LED组件是不可替换的或者没有使用SELV的驱动，不能使用普通工具 (如螺丝刀、硬币等)打开光源腔，或者带电部件需要用与230V匹配的基本绝缘来绝缘。

此外，对于“基本绝缘部件不能用在没有防意外接触措施的灯具的外表面上”这一要求，最新国际标准IEC60598—1∶2008中给出了详细的规定:

No access to live parts with the standard test finger is permitted when the luminaire has been installed and/or assembled for normal use and，in addition，under the same conditions:

—for portable luminaires and adjustable luminaires，no access to basic insulated parts with the standard test finger is permitted，and

—for wall-mounted luminaires，within arms reach，there shall be no access to basic insulated parts from the outside of the luminaire by means of a Φ50mm probe according to Figure 1 in IEC 61032.

对于可移式灯具和可调节灯具，不能用标准试验指触及基本绝缘部件。对于墙面安装式灯具，不能用IEC61032图1所示的直径50mm的试验球从灯具外部触及基本绝缘 (见图9)。

图9 标准试验指及直径50mm试验球

此外，对于Ⅲ类LED灯具的载流部件能否暴露在外及如何确定的问题将在后文中相关内容说明。

5.5 有关安全电压的标准结构

综上所述，关于防触电安全电压的标准大致有3个层次。第1层次为基础层，GB/T18379—2001《建筑物电气装置的电压区段 (IEC60449∶1973，IDT)》给出了不同电压区段。第2层次为规范层，GB/T3805—2008《特低电压 (ELV)限值》规定了特低电压限值。第3层次为产品应用层，GB7000.1—2007《灯具第一部分:一般要求与试验》规定了灯具产品的安全电压 (见图10)。

6 LED灯具到底是不是Ⅲ类

6.1 直流驱动的LED灯具到底是不是Ⅲ类灯具

虽然LED本身需要直流驱动，但一般LED灯具有两种驱动方式。一种使用恒压驱动 (如12V，24V，48V)配合DC/DC转换器将其转换成恒流。一种直接使用恒流驱动，如500mA、750mA、1000mA。

图10 安全电压的标准体系

以某公司LED线性灯为例，有两种类型的产品，一种为电压驱动型，需要输入24V直流电压。一种为电流驱动型，需要输入500mA直流电流。都分别使用3、6、9、12、15、18颗LED制造不同长度的、结构非常紧凑，防尘防水等级IP66。其他具体信息见表5、表6。

表5 24V电压驱动型线性灯

表6 500mA电流驱动型线性灯

上面两种不同驱动类型的灯具还能使用同样的结构吗?他们还能是Ⅲ类灯具吗?否则，同样的产品需要开发不同结构。

6.2 什么是Ⅲ类灯具?

根据现行国家标准GB7000.1—2007，Ⅲ类灯具规定如下:

1.2.24

Ⅲ类灯具 classⅢluminaire

防触电保护依靠电源电压为安全特低电压(SELV)，并且不会产生高于SELV电压的灯具。

注:Ⅲ类灯具不应提供保护接地措施。

对于Ⅲ类灯具，标准中提到了SELV这个概念。对于SELV，在此标准的第1.2.42章条有如下规定:

1.2.42

安全特低电压 safety extra-low voltage:SELV

在通过有单独绕组的安全隔离变压器或转换器与供电电源隔离开来的电路中，导体之间或在任何导体与地之间，不超过50V的交流有效电压值 (见注1)。

注1:直流电压数值正在考虑中。

注2:假定任何变压器或转换器在其额定电源电压下工作，无论是在满载或空载，都不应超过此电压限值。

国际电工委员会IEC灯具分技术委员会 (34D)根据前面所述IEC61201《特低电压 (ELV)限值》考虑如下因素，并有经验显示可以达到一个合理的安全水平的情况下，规定了灯具特低电压。

A.人体阻抗 (接触电压;皮肤潮湿程度;电流通路;接触面积;接触压力;波形/频率)

B.可触及部分 (接触面积 (指尖、手指、手);被握紧的可能性;可触及部件的位置;有意识触及/无意识触及)

