周青，聶新安，王亞德

(華榮科技股份有限公司，上海 201808)

1 概述

在全球能源短缺的背景下，節(jié)能技術(shù)得到快速發(fā)展。照明領(lǐng)域LED光源以其高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證及照明燈具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在相同的照度情況下，采用LED光源的照明燈具將實(shí)現(xiàn)較普通照明燈具直接節(jié)約電能達(dá)到60%以上，近年，隨著大功率LED光源的研發(fā)和逐漸成熟，開(kāi)始作為第四代新光源應(yīng)用于工業(yè)照明，并深入到防爆照明領(lǐng)域。筆者通過(guò)對(duì)大功率LED光源應(yīng)用于防爆照明燈具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，歸納了大功率LED防爆燈具在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所應(yīng)解決的幾大瓶頸技術(shù)、質(zhì)量問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的防爆LED燈具的幾點(diǎn)意見(jiàn)和建議，供大家商榷。

2 LED光源概括介紹

2.1 發(fā)光原理

LED即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的核心是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P－N結(jié)”，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于晶片時(shí)，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，就會(huì)以光子的形式發(fā)出可見(jiàn)光，如圖1所示。

圖1

2.2 LED作為一種固體光源，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)

(1)光效率高，90%的電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光;

(2)高效節(jié)能，在同樣照明效果的情況下，其耗能遠(yuǎn)低于白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統(tǒng)光源，僅為熒光燈的二分之一，白熾燈的十分之一;相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能60%以上;

(3)使用壽命長(zhǎng)，平均使用壽命一般為50，000～100，000 小時(shí);

(4)耐振、耐沖擊，LED被完全封裝在環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠里面，燈體內(nèi)沒(méi)有松動(dòng)的部分，使得LED不易損壞;

(5)綠色環(huán)保，光源中不含有汞、鈉等有害金屬元素，光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，熱量低，無(wú)頻閃，無(wú)輻射，容易回收，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，屬于典型的綠色照明光源。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，LED光源發(fā)光效率不斷的提高，LED光源將逐步替代白熾燈、熒光燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等光源，大功率LED將作為照明燈具光源被廣泛應(yīng)用到民用照明、工業(yè)照明等各種場(chǎng)所。

3 大功率LED防爆照明燈具的設(shè)計(jì)

最初，LED光源在照明領(lǐng)域應(yīng)用是使用在局部照明及移動(dòng)照明類產(chǎn)品中，如:手電筒、防爆手電筒等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，大功率、高亮度的LED光源走向市場(chǎng)應(yīng)用，部分企業(yè)先后開(kāi)始了大功率LED防爆燈具的開(kāi)發(fā)研制工作，大功率LED是新型光源，具有節(jié)能高效、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，但對(duì)應(yīng)用燈具的結(jié)構(gòu)、電源的匹配等方面要求非常嚴(yán)格，市場(chǎng)上也不乏有因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、光源選擇錯(cuò)誤、電源驅(qū)動(dòng)不匹配或散熱不充分等產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷造成設(shè)計(jì)失敗的現(xiàn)象。

筆者通過(guò)多年LED燈具開(kāi)發(fā)研制的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)大功率LED防爆燈具的設(shè)計(jì)應(yīng)注意從防爆結(jié)構(gòu)、光源選擇、電源設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)及配光設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)設(shè)計(jì)。

3.1 防爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

防爆燈具是應(yīng)用于爆炸性環(huán)境的特殊照明燈具，根據(jù)采用防爆形式的不同有隔爆型、增安型、復(fù)合型等防爆燈具，根據(jù)LED的工作特性、1區(qū)2區(qū)應(yīng)用場(chǎng)所廣泛性及GB3836.1、GB3836.2、GB3836.15等國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的要求，大功率LED防爆燈具應(yīng)設(shè)計(jì)為隔爆型防爆結(jié)構(gòu)?？刹捎寐菁y隔爆或止口隔爆形式，推薦采用光源腔、電器腔、接線腔三腔分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)，設(shè)置有獨(dú)立的接線腔，間接引入方式，以滿足國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2

3.2 光源芯片的選擇

LED光源是大功率LED防爆燈具的核心部件，LED光源的光效、光衰、結(jié)溫、色溫、顯色性等主要參數(shù)性能直接影響到LED防爆燈具的質(zhì)量，因此在選擇LED光源時(shí)應(yīng)在同等的環(huán)境條件下對(duì)比各廠家LED相應(yīng)參數(shù)，選用光效高、光衰慢、結(jié)溫高等高性能的光源。我公司技術(shù)人員通過(guò)各廠家的數(shù)據(jù)對(duì)比及大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)選用國(guó)際知名品牌的LED光源(如圖3、圖4)，光效＞110lm/W、設(shè)計(jì)結(jié)溫150℃，經(jīng)長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，在使用50，000小時(shí)后，流明維持率在75%以上，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，工作可靠。

3.3.1 電源的熱穩(wěn)定功能

圖3 LED燈具光譜參數(shù)

圖4 LED結(jié)溫曲線圖

防爆燈具相對(duì)密閉，散熱狀況較差，因此必須確保在高溫環(huán)境下電源仍能可靠穩(wěn)定工作，具體到應(yīng)用的每個(gè)電子元器件熱穩(wěn)定性，高溫環(huán)境下使用壽命的核算，都必須滿足整燈的使用現(xiàn)場(chǎng)及使用壽命的要求。

3.3.2 恒壓恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

LED光源工作對(duì)輸入的電壓電流穩(wěn)定性要求很高，電壓波動(dòng)、電流波動(dòng)幅度將直接影響LED的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能瞬間燒壞LED光源。因此對(duì)電源恒壓恒流輸出驅(qū)動(dòng)LED光源工作，為燈具的長(zhǎng)壽命可靠工作提供保證。

