防爆LED燈具固有安全型光輻射試驗方法探討

石 磊

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

防爆LED燈具固有安全型光輻射試驗方法探討

石 磊

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

目前，防爆LED燈具已越來越多地應(yīng)用于爆炸性危險場所，但國內(nèi)尚未出臺針對光輻射引燃作用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。從揭示光輻射引燃作用的角度，論述了對防爆LED燈具光輻射的引燃機(jī)理、保護(hù)方式分類、光輻射安全限值以及合格判定；從光波角度，分析了防爆LED燈具連續(xù)波輻射與脈沖輻射兩種發(fā)光方式光源評估方法的不同；通過色彩的疊加方式，分析了不同種類LED發(fā)光原理和光輻射特點(diǎn)；從滿足固有安全型光輻射角度，探討了優(yōu)化LED驅(qū)動電路設(shè)計、應(yīng)用固有安全特性LED和使用熔絲保護(hù)這3種方法，并對防爆LED燈具的光輻射設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行了論述。總結(jié)了對光輻射試驗結(jié)果造成影響的不同LED發(fā)光原理、燈具樣品的選擇、測試溫度和測量距離的要求，探討了不同溫度下測試LED發(fā)光效率的新要求，闡述了驗證不同LED發(fā)光原理的新方式，提出了實現(xiàn)本質(zhì)安全光輻射設(shè)計的新方法，即熔絲保護(hù)法。

LED； 防爆； 燈具； 光輻射； 光功率； 輻照度； 固有安全； op is； 熔絲保護(hù)法； 本質(zhì)安全

0 引言

LED照明燈具有很多優(yōu)點(diǎn)，如發(fā)光效率高、省電、免維護(hù)、發(fā)熱低、價格便宜等，充分占領(lǐng)了目前的防爆照明燈具市場。

但由于LED發(fā)光二極管的輻照度大、發(fā)光能量比較集中，在一定程度上成為了光能量的點(diǎn)燃源，某些條件下可能引燃周圍的爆炸性氣體環(huán)境。隨著國際標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，越來越多的試驗數(shù)據(jù)可以支撐光輻射的點(diǎn)燃效應(yīng)，因此在危險場所使用的防爆LED照明燈具，應(yīng)參照IEC 60079-28:2015標(biāo)準(zhǔn)的要求對其光輻射進(jìn)行考核。

因此，對于易燃、易爆、可燃性氣體危險場所使用的防爆燈具，除了考慮其本身防爆型式(如“Ex d”隔爆型)的相關(guān)要求，還需要同時對其可見光輻射的點(diǎn)燃效應(yīng)進(jìn)行評估。

1 IEC 60079-28:2015光輻射標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 引燃機(jī)制

IEC 60079-28:2015標(biāo)準(zhǔn)包含對波長為380 nm～10 μm的光輻射要求[1]。

①光輻射被物體表面或顆粒吸收導(dǎo)致溫度升高，在特定條件下引燃周圍的爆炸性氣體環(huán)境。

②在少數(shù)情況下，高能量激光直射可燃性氣體，導(dǎo)致其分解所產(chǎn)生的等離子體和沖擊波，最終都會成為點(diǎn)燃源。接近分解點(diǎn)的固體材料能夠?qū)@些過程起到加強(qiáng)作用[2]。

③IEC 60079-28:2015標(biāo)準(zhǔn)不包括紫外線輻射和爆炸物混合物本身的光輻射吸收，具有爆炸性的輻照體、自身含有氧化劑和催化劑的輻照體也不在本標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。

紅外線及可見光的潛在點(diǎn)燃危險主要取決于以下要素:光波長(吸收特性)、脈沖寬度及重復(fù)率、輻照體材料(惰性/活性)、可燃性物質(zhì)、壓力、輻照度、受輻照面積和受輻照時間等。這些要素的組合影響爆炸性危險環(huán)境光輻射點(diǎn)燃的可能性。

綜合來說，光輻射點(diǎn)燃條件可用基本能量參數(shù)、面積和時間來判定，點(diǎn)燃判據(jù)如表1所示。

表1 光輻射點(diǎn)燃判據(jù)

