LED植物照明燈具的安全和性能測(cè)試要求

孔強(qiáng)強(qiáng)，宋慶軍，王美霞，譚 晨，王慶民

(國(guó)家半導(dǎo)體及顯示產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心(山東)， 山東 濟(jì)寧 272000)

引言

近年來，由于人類生活水平的日益提高，設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，正常的溫室生長(zhǎng)環(huán)境已不足以滿足植物生長(zhǎng)的需求，植物照明領(lǐng)域的研究應(yīng)運(yùn)而生。通過對(duì)植物進(jìn)行人工補(bǔ)光或全人工光照射，不僅可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還可提高產(chǎn)量，改善產(chǎn)品形態(tài)、色澤、營(yíng)養(yǎng)成分等[1]。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED植物照明燈具以其具有光譜和光量可調(diào)、高光效、低發(fā)熱、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸占據(jù)整個(gè)產(chǎn)品市場(chǎng)。但由于生產(chǎn)廠商技術(shù)水平參差不齊，市場(chǎng)產(chǎn)品魚龍混雜，質(zhì)量良莠不齊，越來越多的不符合安全技術(shù)要求的植物照明燈具產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，存在著巨大的安全隱患，嚴(yán)重影響著消費(fèi)者的安全與利益。本文結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)工作，簡(jiǎn)要分析LED植物照明燈具產(chǎn)品應(yīng)關(guān)注的問題，并提出相應(yīng)措施和建議。

1 安全要求

LED植物照明是解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物需光和配光矛盾的有效途徑，是生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。LED植物照明燈燈具以LED為發(fā)光體，滿足植物光合作用所需光照條件，在缺少日光的環(huán)境，這種燈具可充當(dāng)日光，使植物能夠正?；蛘吒玫厣L(zhǎng)發(fā)育。按照燈具安裝分類可分為固定式、嵌入式、可移式等類別[3]。

安全是LED植物照明燈具最基本的的要求，在正常使用時(shí)對(duì)人或周圍的環(huán)境不產(chǎn)生危險(xiǎn)，依據(jù)的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)除GB 7000.1外，還應(yīng)滿足相應(yīng)的具體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如GB 7000.201、GB 7000.202、GB 7000.204等，涉及的檢測(cè)項(xiàng)目包含標(biāo)記、結(jié)構(gòu)、防觸電保護(hù)、內(nèi)外部接線、絕緣電阻和電氣強(qiáng)度等。本文僅對(duì)最基本卻又最不易合格的標(biāo)記、結(jié)構(gòu)和防觸電保護(hù)三個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行論述。

1.1 標(biāo)記

標(biāo)記是明示產(chǎn)品實(shí)際特征參數(shù)的重要信息，能夠最直觀的將產(chǎn)品信息呈現(xiàn)給消費(fèi)者，是使用者是否決定購(gòu)買及使用的依據(jù)。國(guó)標(biāo)GB7000.1規(guī)定，燈具上應(yīng)清晰、耐久地標(biāo)有以下強(qiáng)制性標(biāo)記：來源信息、額定電壓、額定最高環(huán)境溫度、產(chǎn)品型號(hào)、功率、防護(hù)等級(jí)、II類燈具或III類燈具符號(hào)等，這類強(qiáng)制性標(biāo)記必須清晰、持久地標(biāo)記在燈具上，不能輕易被抹除。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了部分補(bǔ)充信息如燈頻率、特定條件、安裝說明等，可在說明書中體現(xiàn)[3]。

應(yīng)該注意的是， LED植物照明燈具的發(fā)射波長(zhǎng)僅僅適應(yīng)于植物生長(zhǎng)，并非一般的普通照明用產(chǎn)品，應(yīng)明確注明不可將其作為普通照明用產(chǎn)品來使用。由于可見光的波長(zhǎng)在380～780 nm之間，故當(dāng)LED植物照明燈輸出光譜低于380 nm或高于780 nm時(shí)，還需在燈具外殼或說明書中加貼警告標(biāo)識(shí)。

在日常檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)，有些LED植物照明燈具產(chǎn)品信息錯(cuò)標(biāo)、漏標(biāo)，如漏標(biāo)產(chǎn)品來源、額定電壓、燈具類型符號(hào)等，錯(cuò)標(biāo)額定功率、環(huán)境溫度等，這些標(biāo)記的缺失很容易誤導(dǎo)消費(fèi)者的使用；還有些產(chǎn)品雖然標(biāo)記信息齊全，但字體和符號(hào)較小，不滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的大小要求；另外有些產(chǎn)品標(biāo)記信息經(jīng)過水和汽油的擦拭試驗(yàn)后，標(biāo)記字跡變得不清晰，后期使用中不利用使用者識(shí)別。以上看似無足輕重的問題都會(huì)在產(chǎn)品的使用過程中埋下安全隱患，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中詳細(xì)并清晰地標(biāo)示產(chǎn)品基本信息和參數(shù)。

1.2 結(jié)構(gòu)

