LED防爆燈最高表面溫度試驗分析

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

在一些防爆區域需要有防爆結構的燈具來進行照明，防爆燈主要用于可燃性氣體和粉塵存在的危險場所。防爆燈能防止燈內部可能產生的電弧、火花和高溫引燃周圍環境里的可燃性氣體和粉塵，從而達到防爆要求。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，隨著國家節能減排的政策實施，LED光源應運而生，與其相應的防爆燈也越來越多。防爆燈的檢驗工作也發生了新的變化，本文著重就國標GB 3836.1～3中關于最高表面溫度試驗來進行分析。

1 LED燈發光原理

LED(Light Emitting Diode)發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的內部是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成：一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位；另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED燈發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的，LED發光原理圖見圖1。

圖1 LED發光原理圖

LED可以通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和禁帶寬度，實現紅、黃、綠、藍、橙多色發光。紅光管工作電壓較小，顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍的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行分析。白光LED發光的方式主要按LED的使用數量可以分為單晶型和多晶型兩種類型。 一種是多晶型，即使用兩個或兩個以上的互補的2色LED或把3原色LED做混合光而形成白光。采用多晶型的產生白光的方式，因為不同的色彩的LED的驅動電壓、發光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型LED的方式產生白光，比單晶型LED產生白光的方式復雜，也因LED的數量多，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，而且在驅動電路上的設計會較為容易。 另一種是單晶型，即一只單色的LED加上相應的熒光粉，就如同日光燈的發光方式一樣，采用LED激發熒光粉發光。通常采用兩種方式：一種方式是藍光LED激發黃色熒光粉產生白光；另一種方式是紫外光LED激發RGB三波長熒光粉來產生白光。

目前市面上多以單晶型LED為主。這種發光原理與傳統的熱輻射發光和氣體放電發光都有很大區別，相應的尋找最高表面溫度和測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量、品種、規格較多的一種。我國生產防爆燈具的廠家較多，各有自己的型號，結構也有所差別。在防爆場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、本質安全型、正壓外殼型等。在防爆結構上，LED防爆燈與相同防爆型式的其它光源沒有區別，但是由于LED發光模組的原因，需要控制LED的溫升，以達到對應的可燃性氣體或蒸汽的溫度組別與溫度范圍。

LED發光模組可以根據實際需要來決定顆粒數目，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

相比傳統光源，LED是由多個單晶顆粒組成，每一個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的發光部位較小且成半球面，這些都無疑增加了測量LED發光模組最高表面溫度的難度。

3 最高表面溫度試驗分析

最高表面溫度是指防爆電氣設備在正常工作條件和允許的最不利條件下運行時，它的表面或某一部分可能達到的，并且有可能點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備外殼表面的溫度，例如隔爆型電氣設備；也可能是電氣設備外殼外表面的溫度和內部某個元器件表面的溫度中較高的那個溫度，例如增安型電氣設備、正壓型電氣設備。

在防爆燈具的最高表面溫度試驗中，一般以電氣設備的1.1倍額定電壓為最不利條件。為了尋找到電氣設備外殼外表面或者內部發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，透射率過高，無法像測量金屬、木料、石料等材質一樣獲得準確溫度，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，建議選用熱電偶來對光源和透明件測溫。根據防爆型式不同，主要分為兩種測量方式。

3.1 測量電氣外殼外表面

這種測量方式主要代表是隔爆型結構的防爆燈，由于隔爆型結構的防爆特性，對試樣的溫度組別要求只需要測量電氣外殼的外表面。上文中提到用熱電偶來進行試樣的測溫，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，對用LED光源的隔爆型燈具來說，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高于透明件上的溫升，但這種測量外殼的方式比較簡單，這里就不再贅述了。透明件材質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。

大量實驗證明，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色透明，在固定熱電偶的接點時粘接劑的用量不要過大，避免粘接劑受到光照使內部積聚溫升，試驗后結束可以使用解膠劑脫離熱電偶，便于重復使用。膠帶的選擇同樣為無色透明最好，用膠帶固定熱電偶時，在保證接點能接觸到被測表面的情況下，盡量遠離接合處，為了防止熱電偶接點翹起，可以在前端輕微向下折，以達到讓接點貼合被測表面，在粘貼膠帶時，要注意膠帶不宜過長，防止在試樣表面積聚溫升。

3.2 測量內部發熱的元器件表面

在防爆型式中，考慮到防爆結構的原因，增安型及正壓型采用此種測量方式。LED防爆燈的光源是由許多個LED顆粒組成，這些顆粒焊接在電路板上，可以根據需要添加顆粒的數量。測溫前先用紅外熱像儀在電路板上尋找到溫升最高的那個顆粒，然后用熱電偶進行測量。由于LED顆粒非常小，而且發光點是一個半球面，如圖3所示，用熱電偶的接點接觸比較困難，此時可以考慮測量電路板背面與之對應的焊點。LED內部是一個小型晶片，主要發熱部位也是這里，與相連的焊點之間很近，導體的熱損耗很微小，這樣也是可以測得此LED顆粒的最高表面溫度。

圖3 LED發光點示意圖

需要注意的是熱電偶接點的絕緣保護，LED發光二極管是直流供電，在測量直流電加熱物體的表面溫度時，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的熱電偶敷設在直流電加熱的物體上，來減小直流電加熱引起的附加電勢。限于篇幅，這里不做詳細介紹了。

4 結語

中國是全球重要的LED照明產品生產基地，產出約占全球80%以上的LED照明產品。隨著LED技術的成熟以及技術特性，使得其逐步滲透到工業照明和特殊照明等領域，比如應急照明、惡劣環境的廠房、礦井隧道、船用照明等。尤其近年來防爆燈具的光源選擇，越來越傾向于使用LED。雖然LED的優點很多，諸如體積小、耗電量低、壽命長、高亮度、低熱量、環保等。但也不能忽視LED的溫升測試，希望經過本文的介紹與分析，能給防爆檢驗的相關工作帶來幫助。