時間趨于無窮大是指連續(xù)波輻射。當(dāng)光束照射輻照體時，輻照體熱表面溫度的升高引起了光輻射點(diǎn)燃。表面積越小，點(diǎn)燃輻照度越高。這意味著越小的表面積越要加熱到較高的溫度才會引起點(diǎn)燃[3]。對所有的氣體/蒸氣混合物(不包括二硫化碳)，光功率低于50 mW時觀察不到點(diǎn)燃現(xiàn)象。這就證實了35 mW的最大允許功率值有安全裕量，安全裕量也必需考慮惰性吸收器的非理想灰體吸收?；钚暂椪阵w(煤、碳黑和增色劑)的試驗表明，即使它們具有較高的吸收能力，作為點(diǎn)燃源也不太有效。當(dāng)光功率低于200 mW時，n-鏈烷(n-Alkane)不會被點(diǎn)燃(150 mW包括安全裕量)。對于較大的輻照面積，采用允許值5 mW/ mm2，比使用限制功率判據(jù)更切合實際。

在小面積、短時間的狀態(tài)下，激光脈沖能產(chǎn)生類似于在空氣中擊穿形成電火花的點(diǎn)燃源。能量接近最小電氣點(diǎn)燃能量(minimum ignition energy，MIE)[4-5]的火花，在最佳條件下(μs和ns脈沖)能夠點(diǎn)燃爆炸性混合物。

1.2 保護(hù)方式分類

光輻射目前認(rèn)可的保護(hù)方式有以下幾類。

①固有安全型光輻射“op is”，通過限制光源輻射強(qiáng)度來防止點(diǎn)燃。

②保護(hù)型光輻射“op pr”，將光輻射限定在光纖或其他傳輸介質(zhì)內(nèi)，從而使光輻射無法泄漏到爆炸性危險場所中。

③連鎖裝置型光學(xué)系統(tǒng)“op sh”?？紤]到光輻射發(fā)生泄漏的可能性，其通過采取特殊的保護(hù)措施，使系統(tǒng)切斷光源的時間小于爆炸延遲時間，在爆炸發(fā)生之前切斷光源。

保護(hù)方式分類及適用范圍如表2所示。

表2 保護(hù)方式分類及適用范圍

1.3 光輻射安全限值

表3規(guī)定了Ⅰ類和Ⅱ類設(shè)備的光功率、輻照度與產(chǎn)品性能等級、溫度組別和受輻射面積之間的關(guān)系。只要輻射值小于表中規(guī)定的數(shù)值，即視為滿足要求。

表3 光輻射與環(huán)境等級、溫度組別的關(guān)系

作為表3的補(bǔ)充，表4為光功率與受輻射表面積的關(guān)系，規(guī)定了設(shè)備等級為ⅡA、ⅡB、ⅡC，使用在Ⅰ類、Ⅱ類區(qū)域T1～T4溫度組別下允許的持續(xù)光輻射安全限值。只要光功率和受輻射表面積不超過表中規(guī)定的數(shù)值，即視為滿足要求。

表4 光功率安全限值與受輻射表面積的關(guān)系

需要注意的是，當(dāng)輻射面積超過130 mm2，最高光功率適用5 mW/mm2的要求。

Ⅲ類設(shè)備在不同設(shè)備保護(hù)級別(equipment protection level,EPL)下，光功率和輻照度的安全限值如表5所示。

表5 Ⅲ類設(shè)備光功率和輻照度的安全限值

2 光輻射的評估

本質(zhì)安全型光輻射系統(tǒng)對光輻射的頻率比較敏感，連續(xù)波輻射和脈沖輻射的點(diǎn)燃能力是不一樣的，各自的合格判定標(biāo)準(zhǔn)也有區(qū)別。目前評估固有安全型光輻射的方法大致有以下幾種。

2.1 連續(xù)波輻射

根據(jù)IEC 60079-28：2015標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)備類別和溫度組別相對應(yīng)，如果光輻射的功率值或輻照度值不超過表3中的值，即可判定為本質(zhì)安全型光輻射；如果受輻照面積大于400 mm2，溫度組別可以通過在受輻照表面測量的最高溫度來建立，同時應(yīng)該考慮輻射光強(qiáng)的不均勻性。如果受輻照面積小于130 mm2，最高允許的光功率值參見表4。粉塵環(huán)境允許的光輻射限值參見表5。

