LED防爆燈最高表面溫度試驗(yàn)分析

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

在一些防爆區(qū)域需要有防爆結(jié)構(gòu)的燈具來(lái)進(jìn)行照明，防爆燈主要用于可燃性氣體和粉塵存在的危險(xiǎn)場(chǎng)所。防爆燈能防止燈內(nèi)部可能產(chǎn)生的電弧、火花和高溫引燃周圍環(huán)境里的可燃性氣體和粉塵，從而達(dá)到防爆要求。過去防爆燈的光源常見有白熾燈、金鹵燈、鈉燈、汞燈、熒光燈等，隨著國(guó)家節(jié)能減排的政策實(shí)施，LED光源應(yīng)運(yùn)而生，與其相應(yīng)的防爆燈也越來(lái)越多。防爆燈的檢驗(yàn)工作也發(fā)生了新的變化，本文著重就國(guó)標(biāo)GB 3836.1～3中關(guān)于最高表面溫度試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析。

1 LED燈發(fā)光原理

LED(Light Emitting Diode)發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的內(nèi)部是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。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。但這兩種半導(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)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED燈發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的，LED發(fā)光原理圖見圖1。

圖1 LED發(fā)光原理圖

LED可以通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)、橙多色發(fā)光。紅光管工作電壓較小，顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍(lán)的LED的工作電壓依次升高。

其中白光做為防爆燈最為常見，本文也以白光為例進(jìn)行分析。白光LED發(fā)光的方式主要按LED的使用數(shù)量可以分為單晶型和多晶型兩種類型。 一種是多晶型，即使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的互補(bǔ)的2色LED或把3原色LED做混合光而形成白光。采用多晶型的產(chǎn)生白光的方式，因?yàn)椴煌纳实腖ED的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型LED的方式產(chǎn)生白光，比單晶型LED產(chǎn)生白光的方式復(fù)雜，也因LED的數(shù)量多，也使得多晶型LED的成本亦較高；若采用單晶型，則只要用一種單色LED元素即可，而且在驅(qū)動(dòng)電路上的設(shè)計(jì)會(huì)較為容易。 另一種是單晶型，即一只單色的LED加上相應(yīng)的熒光粉，就如同日光燈的發(fā)光方式一樣，采用LED激發(fā)熒光粉發(fā)光。通常采用兩種方式：一種方式是藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光；另一種方式是紫外光LED激發(fā)RGB三波長(zhǎng)熒光粉來(lái)產(chǎn)生白光。

目前市面上多以單晶型LED為主。這種發(fā)光原理與傳統(tǒng)的熱輻射發(fā)光和氣體放電發(fā)光都有很大區(qū)別，相應(yīng)的尋找最高表面溫度和測(cè)量最高表面溫度的方式、方法也要有一些變化。

2 LED防爆燈常見防爆型式

防爆燈具是防爆電器中使用數(shù)量、品種、規(guī)格較多的一種。我國(guó)生產(chǎn)防爆燈具的廠家較多，各有自己的型號(hào)，結(jié)構(gòu)也有所差別。在防爆場(chǎng)所分類上主要為兩大類：礦用和廠用，其中以廠用防爆燈具多用LED光源為主。LED防爆燈按照防爆型式分類，常見的有：隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型、正壓外殼型等。在防爆結(jié)構(gòu)上，LED防爆燈與相同防爆型式的其它光源沒有區(qū)別，但是由于LED發(fā)光模組的原因，需要控制LED的溫升，以達(dá)到對(duì)應(yīng)的可燃性氣體或蒸汽的溫度組別與溫度范圍。

LED發(fā)光模組可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定顆粒數(shù)目，圖1為8顆LED比較常見的封裝方式。

圖2 8顆LED常見封裝方式

相比傳統(tǒng)光源，LED是由多個(gè)單晶顆粒組成，每一個(gè)顆粒的最高表面溫度受限于加工工藝，并一定都相同，并且LED的發(fā)光部位較小且成半球面，這些都無(wú)疑增加了測(cè)量LED發(fā)光模組最高表面溫度的難度。

3 最高表面溫度試驗(yàn)分析

最高表面溫度是指防爆電氣設(shè)備在正常工作條件和允許的最不利條件下運(yùn)行時(shí)，它的表面或某一部分可能達(dá)到的，并且有可能點(diǎn)燃周圍爆炸性氣體混合物的最高溫度。由于防爆型式的不同，最高表面溫度可能是電氣設(shè)備外殼表面的溫度，例如隔爆型電氣設(shè)備；也可能是電氣設(shè)備外殼外表面的溫度和內(nèi)部某個(gè)元器件表面的溫度中較高的那個(gè)溫度，例如增安型電氣設(shè)備、正壓型電氣設(shè)備。