一款燈具的結(jié)構(gòu)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求是整個(gè)產(chǎn)品檢驗(yàn)的關(guān)鍵所在。產(chǎn)品缺少標(biāo)記只需進(jìn)行補(bǔ)充加貼即可，但如果此燈具在結(jié)構(gòu)上存在著缺陷，那后面的檢驗(yàn)就很難進(jìn)行，所以在燈具初始設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局。

LED植物照明燈具除滿足GB7000.1規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求外，固定式的LED植物照明燈應(yīng)滿足GB7000.201的結(jié)構(gòu)要求；嵌入式LED植物照明燈應(yīng)滿足GB7000.202的結(jié)構(gòu)要求，可移式LED植物照明燈應(yīng)滿足GB7000.204的結(jié)構(gòu)要求。值得注意的是，對(duì)于嵌入式LED植物照明燈具，其嵌入式部分的機(jī)械強(qiáng)度考核與普通燈具有所不同，試驗(yàn)沖擊能量和壓縮量都有所減小，嚴(yán)苛程度有所降低；對(duì)于可移式LED植物照明燈具，在移動(dòng)、調(diào)節(jié)或把燈具放在支撐物上時(shí)，應(yīng)注意燈具電源線的絕緣層應(yīng)不能被損壞，在作正常移動(dòng)時(shí)，所有可能與金屬件發(fā)生摩擦而變得不安全的接線必須用絕緣材料制成的載線座、線夾或類似裝置固定，還應(yīng)注意的是可移式LED植物照明燈具應(yīng)有足夠的平穩(wěn)度，不易傾倒[3]。

日常檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有些產(chǎn)品內(nèi)含接線端子座，但接線端子座直接固定在金屬部件上，無絕緣襯墊隔離。電源接線端子的接線多由使用者自己連接，由于用戶的不專業(yè)性，經(jīng)常會(huì)發(fā)生多股導(dǎo)線中的幾股導(dǎo)體未被完全插入接線端子的情況，游離的導(dǎo)體可能會(huì)接觸到可觸及的金屬部件，很容易引發(fā)觸電危險(xiǎn)。因此電源接線端子必須加大安全防護(hù)尺寸，防止游離導(dǎo)體的觸及。日常檢驗(yàn)中，需要把連接導(dǎo)線端頭的絕緣層的剝?nèi)? mm，用剝離的8 mm游離導(dǎo)體來進(jìn)行是否觸及金屬部件的檢查，見圖1，如果觸及金屬部件，則需要在燈具上加裝絕緣襯墊，進(jìn)而引入絕緣襯墊的后續(xù)檢驗(yàn)，如果不觸及金屬部件，則該結(jié)構(gòu)合格。

圖1 8 mm游離導(dǎo)體試驗(yàn)Fig.1 8 mm free conductor test

對(duì)于自鎮(zhèn)流的LED植物照明燈，如LED球泡燈，還應(yīng)考慮到其燈頭互換性是否滿足GB 24906的要求，互換性合格的產(chǎn)品能保證消費(fèi)者在使用中隨時(shí)對(duì)出現(xiàn)故障的LED燈進(jìn)行互換，保證與原燈座配合使用?；Q性的檢驗(yàn)主要采用IEC 60061—1及IE C60061—3規(guī)定的燈頭量規(guī)[4]。以常見的E27燈頭為例，日常檢驗(yàn)工作中，主要考核燈頭螺紋最大尺寸、螺紋外徑最小尺寸及接觸性等指標(biāo)，常見的不合格情況主要有：螺紋最大尺寸不滿足要求，燈頭螺紋外徑最小尺寸不滿足要求等。究其原因，主要是制造商對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)控制不嚴(yán)、未嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行例行的出廠檢查所致。

1.3 防觸電保護(hù)

LED植物照明燈具防觸電保護(hù)的合格性，能夠保證消費(fèi)者在安裝和使用過程中的防觸電安全。GB 7000.1中對(duì)燈具的防觸電性能有詳細(xì)要求：產(chǎn)品應(yīng)制造成當(dāng)其按正常使用安裝后或更換可替換光源時(shí)，即使不是徒手操作，燈具的帶電部件應(yīng)不可觸及。基本絕緣部件更不能應(yīng)用于沒有防止意外接觸措施的燈具外表面[3]。這里的防止意外接觸措施是指是否設(shè)有接地保護(hù)，是否屬于雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行燈具的設(shè)計(jì)。

另外，對(duì)于自鎮(zhèn)流LED植物照明燈，GB 24906對(duì)意外接觸帶電部件防護(hù)的要求為：燈的防觸電設(shè)計(jì)應(yīng)保證當(dāng)其安裝在相應(yīng)燈座中時(shí)，使用者不能觸及燈頭內(nèi)或燈體內(nèi)的金屬部件、基本絕緣的外部金屬部件和帶電金屬部件[4]。對(duì)于自鎮(zhèn)流LED植物照明燈，防觸電保護(hù)不合格現(xiàn)象主要表現(xiàn)為燈頭電觸點(diǎn)的焊錫高度過高，當(dāng)燈在旋入燈座安裝好之后，帶電部件裸露易被觸及。