2.2 脈沖輻射

IEC 60079-28：2015標(biāo)準(zhǔn)針對不同持續(xù)時間和頻率的脈沖波輻射，給定了不同設(shè)計準(zhǔn)則。對于持續(xù)時間小于1 ms的光脈沖，脈沖能量不應(yīng)超過相應(yīng)爆炸性氣體環(huán)境的MIE；對于持續(xù)時間在1 ms～1 s之間的光脈沖，脈沖能量不應(yīng)超過相應(yīng)爆炸性氣體環(huán)境的MIE的10 倍；對于持續(xù)時間大于1 s 的光脈沖，可看作連續(xù)波輻射，峰值功率不應(yīng)超過連續(xù)波輻射的安全限值。對于脈沖鏈，根據(jù)每個子脈沖進(jìn)行判定：當(dāng)頻率在100 Hz以上時，平均功率不應(yīng)超過連續(xù)波輻射的安全限值；當(dāng)頻率低于100 Hz時，最高功率需通過試驗來測試[6]。

2.3 單色光LED與白光LED

單色光LED是指僅發(fā)出單種顏色的LED，而白光LED根據(jù)發(fā)光原理不同有以下幾種：三色光LED、藍(lán)光+黃熒光粉LED、藍(lán)光+綠、紅熒光粉LED和紫外光+三原色熒光粉LED[7]。

白光LED生產(chǎn)技術(shù)主要分為2類：第一類為多芯片型白光LED，經(jīng)由組合2種(或以上)不同色光的LED組合以形成白光；第二類則為利用熒光粉將藍(lán)光LED或紫外UV-LED所產(chǎn)生的藍(lán)光或紫外光分別轉(zhuǎn)換為雙波長或三波長白光，此項技術(shù)稱之為熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED。目前市場上白光LED產(chǎn)品以藍(lán)光LED芯片搭配黃光熒光粉更為普遍，主要應(yīng)用于汽車照明與手機(jī)面板等領(lǐng)域。

根據(jù)白光LED的發(fā)光原理不同，測量其光輻射時所使用的方法也存在差異。在IEC 60079-28：2006標(biāo)準(zhǔn)中并未對測量光輻射的設(shè)備進(jìn)行規(guī)定，而IEC 60079-28：2015標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了測量單色光可以采用發(fā)光二極管，測量多種顏色的光需要用熱電堆。單色光由1種LED光源發(fā)光得到，而多色光如白光是由幾種不同波段的光疊加而成。在計算光功率時往往只能用算式等效，而不能得到精確的數(shù)值。這時只能通過熱電堆，用發(fā)光的功率來計算。

3 電路設(shè)計方法

3.1 IC電路可靠性分析法

對于保護(hù)級別為Ga和Gb的防爆LED燈具，需要考慮LED驅(qū)動電源在其正常工作以及故障狀態(tài)下，LED的光輻射強(qiáng)度均不會超過標(biāo)準(zhǔn)的限值。而LED的光輻射強(qiáng)度與流過LED兩端的電流成正比，只要限制流過LED的電流值，即可限制其光輻射強(qiáng)度。廠家可在LED驅(qū)動電路的后端設(shè)置過流保護(hù)電路，以確保驅(qū)動電路在任何狀態(tài)下流經(jīng)LED陣列的電流不會超過限值[8]。過流保護(hù)一般應(yīng)用電流控制環(huán)的原理來實現(xiàn)，過流保護(hù)電路的可靠性至關(guān)重要。

過流保護(hù)所采用的器件一般是IC集成電路，因為集成電路的精度高、使用方便，可以很好地實現(xiàn)過流保護(hù)的功能；而用電感、電容、電阻等簡單元件搭建的反饋電路很難達(dá)到控制精度的要求，同時其生產(chǎn)成本和故障率也較高。但在對IC集成電路進(jìn)行防爆評估時并不認(rèn)為其是可靠元件，因此有可能產(chǎn)生故障，從而在使用中可能無法滿足限壓限流保護(hù)的要求。需要對驅(qū)動電路進(jìn)行重新優(yōu)化或針對采用的IC集成電路作可靠性分析，而針對集成電路進(jìn)行可靠性分析的成本很高[9]。

