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關(guān)于LED燈具的防爆設(shè)計

文檔作者：徐建文，安鵬慧文檔來源：中海油天津化工研究設(shè)計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年07月28日
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74 <電氣開關(guān)>(2012．No．2)
文章編號：1004—289X(2012)02—0074—04
關(guān)于LED燈具的防爆設(shè)計
徐建文，安鵬慧
(中海油天津化工研究設(shè)計院，天津300131)
摘要：從LED燈具的原理出發(fā)，根據(jù)不同的保護類型的原理，探討一下防爆LED燈具的設(shè)計方法和注意事項。
關(guān)鍵詞：LED；防爆設(shè)計
中圖分類號：TM923 文獻標識碼：B
Explosion-Proof Design on LED Lamps and Lan terns
xU Jian—wen，AN Peng—hui
(Tianjin Research and Design Institute of Chemical Industry，Tianjin 300131，China)
Abstract：The paper discusses design methods of explosion--proof LED lamps and lanterns according to diferent protec··
fion types．It puts forward some points for attention in design ．
Key words：LED；explosion—proof design
1 前言
LED燈具主要包括兩部分，即發(fā)光體和控制開關(guān)
電路。LED燈具的發(fā)光體是發(fā)光二極管，LED(Light
Emitting Diode)。發(fā)光二極管，是一種特殊的半導(dǎo)體
材料，固態(tài)，強度較好，可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。發(fā)光
二極管的主要部分是一個晶片，晶片被固封在強度較
好的樹脂中，二極管固定在一個支架上，一端是正極，
另一端是負極。半導(dǎo)體晶體也分為兩部分，一部分為
P型半導(dǎo)體，在它內(nèi)部空穴占主導(dǎo)地位；一部分為N型
半導(dǎo)體，其內(nèi)部電子占主導(dǎo)地位，這樣形成PN結(jié)。當
PN結(jié)端電壓構(gòu)成一定電勢時，會出現(xiàn)大量電子向空穴
移動，電子與空穴復(fù)合，其能量會以光子的方式發(fā)出，
這就是LED的發(fā)光原理(更深的理論是在PN結(jié)中間
有量子阱，電子和空穴在量子阱中復(fù)合)。由其產(chǎn)生
光的原理看，這是一款很好的冷光源，而影響它的主要
是電流和電壓。所以在LED燈具中LED光源的控制
電路主要是從這兩方面考慮，在其控制原理上多是由
開關(guān)電源電路+反饋電路這樣的形式構(gòu)成，反饋電路
從負載處取樣后對開關(guān)電路進行脈沖的占空比調(diào)整或
頻率調(diào)整，以達到控制開關(guān)電路輸出的目的。其控制
原理圖在很多文獻上都可以查到，這里就不詳細解釋
電路了。
筆者只通過一個原理圖來幫助我們進行防爆設(shè)計
時參考。圖1是一款用PT4105控制的輸入電壓為
12V的LED光源控制原理圖。 、
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圖1
其中 l’、c1’用于當輸人電壓大于12V時，為削
減電源開關(guān)瞬間尖峰損傷而選用。
芯片后部的L—C濾波器可以得到一個穩(wěn)定的直
流電壓輸出，加上反饋電阻 和穩(wěn)壓管D1可以使
LED發(fā)光二極管有一個穩(wěn)定的電壓。而輸出電流隨
負載的變化而變化，當多個LED并聯(lián)或分組串聯(lián)(串