C.电气系统 (交流/直流;波形、频率、单脉冲;有参考点接地、悬浮接地;与其他系统的隔离情况;电源阻抗;脱扣装置;标称值/最大值，容差)

D.外部影响 (湿度;温度，灰尘;导电率;间接反应;直接接触/间接接触;衣着)

E.人的能力 (专业人员、经过培训的人、普通人);儿童;残疾人

F.极限 (感知;反应;疼痛;灼伤;摆脱;麻痹;心脏纤维性颤动;电压 (交流/直流，方均根值;峰值;波形);电流 (交流/直流，方均根值);电能;电量;频率)

从定义中可以看出SELV给出的电压值为不超过50V的交流有效电压，而直流电压数值正在考虑中。如果按照现有的国家标准，因为标准没有明确说明，所以LED灯具在现有国家标准下不能归类为Ⅲ类，例如:上述两种类型灯具。而要是做成Ⅱ类和Ⅰ类，对于以紧凑型见长的LED灯具又遇到了相当的困难。对于上述电流驱动型线性灯，随着灯具长度和使用的LED数量的增加，为了使灯具正常工作的电源电压也相应增加。那增加到什么程度灯具还能保持统一结构以保证安全性呢?现有的标准看来无法给出我们答案。

我们可以参考最新的国际标准 IEC60598—1∶2008，其更新并增加了ELV和SELV的诠释:

ELV(extra low voltage)

voltage which does not exceed 50V a.c.r.m.s.or 120V ripple free d.c.between conductors，or between any conductor and earth(voltage band I of IEC60449)1.2.42.2

SELV(safety extra low voltage)

ELV in a circuit which is insulated from the mains supply by an insulation not less than that between the primary and secondary circuits of a safety isolationg transformer according to IEC61558-2-6 or equibalent

综上所述，最新标准中对SELV概念增加了直流的要求。也就是说对于直流无纹波电压不超过120V，该灯具都可以作为Ⅲ类灯具。这就给LED灯具的结构给出了标准上的指导。上述两种驱动类型的线性灯都是Ⅲ类，就是说可以用同样的结构了。

6.3 等效安全特低电压SELV equivalent

在现有的LED控制器上，我们能常常发现标有“SELV equivalent”。到底什么是SELV equivalent呢?和SELV一样吗?

根据 GB15910.14—2009/IEC61347-2-13∶2006《灯的控制装置第14部分:LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求》中的定义:

3.3

等效安全特低电压控制装置 (考虑中)safety extra-low voltage(SELV)-equivalent controlgear(under consideration)

其输出电压等效为安全特低电压并能使一个或多个LED模块工作的内装式或组合式控制装置。

注:就本部分而言，符合8.1和8.2规定的等效安全特低电压控制装置可视为提供与安全特低电压控制装置等效的防电击保护功能。

其中，注释中提到的8.1和8.2规定如下:

8.1 对于等效安全特低电压控制装置，应采用双重绝缘或加强绝缘使其易触及部件和带电部件绝缘。按照IEC60065:1985的8.6和13.1的要求。

8.2 安全特低电压或等效安全特低电压控制装置的输出线路在下述情况下可装有外露的接线端子:

——带负载时的恒压控制装置的额定输出电压或恒流控制装置的最大输出电压不超过25V(有效值);

——无负载输出电压不超过33V(有效值)，并且峰值不超过33√2V。

合格性通过下述试验进行检验:控制装置在额定电源电压和额定频率下达到稳定状态，测量输出电压。在带负载试验，应给控制装置装上一个在额定输出电压下能产生额定输出的电阻。

对于具有一个以上额定电源电压的控制装置，本要求适用于每一个额定电源电压。

额定输出电压超过25V的控制装置应装有绝缘接线端子。

在安全特低电压和等效安全特低电压输出线路和初级线路之间连接有电容器的情况下，应使用符合IEC60384—14:2005表2和表3规定的Y1电容或两个串联的并有同一参数的Y2电容。