3.2 應(yīng)用具有固有安全特性的LED法

對于保護(hù)級別為Ga 和Gb 的防爆LED燈具，其光輻射點(diǎn)燃能力的判定需要LED驅(qū)動電源在最苛刻故障狀態(tài)下，測試LED燈具的最大光功率值或輻照度值并將其作為判定依據(jù)。可以通過優(yōu)化驅(qū)動電源設(shè)計，使其在任何狀況下輸出的電流和電壓值可控；還可以采用固有安全特性的LED，限制LED燈具的最大光輻射強(qiáng)度。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超標(biāo)引發(fā)的故障保護(hù)功能，防止?jié)撛诒ㄐ原h(huán)境中有超強(qiáng)的光輻射強(qiáng)度。其基本原理是流經(jīng)LED的電流過大會引起LED光通量衰減，導(dǎo)致其光輻射強(qiáng)度下降；同時，由于LED存在的熱效應(yīng)，LED的發(fā)光功率上升至一定程度會導(dǎo)致LED發(fā)生故障而自動熄滅。

判定LED光源是否具備固有安全特性的方法是: 通過選取10 只LED光源，施加一定電流使其發(fā)光，測量并記錄其光功率或輻照度值，逐漸提高電流值使其光強(qiáng)度升高，直至光功率或輻照度值不再升高并開始下降，記錄最高光功率或輻照度值。對10 只同樣的LED光源重復(fù)上述過程，將其中的最大光功率或輻照度值作為這種LED光源的最大光功率或輻照度值，如果LED光源的最大光功率或輻照度值按照表3評定符合要求，則該LED可被視為固有安全光源。固有安全光源可以使用在任意防爆形式的LED燈具中，而無須考慮故障或者外殼保護(hù)等因素。

同時，出于亮度考慮，一般將多顆固有安全型LED排布成陣列，形成LED燈具的光源。LED陣列有串聯(lián)連接、并聯(lián)連接和串并聯(lián)組合連接3種方式，3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。無論采取何種連接方式，都應(yīng)采用同一批次的LED作為負(fù)載，保證LED特性的一致性，降低由于LED電氣特性差異引發(fā)的故障。

3.3 熔絲保護(hù)法

前面介紹了多種集中設(shè)計方法，每種方法都有不足之處，而熔絲保護(hù)的方法較好地解決了光輻射的問題。它在原理上與固有安全型LED相同，都是通過限制流過LED的電流來限制其光輻射的強(qiáng)度。當(dāng)流過LED的電流超出熔絲設(shè)定值，熔絲迅速熔斷，從而保證了輻照度不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制。同時，采用了熔絲保護(hù)的電路，可以適用于多種不同發(fā)光原理的LED。

由于行業(yè)中多采用控制占空比來調(diào)節(jié)脈沖輻射，故該保護(hù)方式多適用于連續(xù)性光輻射。實際使用時，應(yīng)考慮對熔絲采取本質(zhì)安全型中可靠元件的保護(hù)要求[10]。

4 試驗方法

4.1 單色光

采用光輻射計對在波長范圍內(nèi)單色光的光輻射進(jìn)行測量，從得到的數(shù)值中找出輻照度最大的點(diǎn)，并滿足光輻照安全限值。

4.2 多色光與白光

采用熱電堆進(jìn)行測量，對測得的光功率進(jìn)行比對，滿足IEC 60079-28：2015的要求。

4.3 樣品的選擇

①采用固有安全特性的LED，加大通過LED的電流使其燒毀，在此過程中測得的輻照度符合IEC 60079-28：2015的要求。

②燈具采用反饋回路控制通過LED的驅(qū)動電流，對LED通以最大故障電流，測得輻照度能夠滿足IEC 60079-28：2015的要求。

③燈具通過熔絲保護(hù)，當(dāng)電流超過熔絲設(shè)定值則自動熔斷，從而限制流過LED的驅(qū)動電流；通以一定數(shù)值的驅(qū)動電流，測得輻照度滿足IEC 60079-28：2015的要求。