聯(lián)的發(fā)光更均勻)使用時，應(yīng)注意在串聯(lián)時電壓要加
倍。由此可以看出電流的穩(wěn)定可以保證二極管發(fā)光的
穩(wěn)定性。
另外，LED屬電流控制型器件，負載特性類似PN
結(jié)的UI曲線，正向?qū)妷旱臉O小變化會引起正向電
流的很大變化(指數(shù)級別)。LED消耗的能量，一部分
<電氣開關(guān)>(2012．No．2) 75
轉(zhuǎn)化為光能，剩下的就轉(zhuǎn)化為熱能，使結(jié)溫升高。溫度
升高，會使電子與空穴復(fù)合效率下降，發(fā)光強度減小。
加上環(huán)境溫度的影響，LED的主波長就會紅移，亮度
會下降，發(fā)光均勻性、一致性變差，所以LED燈具散熱
設(shè)計很關(guān)鍵。
2 LED燈具防爆設(shè)計的原理及方法
目前在防爆廠家，LED燈具的設(shè)計主要以隔爆型
為主，有些廠家也設(shè)計成增安型及本安型。無論設(shè)計
成什么保護型式，我們都要從保護類型的機理出發(fā)，來
考慮防爆設(shè)計的方法。本文從目前防爆廠家廣泛關(guān)心
的三種防爆型式的機理出發(fā)，與大家一起探討一下防
爆LED燈具的設(shè)計方法，主要應(yīng)注意的幾個方面。
2．1 隔爆型防爆LED燈具的設(shè)計
隔爆一這種保護類型是我們最常見的防爆類型，
在進行產(chǎn)品設(shè)計時，這也是最常采用的一種方式。隔
爆是利用外殼進行保護的一種保護方式，這種保護方
式的特點是設(shè)計考慮的因素較其他常用的防爆型，如
增安型、本安型，要少，受限制少，只要考慮外殼的設(shè)計
就可以了。當然，這只是達到防爆目的所做的考慮，如
果要設(shè)計一款好的防爆LED燈具，還要考慮以下幾個
方面：
(1)燈具散熱的方式。由LED燈具的發(fā)光原理可
以看出，散熱的好壞是LED燈具設(shè)計成敗的關(guān)鍵。而
隔爆型燈具的散熱一直都是難題，當進行大功率的燈
具設(shè)計時，常因為散熱問題要將燈體設(shè)計很大，加工時
就相當復(fù)雜。但LED燈具的散熱是與我們現(xiàn)在了解
的光源不相同的，LED在散熱方面的基理是這樣的，
用銅基熱襯，再連接到鋁基散熱器上，晶粒與熱襯之間
以錫片焊作為連接，這種散熱方式效果較好，性價比較
高。對于單顆LED光源，只有銅基熱襯。所以我們在
設(shè)計隔爆型LED燈具時，應(yīng)注意將銅基熱襯盡量與外
殼接觸。如果是大功率的LED燈具，要考慮有鋁基散
熱器，最好將鋁基散熱器做為燈具的外殼。如果能采
購到合適的型材的話，用型材性價比更好。
(2)隔爆燈具的結(jié)構(gòu)形式。由于散熱問題，所以
LED的散熱片最好與燈成一體，特別是大功率的LED
燈具，更要考慮這一點。由此，不難看出開關(guān)控制反饋
電路應(yīng)放置在另一個腔體內(nèi)，這樣，筆者認為在設(shè)計隔
爆型LED燈具時，要首先考慮燈具的散熱問題。當然
在設(shè)計小功率單顆LED隔爆型燈具時或非集成的
LED光源時，可以將開關(guān)控制電路與光源放置在一個
隔爆腔內(nèi)，但要考慮LED光源的散熱問題，將其散熱
片與外殼連接，增加外殼的散熱面積。
(3)光源的照射角度。我們知道LED光源的照射
角度為120。，而我們通常用的光源，如高壓鈉燈、白熾
燈、熒光燈，其光源的照射角度為360。，所以在設(shè)計時
要考慮燈具的照射范圍。筆者收集了一些用LED光
源做成的光源，供大家參考，在設(shè)計燈具時可以用這些
光源。圖片如圖2、圖3所示。
圖2
圖3
由以上構(gòu)思可以看出，光源有其缺點，如果我們利
用其他一些技術(shù)，很好利用其長處，再改善其眩光，
LED燈具的設(shè)計是很有發(fā)展空間的，而且由于其壽命
長的特點，這種光源的使用會越來越廣泛。
2．2 增安型LED燈具的設(shè)計
增安型燈具的設(shè)計是考慮其在常態(tài)和故障狀態(tài)下
的安全問題。增安型燈具要求光源是冷光源，LED光
源是符合要求的。對于增安型防爆燈具，目前的標準
首先考慮光源玻璃破了后光源內(nèi)部的情況，然后考慮