3.3.3 寬電壓輸入恒功率輸出

由于石化現(xiàn)場(chǎng)受大設(shè)備起停的影響，電壓波動(dòng)較大，要求電源的電壓適用范圍較寬，正常設(shè)計(jì)在170～264VAC范圍內(nèi)可靠工作，輸出功率恒定。

3.3.4 電源應(yīng)具有開(kāi)路、短路保護(hù)、防浪涌保護(hù)等功能

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)保護(hù)，防止光源或電源因系統(tǒng)故障造成元件損壞，當(dāng)系統(tǒng)故障解除時(shí)則停止保護(hù)，正常輸出工作，保證燈具的正常使用。

3.3.5 電源的電磁兼容、諧波含量要求

LED的驅(qū)動(dòng)電源為電子類電源，為了保證應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)影響其他電子設(shè)備的工作，要求驅(qū)動(dòng)電源必須滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容等性能的要求，表1是我公司防爆LED燈電磁兼容及諧波電流限值的部分檢測(cè)報(bào)告。

圖5 LED燈具諧波

3.4 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED防爆燈具的散熱設(shè)計(jì)是確保LED光源具有正常工作溫度和工作壽命的重要環(huán)節(jié)。LED光源是一個(gè)發(fā)光體，同時(shí)也是發(fā)熱體，特別是防爆燈具具有密閉性，熱量散發(fā)困難，散熱不好，燈具各部件的溫升增高，特別在環(huán)境溫度較高的情況下，既影響光源的壽命、光效，又影響燈具電器部分的正?？煽抗ぷ?。因此，散熱設(shè)計(jì)是LED燈具關(guān)鍵。

LED防爆燈具的散熱可以通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn):減少各散熱部件間的熱阻、增加散熱的表面積、選擇低熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)好的散熱材料等。

圖6 LED燈具電磁兼容

根據(jù)散熱的熱歐姆定律:

ΔT=QR

即溫差=熱流×熱阻。這說(shuō)明當(dāng)熱阻越大時(shí)，溫差大，也就是說(shuō)在散熱組件內(nèi)殘留的熱越多，在環(huán)境溫度一定的情況下，結(jié)溫就越高。因此要散熱好，就需要降低熱阻。因此減少熱阻需要由兩個(gè)方面考慮:減少傳導(dǎo)的層數(shù)和加大散熱部件的面積。

表1 金屬材料熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率及比熱容

散熱器在自身的熱容達(dá)到極限后需將熱向空氣進(jìn)行傳導(dǎo)，一般均通過(guò)對(duì)流散熱和輻射散熱進(jìn)行。要使散熱器將熱量快速的傳遞出去，根據(jù)對(duì)流散熱和輻射散熱的基礎(chǔ)公式:

Q=εσAT4 Q=hAΔT

由公式可知面積是最關(guān)鍵的因素。因此在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)盡量加大散熱面積成為最重點(diǎn)的設(shè)計(jì)因數(shù)。對(duì)流散熱分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流需考慮風(fēng)扇的排布不適合密閉防爆LED照明燈具的使用，自然對(duì)流的散熱通道和熱流通道吻合的情況下將有助于對(duì)流散熱的效率，如圖7所示。

圖7

我公司的大功率LED防爆燈具散熱設(shè)計(jì)采用自然通風(fēng)對(duì)流散熱技術(shù)，利用空氣流動(dòng)，通過(guò)散熱通道和熱流通道散發(fā)到燈具散熱片表面，有效散發(fā)LED光源的熱量，確保LED防爆燈具長(zhǎng)壽命的工作。散熱效果明顯，溫升數(shù)據(jù)如表2。

表2

3.5 大功率LED防爆燈具配光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED防爆燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)LED防爆照明的普及以及真正實(shí)現(xiàn)綠色照明起了至關(guān)重要的作用，然而要想同時(shí)達(dá)到均勻照明效果和高的光能利用率是非常困難的。

LED光源產(chǎn)品上已包含一次光學(xué)設(shè)計(jì)，這設(shè)計(jì)的目的是盡量把LED芯片所發(fā)出的光釋放出來(lái)，同時(shí)也為L(zhǎng)ED提供一個(gè)波束寬度(可視角度);二次光學(xué)設(shè)計(jì)用于改變LED的出射光束，從而使燈具的出射光束更有效地滿足所期望的光度規(guī)格，二次光學(xué)的基本作用是發(fā)散和準(zhǔn)直;燈具除需具有合適的配光曲線外還應(yīng)不產(chǎn)生眩光，限制眩光是照明設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題，可采用棱晶透明罩或光擴(kuò)散技術(shù)等方式進(jìn)行防眩光設(shè)計(jì)。

我公司的技術(shù)人員在光學(xué)設(shè)計(jì)中采用專用照明設(shè)計(jì)軟件對(duì)LED光源進(jìn)行分析，通過(guò)模擬分析、試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)設(shè)計(jì)高效率的出光透鏡及反射器等二次配光光學(xué)器件，圖8、圖9為BAD85防爆高效節(jié)能LED燈的光學(xué)設(shè)計(jì)分析圖例。

圖8

圖9

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著LED照明應(yīng)用的推廣，大功率LED防爆照明燈具以其高效、節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等綠色照明的特點(diǎn)將會(huì)在照明領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，筆者僅從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面說(shuō)明了設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的大功率LED防爆照明燈具的幾點(diǎn)看法，為提升和鑒別防爆LED燈具產(chǎn)品的質(zhì)量提供參考。