④對于有不同供電電源的防爆LED燈具，通過變換不同的電源供電，以測得最大的輻照度。

4.4 不同溫度的測試

LED發(fā)光原理是由正向壓降下的電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光輻射，而隨著溫度的升高，LED的正向壓降逐漸下降，因此發(fā)光效率會受到影響。也就是說，溫度越高，光輻射越低。為了驗證這一情況，需要對不同溫度下的LED的光輻射進(jìn)行測量。在進(jìn)行以上試驗時，須用不同的樣品分別在常溫、低溫和高溫狀態(tài)下測量相同電流的LED光輻射水平。

通過測試，低溫狀態(tài)下的光輻射水平明顯高于常溫狀態(tài)，也高于高溫狀態(tài)下的光輻射水平。選擇不同輸入電壓、頻率和電流值的樣品進(jìn)行測量。如果是破壞性試驗，需選用10只樣品；如果是非破壞性試驗，則選用3只樣品即可。

4.5 測量距離的選擇

對于不同防爆型式的LED燈具，有效光源輻射面的計算位置不同。在光功率、結(jié)構(gòu)相同的條件下，有效光源輻射面離LED的距離越近，其輻照度值越大，同時溫升也越高。對于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉塵外殼防護(hù)型“tD”的光源腔，其有效的光源輻射面是在LED燈具的透明件表面。對于本質(zhì)安全型“i”和無火花型“nA”的光源腔，其有效的光源輻射面在LED的表面。而對于將LED澆封的燈具，其有效的光源輻射面在澆封復(fù)合物的表面。因此，在光功率、結(jié)構(gòu)設(shè)計等要素相同的條件下，光源距輻射面越遠(yuǎn)，其光輻射點(diǎn)燃能力越低。

5 結(jié)束語

針對新版光輻射標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-28：2015中的光能量引燃情況進(jìn)行分析，討論了光輻射的引燃機(jī)理、保護(hù)方式分類、光輻射安全限值以及合格判定等內(nèi)容，以及電路設(shè)計和評估的有關(guān)要點(diǎn)，提出了不同設(shè)計下的試驗方法，對給光輻射試驗結(jié)果造成影響的不同LED發(fā)光原理、燈具樣品的選擇、測試溫度和測量距離的要求進(jìn)行了總結(jié)。本文不僅對新標(biāo)準(zhǔn)提出的不同溫度下測試LED發(fā)光效率的要求、試驗驗證LED不同發(fā)光原理的方式進(jìn)行了闡述，還提出了實現(xiàn)本質(zhì)安全光輻射設(shè)計的新方法，即熔絲保護(hù)法。

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Discussion on the Test Method of Inherent Safety Optical Radiation for Explosion-Proof LED Lamp

SHI Lei

(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

At present,more and more explosion proof LED lampshave been used in explosive dangerous places,while related standard specifications about optical radiation ignition has not been issued in our country. From the perspective of revealing the role of light radiation ignition,the ignition mechanism,the classification of protection methods,the safety limits and the qualified judgment of the optical radiation are expounded.From the perspective of light waves,the different light source evaluation methods for two of the luminous ways of the continuous radiation and pulsed radiation of explosion-proof LED lamps are analyzed.By the superposition of color,the luminous principles and characteristics of optical radiation of various types of LED are analyzed.From meeting the requirement of safety optical radiation,the design of optimized LED driving circuit is investigated,by adopting inherent safety LED and fuse protection,the key points of optical radiation design for explosion-proof LED are described.Finally,the factors that may affect the test results of optical radiation are summarized,including luminous principle,selection of sample lamps, requirement of testing temperature and testing distance,etc.The new testing requirements under different temperature are expounded,the new method for verifying different principle LED is described and the method for implementing intrinsic safety optical radiation design is proposed,i.e.fuse protection method.

LED; Explosion-proof; Lamp; Optical radiation; Optical power; Optical irradiance; Inherent safety; op is; Fuse protection method; Intrinsic safety

石磊(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事防爆電氣設(shè)備的檢測、試驗、認(rèn)證、安裝評估，防爆質(zhì)量體系審核及防爆安全知識培訓(xùn)等工作。E-mail:shilei@nepsi.org.cn。

TH-39;TP206

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708020

修改稿收到日期:2017-06-07