燈座、鎮(zhèn)流器的失效情況，還要考慮電氣距離和爬電距
離。如雙腳熒光燈，就考慮了燈座、鎮(zhèn)流器失效等情
況，增加對燈座的要求和不對稱功率、不對稱脈沖等試
驗。總的來說，是在考慮各種相關(guān)器件的失效才可以
的。
對于LED光源，就光源本身來講，由于發(fā)光二極
管是用環(huán)氧樹脂埋封的，所以不用考慮發(fā)光體外部損
壞的問題。我們要考慮燈腳的電氣間隙和爬電距離；
要考慮其開關(guān)控制反饋電路的故障，如L—C濾清電
76 <電氣開關(guān)>(2012．No．2)
路損壞后出現(xiàn)的雜波電壓對其的影響，會使電壓加大，
從而導(dǎo)致電流加大，LED光源的溫升增加，另外反饋
電阻的損壞，導(dǎo)致芯片控制失靈，同樣不能控制電壓，
導(dǎo)致電流增大。當然，穩(wěn)壓管的失效也同樣導(dǎo)致電壓
不穩(wěn)，從而導(dǎo)致電流失控。所以在設(shè)計增安型LED燈
具的設(shè)計中，我們發(fā)現(xiàn)電流的控制是關(guān)鍵。如果我們
保證其開關(guān)控制器的電流穩(wěn)定，或再增加一個電流保
護措施，這樣我們就可以保證燈具的設(shè)計達到1．5倍
的安全系數(shù)，從而完成了增安型的設(shè)計。
基于上述考慮，我們認為LED燈具損壞一般是由
于內(nèi)部電流大幅度增大，使LED燈具因為過熱而被燒
毀。所以在設(shè)計增安型LED燈具時，在保證電氣間隙
和爬電距離后，應(yīng)考慮增安型LED燈具的內(nèi)部電流的
控制。當LED被燒毀后，一般出現(xiàn)了兩極短路的情
況，但也有斷路的情況發(fā)生。如果出現(xiàn)短路，就會導(dǎo)致
線路上的電流增大，有可能燒毀LED的芯片電路；如
果出現(xiàn)的是斷路情況，這個LED就不發(fā)光了。相反，
如果芯片線路中出現(xiàn)了某個元件短路或?qū)Ь€的短路，
也會使LED供電通路的局部短路，這樣會出現(xiàn)電壓增
高的情況，最終出現(xiàn)電流加大，溫度升高，直至LED被
燒壞。因此，按照增安型保護類型的保護原理，因有兩
種保護措施來保證LED燈具的溫度符合要求。所以
對于增安型LED燈具來說，應(yīng)該設(shè)置兩種保護電流加
大的保護方式，如：短路過流保護和熱保護。下面以
PT4105芯片為例，來進行說明：
PT4105內(nèi)部集成了限流功能和過熱保護功能，限
流電路一般包括以下環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器件，如MOSFET或
者雙極型晶體管；電流傳感器，如小阻值的電阻；以及
電流傳感器和調(diào)節(jié)器件問的反饋電路。
在功率LED驅(qū)動電路工作的過程中，一直有電流
流過，為了避免驅(qū)動電路過熱燒毀，必須設(shè)計溫度保護
模塊以保護電路。溫度保護整定值要根據(jù)元器件的允
許使用溫度和設(shè)備的溫度組別等條件綜合確定。例
如，在夏天13光暴曬時，取環(huán)境溫度值為5O℃，參見一
般大功率LED規(guī)格書可以知道結(jié)溫度在120oC是可以
承受的，芯片到鋁基板的熱阻，參照規(guī)格書一般推薦
10℃ 一15cC，那LED基板溫度要保證不超過120oc一
15cI==105oc。那么，可以選擇保留溫差50oc一105℃
的中間值77．5~C，一般電子元器件工作溫度在85℃是
可靠的，77℃是符合這個原則的。因此可以設(shè)定77℃
開始啟動保護，85~C前大幅度的減低電流，90~C徹底完
成產(chǎn)品溫度保護功能。當溫度高于該溫度時，保護電
路會自動將功率通路截斷，直至溫度下降到安全范圍
為止，在前面提到的PT4105中就含有過熱保護功能。
另外，還可以選擇自恢復(fù)保險絲對LED進行保護。自
恢復(fù)保險絲又稱為高分子聚合物正溫度熱敏電阻
PTC，是由聚合物與導(dǎo)電粒子等構(gòu)成。在經(jīng)過特殊加
工后，導(dǎo)電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路。當正