每个电容应符合 IEC60065∶1985中 14.2的要求。

如果需要用其他元件将隔离变压器跨接，例如电阻，应按照IEC60065∶1985第14章的要求。

其中8.1和8.2条引用的标准IEC60065《音频、视频及类似电子设备安全要求》，其中的8.6条规定了零部件的双重绝缘和加强绝缘，13.1条规定了电气间隙和爬电距离，14.2条规定了电容。8.2条还引用的标准IEC60384—14《电子设备用固定电容器.第14部分:分规范.抑制电磁干扰和与电源连接用固定电容器》。

终上所述，等效安全特低电压SELV equivalent控制装置是就起防触电功能来说的，整体上可看作为初级/次级之间具有加强绝缘功能的隔离变压器。此类LED控制装置应安装在灯具或具有类似防护功能的壳体内 (见图11)。

图11 SELV和SELV equivalent驱动器

6.4 Ⅲ类LED灯具与SELV控制装置的连接

同时，对于Ⅲ类灯具，最新的国际标准IEC60598—1∶2008又规定了Ⅲ类灯具只能和SELV控制装置连接。

CalssⅢ Iuminairesareacceptedonlyfor connection to a SELV source.

首先，这和Ⅲ类灯具的概念相匹配。其次它还暗含了此SELV控制装置为独立式安全特低电压控制装置。独立式安全特低电压控制装置除了应满足上述“等效安全特低电压或隔离式控制装置”的要求外，还需满足下述要求:

(1)标志

独立式安全特低电压控制装置在产品标志上有下列独特之处:

ta——因为是独立安装方式，所以可以理解成是灯具的电器箱部分，按灯具要求，应有工作时最大环境温度标志ta值，如不标，则认为ta=25℃。

(2)控制装置内部及支撑件的发热限值

LED控制装置在声称的ta环境温度和1.06倍的额定电源条件下正常工作，其变压器绕组温度应不超过表7。

表7 正常使用时的温升值

(3)控制装置在短路或过载状态下最大温升值的限值

LED控制装置在额定电源电压的0.94～1.06倍处于短路或过载状态下最大温升值不得超过表8。

表8 短路或过载状态下的最大温升值

(4)控制装置的磁芯和绕组的周期试验

独立式安全特低电压LED控制装置的变压器(包括磁芯和绕组)要进行指定对应温度下的加热—潮态试验—振动—绝缘和耐压的10个周期试验。试验样品为3个，10个周期试验完成后，只允许其中一个样品可发生绕组内部的短路情况，但不允许出现绕组对磁芯以及各绕组之间的击穿情况。

满足上述要求的控制装置一般可作为Ⅲ类灯具的电器箱部分，直接与Ⅲ类灯具配合使用，避免了灯具安全而电源不安全导致的隐患。但由于我国强制性认证对这些36V及以下灯具CCC强制认证并无要求，所以导致了灯具和控制器分开卖但实际一起使用的局面，利用了制度上的空白。但一旦控制器并非独立式SELV的控制器，此类隐患是无法杜绝的。我国还要及早完善此类灯具的监管。还需要注意并不是Ⅲ类灯具就不需要CCC强制认证了，以前我们只有低压卤钨灯可以是Ⅲ类灯具没有做过CCC就误以为Ⅲ类灯具都不需要CCC，这点错误我们需要明确。例如，上述LED线性灯电流驱动型的产品5和6就需要CCC。

(未完待续)

［1］GB7000.1—2007.灯具第1部分:一般要求与试验.

［2］IEC60598—1∶2008.Luminaires-Part 1:General requirements and tests.

［3］GB19510.14—2009.灯的控制装置第14部分:LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求.

［4］GB8898—2001.音频和视频以及类似电子设备安全要求.

［5］GB/T16935.1—2008.低压系统内设备的绝缘配合第1部分:原理、要求和试验.

［6］GB/T18379—2001.建筑物电气装置的电压分段.

［7］GB/T 3805—2008.特低电压 (ELV)限值.

［8］IEC60364-4-41∶2005.Low-voltage electrical installations-Part 4-41:Protection for safety-Protection against electric shock.

［9］IEC60990∶1999.Methods of measurement of touch current and protective conductor current.

［10］杨素行.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2005.

［11］俞安琪.LED控制装置标准中主要安全要求的识别及应用.市政照明节能产品与技术交流会，2009.