在防爆燈具的最高表面溫度試驗(yàn)中，一般以電氣設(shè)備的1.1倍額定電壓為最不利條件。為了尋找到電氣設(shè)備外殼外表面或者內(nèi)部發(fā)熱較高的元器件表面的溫度，需要用到紅外熱像儀，但是由于防爆燈具采用的透明件多為鋼化玻璃、聚碳酸酯等材質(zhì)，透射率過高，無(wú)法像測(cè)量金屬、木料、石料等材質(zhì)一樣獲得準(zhǔn)確溫度，因此紅外熱像儀只能用于尋找最高表面溫度的位置，在找到最高表面溫度位置后，建議選用熱電偶來(lái)對(duì)光源和透明件測(cè)溫。根據(jù)防爆型式不同，主要分為兩種測(cè)量方式。

3.1 測(cè)量電氣外殼外表面

這種測(cè)量方式主要代表是隔爆型結(jié)構(gòu)的防爆燈，由于隔爆型結(jié)構(gòu)的防爆特性，對(duì)試樣的溫度組別要求只需要測(cè)量電氣外殼的外表面。上文中提到用熱電偶來(lái)進(jìn)行試樣的測(cè)溫，目前熱電偶在試樣上的固定方式有以下幾種：焊接、粘接及膠帶固定等，對(duì)用LED光源的隔爆型燈具來(lái)說(shuō)，用紅外熱像儀尋找到最高表面溫度的位置多在透明件上，不排除有些試樣的外殼溫升會(huì)高于透明件上的溫升，但這種測(cè)量外殼的方式比較簡(jiǎn)單，這里就不再贅述了。透明件材質(zhì)的特性首先否定了焊接的可能，粘接和膠帶固定的方式都是可以的。

大量實(shí)驗(yàn)證明，被白光照射的物體，顏色越深越容易積聚熱量，目前LED防爆燈多為白光，因此粘接劑的選擇盡量接近無(wú)色透明，在固定熱電偶的接點(diǎn)時(shí)粘接劑的用量不要過大，避免粘接劑受到光照使內(nèi)部積聚溫升，試驗(yàn)后結(jié)束可以使用解膠劑脫離熱電偶，便于重復(fù)使用。膠帶的選擇同樣為無(wú)色透明最好，用膠帶固定熱電偶時(shí)，在保證接點(diǎn)能接觸到被測(cè)表面的情況下，盡量遠(yuǎn)離接合處，為了防止熱電偶接點(diǎn)翹起，可以在前端輕微向下折，以達(dá)到讓接點(diǎn)貼合被測(cè)表面，在粘貼膠帶時(shí)，要注意膠帶不宜過長(zhǎng)，防止在試樣表面積聚溫升。

3.2 測(cè)量?jī)?nèi)部發(fā)熱的元器件表面

在防爆型式中，考慮到防爆結(jié)構(gòu)的原因，增安型及正壓型采用此種測(cè)量方式。LED防爆燈的光源是由許多個(gè)LED顆粒組成，這些顆粒焊接在電路板上，可以根據(jù)需要添加顆粒的數(shù)量。測(cè)溫前先用紅外熱像儀在電路板上尋找到溫升最高的那個(gè)顆粒，然后用熱電偶進(jìn)行測(cè)量。由于LED顆粒非常小，而且發(fā)光點(diǎn)是一個(gè)半球面，如圖3所示，用熱電偶的接點(diǎn)接觸比較困難，此時(shí)可以考慮測(cè)量電路板背面與之對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)。LED內(nèi)部是一個(gè)小型晶片，主要發(fā)熱部位也是這里，與相連的焊點(diǎn)之間很近，導(dǎo)體的熱損耗很微小，這樣也是可以測(cè)得此LED顆粒的最高表面溫度。

圖3 LED發(fā)光點(diǎn)示意圖

需要注意的是熱電偶接點(diǎn)的絕緣保護(hù)，LED發(fā)光二極管是直流供電，在測(cè)量直流電加熱物體的表面溫度時(shí)，有兩種方法可以參考：一是采用正反向電流相加取平均值的方法；二是利用兩支相同型號(hào)的熱電偶敷設(shè)在直流電加熱的物體上，來(lái)減小直流電加熱引起的附加電勢(shì)。限于篇幅，這里不做詳細(xì)介紹了。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是全球重要的LED照明產(chǎn)品生產(chǎn)基地，產(chǎn)出約占全球80%以上的LED照明產(chǎn)品。隨著LED技術(shù)的成熟以及技術(shù)特性，使得其逐步滲透到工業(yè)照明和特殊照明等領(lǐng)域，比如應(yīng)急照明、惡劣環(huán)境的廠房、礦井隧道、船用照明等。尤其近年來(lái)防爆燈具的光源選擇，越來(lái)越傾向于使用LED。雖然LED的優(yōu)點(diǎn)很多，諸如體積小、耗電量低、壽命長(zhǎng)、高亮度、低熱量、環(huán)保等。但也不能忽視LED的溫升測(cè)試，希望經(jīng)過本文的介紹與分析，能給防爆檢驗(yàn)的相關(guān)工作帶來(lái)幫助。