常工作電流通過(或組件處于正常環(huán)境溫度)時，PTC
自恢復(fù)保險絲呈低阻狀態(tài)；當電路中有異常過電流通
過(或環(huán)境溫度升高)時，大電流(或環(huán)境溫度升高)所
產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，也就切斷了導(dǎo)電粒子
所構(gòu)成的導(dǎo)電通路，PTC自恢復(fù)保險絲呈高阻狀態(tài)；當
電路中過電流(超溫狀態(tài))消失后，聚合物冷卻，體積
恢復(fù)正常，其中導(dǎo)電粒子又重新構(gòu)成導(dǎo)電通路，PTC自
恢復(fù)保險絲又呈初始的低阻狀態(tài)。在具體的電路中，
可以選擇：①分路保護。一般LED燈是分成很多串接
支路。我們可以在每個支路的前面加一支PTC組件
分別進行保護。這種方式的好處是精確性高，保護的
可靠性好。②總體保護。在所有光珠的前面加接一支
PTC組件，對整燈進行保護。這種方式的好處是簡單，
不占體積。當然按增安型保護方式的要求，極限溫升
的保護是不允許自動恢復(fù)的，要求人工恢復(fù)，但這一方
法可以當作一種保護方式，在其正常工作時使用。
綜上所述，設(shè)計增安型LED燈具的防爆保護時，
應(yīng)充分考慮其溫升的型式，進行分析，從而確定是否達
到1．5倍安全系數(shù)的要求。當然還有一種設(shè)計方案，
即將LED燈具的開關(guān)控制器件在其失效后，光源的溫
度或其他危害仍能滿足標準要求，這也是一種思路。
增安型燈具也要考慮LED燈具的光照角度，LED
光源的光照射角為120。，是這種光源的一個缺點，如
果我們要將其設(shè)計成熒光燈式的長形燈具，我們可以
考慮將光源的安裝板變?yōu)榘雸A筒形，使燈具的照射角
通過安裝板形狀的變化而將其照射角加大為360。。
對于目前市場上出現(xiàn)的無極燈，筆者認為也應(yīng)按
此考慮，無極燈的發(fā)光體的一個繞在銅棒上的線圈，其
直徑和線圈應(yīng)符合增安型的要求，同時要考慮控制器
件的故障以及由此產(chǎn)生的各種危險，并加以1．5倍的
安全系數(shù)。
2．3 本安型防爆燈具的設(shè)計
本質(zhì)安全型防爆燈具的設(shè)計要考慮這種保護類型
的原理。本質(zhì)安全型是從能量上來控制，從而保證受
本安保護的電路或器件不產(chǎn)生危險能量的火花、溫度
等。所以在設(shè)計時，對于它的要求是保護電路不能讓
危險的能量傳過去，而不是通過反饋來控制傳輸?shù)哪?
量。這一點是要明確的。
(電氣開關(guān)>(2012．No．2) 77
LED的控制器主要是靠控制電壓來控制電流，所
加的安全柵類保護器件放置在電路的哪一部分，在安
全柵后部的電路是否符合本安電路的要求，其電流和
其他電氣參數(shù)是否符合本安型電路的要求；其次，安全
柵的設(shè)計是否達到將危險能量阻擋住，使其不能到達
本安電路中，而不是危險能量到達本安電路后再反饋
控制前部的控制端去控制。
3 設(shè)計LED燈具還要注意的問題
設(shè)計一個好的燈具，其組成部件的選擇是很重要
的。例如從重要控制元件人手來考慮選擇LED燈具
的重要控制器件，電感和電容。
3．1 輸出電感選擇
在設(shè)計LED恒流源時，為保持嚴格的滯環(huán)電流控
制，輸出電感必須足夠大，保證能向負載供應(yīng)能量，避
免負載電流顯著下降，導(dǎo)致平均電流跌到期望值以下。
合適的選擇感值主要需要考慮的條件是線路工作在合
適的頻率范圍、合適的開關(guān)頻率減少MOS開關(guān)次數(shù)，
減少MOS發(fā)熱量、避免與同PCB線路同頻干擾；選擇
合適的電感內(nèi)阻，內(nèi)阻是電感發(fā)熱的主要因數(shù)，從而提
高線路效率；選擇合適的電流值，有時體積和成本是制
約主要因數(shù)，但是還是要大于峰值電流的2倍(通常
在65％)，就算在板級空間十分珍貴的情況下也要保
證30％預(yù)留空間余量，這樣可以有效的減小內(nèi)阻，減
小發(fā)熱量；應(yīng)用中采用一顆相對較大體積的電感器可
以獲得3％ -4％的效率提升。
3．2 輸出電容選擇
