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采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-07-06  来源:《照明》  作者:夏红兵 王钦恒  
  工业照明灯具的要求
 
  采用LED作为固态照明光源的灯具有达到同样照度需要的电能更少,比传统灯具更长的使用寿命的显著特点,从而达到节能、维护成本低的目的,逐渐在工业照明领域广泛地应用。
 
  工业照明灯具,主要在石油、化工、钢铁、冶金、矿山、消防及燃气、铁路、电力、公安、部队、防汛、潜水救捞和抢险救灾等行业已作为工作照明和应急照明普遍使用。 其下分四大类,即固定专业类、固定防爆类、移动专业类和移动防爆类,因规格、性能各异而划分。本文仅针对固定专业类以及固定防爆类的灯具要求进行分析。
 
  固定专业类:工业厂房按其建筑结构型式可分为单层工业建筑和多层工业建筑。多层工业建筑的厂房一般不是很高,其照明设计多采用常规照明方案。机械加工、冶金、纺织等行业的生产厂房一般为单层工业建筑,并且根据生产的需要,更多的是多跨度单层工业厂房,即紧挨着平行布置的多跨度厂房,各跨跨度视需要可相同或不同。单层厂房在满足一定建筑模数要求的基础上视工艺需要确定其建筑宽度(跨度)、长度和高度。厂房的跨度一般为6、9、12、15、18、21、24、27、30、36m……。厂房的长度少则几十米,多则数百米。厂房的高度低的一般5~6m,高的可达30~40m,甚至更高。厂房的跨度和高度是厂房照明设计中考虑的主要因素。另外多数工业厂房内设有吊车,因此,工厂照明通常采用装在屋架上的灯具来实现。处在恶劣环境下的生产厂房具有多尘、潮湿、高温或有蒸汽、振动、烟雾、酸碱腐蚀性气体或物质、有辐射性物质的环境特点,从而对灯具提出了更高的环境适应度要求。要求如下:
  1)灯具整体质量轻,能够直接安装在屋顶。
  2)更高的环境温度,在夏季高温季节,灯具附近的温度可达到60度。
  3)开灯时间厂,大部分厂房24小时连续开灯。
  4)免维护,灯具安装位置普遍较高,维护成本高。
  5)IP防护等级高,部分灯具需要达到IP65等级
 
  固定防爆类:
  在有爆炸和火灾危险性生产厂房的照明,需要采用防爆类型灯具。由于照明灯具在工作时不可避免地产生电火花或形成炽热的表面,它们一旦与生产或救援现场的爆炸性气体混合物相遇,就会导致爆炸事故的发生。防爆灯具是具有防爆性能的一类照明灯具,具有Ex这样的标志。防爆灯具的密封性能,在结构上进一步采取保护措施等等,国家对防爆灯具有一定的要求。而非防爆灯具都没有一以上的要求。在进行隔爆灯具的结构设计时,制造者往往重点放在隔爆外壳的外形和强度设计上,而对光源和驱动电源的选择却普遍关注不够。防爆灯具需要符合下列要求:
  1)能防止灯内部可能产生的电弧、火花和高温引燃周围环境里的可燃性气体和粉尘。
  2)更恶劣的工作环境,灯具环境温度可能超过60度。
  3)免维护,灯具一般安装在危险区域或高空,一旦损坏,维护成本高。
  4)开灯时间长,大部分连续24小时工作。
  5)IP防护等级高。
 
  总结上述两类灯具的要求,除了外壳的密封等级差别,二者在光源上的要求几乎完全相同。对灯具设计提出了新的要求,需要一种高可靠性、结构简单的光源模组,能够应用在两种类型的照明灯具中,一方面可以做工业照明灯具在光源上标准化,减少重复开发,以规模化生产来降低生产成本,另一方面可以提高互换性,减少维护成本。采用交流直接驱动的LED模组可以达到上述设计目标。
 
  传统开关电源类型驱动的不足:
 
  LED灯珠作为半导体器件,其寿命长达50000小时以上,然而灯具的寿命取决于系统整体的寿命。LED灯具有三个核心组成部分LED灯珠、驱动电源、散热器及结构件。由于热管理问题导致的散热不足会引起LED节温的上升,从而引起光衰的问题,已逐渐得到厂家的重视。但对于驱动电源的不良引起的灯具故障,我们还认识不足。据统计,目前LED白光照明灯具出现的失效故障,70%左右是电源问题,20%左右是线路和结构问题,只有不到10%是LED灯珠的本身质量问题。特别是在工业照明领域,恶劣的工作环境更加剧了驱动电源的故障率。传统的开关电源式驱动电源,不可避免的需要使用电解电容和变压器进行能量的储存和转换,而电解电容的寿命与其工作温度呈指数相关关系,电容量由于电解液的蒸发会逐渐下降,其寿命则仅为5000~10000小时。这样电解电容的短寿命与LED灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距,削弱了LED的优势.电解电容在极低温度下,例如环境温度零下30度时,由于内部电解液遇冷凝固,导致驱动电源无法正常工作,灯具不能启动。因而无电解电容LED驱动解决方案会成为工业照明领域的的最终市场选择。开关电源类型的驱动电源,在内部会进行频繁的MOS管开关动作,从而进行能量的传递,众所周知,用于能量转化的变压器,不可避免的会产生漏感,漏感产生的能量无处泄放,就会产生高电压,击穿绝缘或者产生电弧,这在防爆类型灯具中是需要绝对避免的。一般工业照明领域,所使用的灯具功率都较高,采用传统开关电源结构,由于内部频繁的高频开关动作,会产生很大EMC问题,容易对周围设备产生电磁干扰,影响设备的正常运转。同时其复杂的结构,不利于灯具的密封,较大的重量,也使灯具的整体重量增加。
 
  交流直接驱动原理:
 
  如图1原理图所示,为220V 40W模组,LED1,LED2,LED3,LED4 表示一组LED串或者高压HVLED,这里所采用的是晶元50V 45mA高压大功率灯珠,驱动芯片采用上海酷蓝科技的交流直接驱动芯片ACDrv系列,Q1-Q4为耐压600V的MOS管,其交替工作在完全导通、线性恒流、完全关断状态。 对于220V输入电压,内部的控制器可以动态适应不同正向电压的LED串,检测流经LED串的电流以及电压,根据芯片的状态机轮流切换并恒流控制。
12-01
图1 应用原理图
 
  其工作时序为表1所示
12-02
表1 MOS管工作时序表
 
  220V的交流输入线与整流桥相连,产生全波整流信号波形。
 
  LEDs 和 驱动芯片直接由整流后的AC电压供电。
 
  LED1 LED2 LED3 LED4 的电流由四个外部采样电阻R1~R4设置。
 
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