2 性能要求

LED植物照明燈具在應(yīng)用于植物生長(zhǎng)照明時(shí)，不僅要考量其安全要求，還應(yīng)考慮LED光源的功率、光度、色度及輻射度等性能要求。植物的生長(zhǎng)速度取決于光照強(qiáng)度，即植物表面吸收光輻射能的量，并非取決于光源數(shù)量?？剂繒r(shí)，應(yīng)根據(jù)植物的光合作用特性，在光量子系統(tǒng)和植物光度系統(tǒng)中考量植物受照面的光量子密度以及植物光度學(xué)參數(shù)，從而綜合評(píng)價(jià)植物照明燈具的光學(xué)性能。LED植物照明燈的光譜范圍對(duì)植物生理的影響見表1。目前常用的評(píng)價(jià)植物光照效果的基本測(cè)量方法有兩種：光和作用有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)與光量子能效(quantum efficiency，QE)。

表1 不同光譜范圍對(duì)植物生理的影響

2.1 功率和功率因數(shù)

LED植物照明燈具在額定電壓和頻率下工作時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求其實(shí)際消耗的功率與額定功率之差應(yīng)不大于15%或0.5 W，其實(shí)際功率因數(shù)應(yīng)不比制造商的標(biāo)稱值低0.05[5]。在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，存在燈具實(shí)測(cè)功率遠(yuǎn)小于標(biāo)稱功率的情況，進(jìn)而影響燈的光通量、光效等參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)植物生長(zhǎng)起不到應(yīng)有的效果。因此，生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)注意燈功率及功率因數(shù)的檢定，特別是在測(cè)量小功率產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)注意儀表的量程范圍對(duì)測(cè)量的影響[6]。

2.2 光合作用有效輻射

光合作用有效輻射由波長(zhǎng)范圍400～780 nm內(nèi)的可見光組成，常見LED植物照明燈具的光譜分布見圖2。這個(gè)范圍的輻射可以驅(qū)動(dòng)植物生長(zhǎng)所必須的光合作用，常用PAR來表示。但由于其不是計(jì)量單位，通常采用光合光子通量密度(PPFD)表示，單位為μmol/(m2·s)，計(jì)算光合光子通量密度，則需要知道光合作用光子通量(PPF)，PPF是指輻射源即LED植物照明燈在PAR范圍內(nèi)(400～780 nm)每秒有效射出光子的摩爾量，單位為μmol/s。由此可以看出，PPFD即是與PPF結(jié)合，用來確定植物冠層相對(duì)平面內(nèi)每平方米有多少PPF。1PPFD即表示400～780 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)每秒有1μmol的光子數(shù)量輻射在1 m2的表面。值得注意的是，PPFD僅僅適用于在PAR范圍內(nèi)的微摩爾密度，對(duì)于含有UVR(紫外線輻射)或FR(遠(yuǎn)紅光輻射)的光質(zhì)需要采用其他方式進(jìn)行表示[7]。

圖2 LED植物照明燈具光譜分布圖Fig.2 Spectrum distribution of LED plant lighting fixtures

PPF的計(jì)算公式為

(1)

式中，λi表示波長(zhǎng)，PW(λi)表示該波長(zhǎng)的輻射功率，n表示1 μmol的光子數(shù)，為6.02×1017光子，h為普朗克常量，即6.626×10-34J·s；c為光速，約3×108 m/s，以圖2所示的430 nm波長(zhǎng)為例，430 nm出的輻射功率為0.4 W，則該波長(zhǎng)的光子數(shù)為PPF≈1.44 μmol/s，進(jìn)而可得此光源在430 nm的光合光子通量密度為1.44 μmol/(m2·s)。當(dāng)計(jì)算出每個(gè)波長(zhǎng)的光合光子通量后，每個(gè)波段的的光子通量即可通過公式計(jì)算得出。

2.3 光量子能效

光量子能效(QE)的單位為μmol/J，計(jì)算公式為

QE=PPF/Pi

(2)

其中，Pi表示照明燈具的輸入功率。

QE表示LED植物照明燈具在380～780 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)每焦耳電能轉(zhuǎn)換為光量子數(shù)量的能力，QE與輻射效率和波長(zhǎng)相關(guān)，QE數(shù)值越高表示的是照明燈具對(duì)光量子轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)，電能的利用效率越高[7]。值得注意的是，QE適用的對(duì)象不僅是燈具，還可包括燈珠和光源。另外，QE存在光譜功率分布(SPD)綠光成分含量大而引起效率失真的問題，還需要基于相同光質(zhì)下的比較。

3 結(jié)束語

隨著LED植物照明受到相關(guān)企業(yè)越來越多的關(guān)注，LED植物照明燈具產(chǎn)品的生產(chǎn)制造技術(shù)也會(huì)不斷提高，相應(yīng)地LED植物照明燈具檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求也會(huì)逐步提高，這就對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求[8]。LED植物照明燈具制造商以及相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)高標(biāo)準(zhǔn)高要求，以光照對(duì)植物的影響為依據(jù)，客觀地評(píng)價(jià)LED植物照明燈具產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，規(guī)范生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步推動(dòng)LED植物照明產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。