使用輸出電容可以達到對目標頻率和電流的精確
控制。電容能在整個輸入電壓范圍內(nèi)減小頻率，一個
小的4．7 F的電容就能顯著減小頻率，電流的調(diào)整也
能因為電容值的增加而得到改善。增加輸出電容
(COUT)，從本質(zhì)上來說，是增加了輸出級所能儲存的
能量，也就意味著能供應(yīng)電流的時間加長了。因此通
過減慢負載的d／／dt瞬變，頻率顯著減小。有了輸出
電容(COUT)之后，電感的電流將不再和負載上看到
的電流保持一致。電感電流仍將是完美的三角形的形
狀，負載電流有相同的趨勢，只不過所有尖銳的拐角都
變得圓滑了，所有的峰值明顯減小。在輸出端上采用
低ESR(等效串聯(lián)電阻)陶瓷電容器，以最大限度的減
小輸出波紋。采用XSR或X7R型材料電介質(zhì)，能在
較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)維持其容量不變。對于大多
數(shù)高電流設(shè)計，采用一個4．7～101xF輸出電容就足夠
了。具有較低輸出電流的轉(zhuǎn)換器只需要采用一個1—
2．2 的輸出電容器。
4 結(jié)論
在設(shè)計LED燈具時，應(yīng)從防爆型式的相應(yīng)原理和
防爆結(jié)構(gòu)、光源的特點和控制元器件等各個方面考慮，
才能設(shè)計出一款合理的防爆燈具。
收稿日期：2011—10一l0
作者簡介：徐建文．本科．中海油天津化工研究設(shè)計院；
安鵬慧。本科，中海油天津化工研究設(shè)計院。
國家安全生產(chǎn)沈陽防爆電氣檢測檢驗中心
機械工業(yè)低壓防爆電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心
國家安全生產(chǎn)沈陽防爆電氣檢測檢驗中心(暨機械工業(yè)低壓防爆電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心)地處東
北三省的樞紐城市一沈陽，緊臨張士經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。產(chǎn)品檢測工作始于1955年，1974年國家投資擴
建，1984建成并投人運行，是東北三省唯一的一家覆蓋了低壓電器、低壓成套開關(guān)設(shè)備和防爆電器產(chǎn)品檢測
的檢測機構(gòu)。
經(jīng)過多年來的發(fā)展，先后通過了中國實驗室國家認可委員會認可、中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會計
量認證和國家機械工業(yè)聯(lián)合會機構(gòu)認可，是國家質(zhì)量檢驗檢疫總局批準的生產(chǎn)許可證檢測單位和國家認證
認可監(jiān)督管理委員會批準的CCC強制認證指定檢測機構(gòu)，2007年被國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局批準為國家
安全生產(chǎn)沈陽防爆電氣檢測檢驗中心安全生產(chǎn)檢測檢驗甲級機構(gòu)。
檢測中心下設(shè)主任室、質(zhì)量部、業(yè)務(wù)部、電氣檢驗室和防爆檢驗室，占地面積9500m ，建筑面積6000m ，
各種檢測用設(shè)備和儀器儀表共700余臺(套)，現(xiàn)有工作人員30人，其中工程技術(shù)人員28人，技術(shù)力量雄厚，
檢測手段先進，試驗?zāi)芰?220V：1．2—80kA；380V：2—100kA；660V：3—60kA；1140V：4—35kA)。
單位地址：沈陽市于洪區(qū)巢湖街lO號 聯(lián)系人：田杰 郵政編碼：110141
E—mail：sy_ ex@sina．tom 電 話：024—25833213,25303261—8123
傳 真：024—25833213、25303261—8004。024—253 13368</電氣開關(guān)></電氣開關(guān)></電氣開關(guān)>

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