LED控制装置标准中主要安全要求解析

LED控制装置标准中主要安全要求解析
2010-8-30 9:50:31 《半导体照明》杂志中国半导体照明网 /俞安琪王月丽李妹行业分类:驱动控制浏览

　　在进行LED控制装置的设计时，首先应根据GB19510.14/IEC61347-2-13标准中6章的分类要求，确定所设计的LED控制装置的类别。

　　LED在开始工作时，不需要预热和触发脉冲；在正常工作时，可以在特低安全电压下工作，这些都是LED较其它气体放电光源来说独特的优点。为了充分利用LED的这些优点，设计性能优良的LED控制装置是保证照明LED的优点得到充分发挥的重要工作。在进行LED控制装置的设计时，首先应根据GB19510.14/IEC61347-2-13标准中6章的分类要求，确定所设计的LED控制装置的类别。

　　（一）LED控制装置的分类及适用场合

　　1.自耦式控制装置

　　LED自耦式控制装置是指其内部输出电路与电源电路有内在连接的一种控制装置（例如通过电容、电感限流等电路）。这种控制装置的输出电压虽然也可以做到与安全特低输出电压相同的电压水平，但是由于其内部的非隔离输出特性，所以尽管两个输出端子之间的电压值符合安全特低输出电压的要求，但每一输出端子的对地电压却不可能在各种使用场合满足安全特低电压（SELV）的要求。此类控制装置不属于SELV标志的LED控制装置，其输入、输出端子与可以触及的外部金属之间，对内装式控制装置，其防触电保护起码达到基本绝缘的要求；对于独立安装式控制装置，则应达到Ⅰ类或Ⅱ类的防触电保护要求。

　　适用范围：

　　此类控制装置由于内部没有采用隔离措施，所以其转换效率相对高一些，一般适用于对输出电压不需要达到SELV的场合和(或)灯具附加防触电保护较充分的场合。

　　2.等效安全特低电压或隔离式控制装置

　　此类LED控制装置就其防触电功能来说，整体上可看作为初级/次级之间具有双重或加强绝缘功能的隔离变压器。在其内部的输出电路与电源电路之间（包括印制线路板上的电路和元件之间以及隔离变压器内部），对不高于250V电压的电源网络（1）其爬电距离和电气间隙应不小于6~7mm（根据污染等级不同）。（2）输入端在额定电源电压下时，其输出电压应不高于SELV电压的限值（有效值≤50V）。如果带额定负载时，最大输出电压应≤25V（有效值），空载输出电压≤33V（有效值）并且峰值≤33√2V时，输出端子可外露。（3）输出端子和电源电路之间。为了EMC防护或控制要求所跨接双重或加强绝缘的电容器应是Y1电容或两个串联的且参数相同的Y2电容。

　　适用范围：

　　此类控制装置应安装在灯具或具有类似防护功能的壳体内，但是在满足上述有关条件时，输出端子可以没有防触电保护，可外露。

　　3.独立式安全特低电压控制装置

　　独立式安全特低电压控制装置除了应满足上述“等效安全特低电压或隔离式控制装置”的要求外，还需满足下述要求：

　　（1）标志

　　独立式安全特低电压控制装置在产品标志上有下列独特之处：

　　ta —因为是独立安装方式，所以可以理解成是灯具的电器箱部分，按灯具要求，应有工作时最大环境温度标志ta值，如不标，则默认为ta＝25℃。

　　——表示该控制装置属于安全隔离式。

　　F——表示该控制装置失效（内部短路）时具有自动保护不发生安全性故障的功能。

　　——表示该控制装置输出端不具有耐短路保护的功能。

　　——表示该控制装置输出端具有耐短路保护的功能。

　　（2）控制装置内部及支撑件的发热限值

　　LED控制装置在声称的ta环境温度和1.06倍的额定电源条件下正常工作，其变压器绕组温度应不超过表1。

　　（3）控制装置在短路或过载状态下最大温升值的限值

　　LED控制装置在额定电源电压的0.94～1.06倍处于短路或过载状态下最大温升值不得超过表2。

　　（4）控制装置的磁芯和绕组的周期试验

　　独立式安全特低电压LED控制装置的变压器（包括磁芯和绕组）要进行指定对应温度下的加热——潮态试验——振动——绝缘和耐压的10个周期试验。试验样品为3个，10个周期试验完成后，只允许其中一个样品可发生绕组内部的短路情况，但不允许出现绕组对磁芯以及各绕组之间的击穿情况。

　　适用范围：

　　独立式安全特低电压LED控制装置适用于没有灯具附加防护的场合，如果具有合适的IP（防尘防水）等级，也可以直接安装在室外。此类控制装置一般可作为Ⅲ类灯具的电器箱部分，直接与Ⅲ类灯具配合使用。如果其输出电压控制在≤12V时，可供游泳池和戏水池（普通人和灯具同在水中的情况）用灯具直接使用。

　　（二）调光

　　调光是满足人们对各时间段内的不同照明需求的重要功能。各类人造光源的调光特性简述如下：

　　1.各类荧光灯以及所配备的调光电子镇流器一般应在满功率位置上启动荧光灯，否则将会造成灯不易启动或明显损害灯的寿命。另外，当荧光灯输出功率由强到弱调整时，灯电弧电流的减小会造成的灯阴极温度的下降，使灯阴极达不到电子逸出功的温度（1000K~1100K），只有在电弧电流下调的同时相应加大灯丝电流才能避免灯阴极温度太低而造成的灯寿命下降。尽管这样，由于灯低气压放电灯的负阻特性，当荧光灯功率下调时，灯管的电压将明显升高，当灯管处于很小功率输出时，灯管电压的大幅上升将使系统不能正常稳定地工作，所以各类低气压放电荧光灯调光范围一般只能在20%~100%范围，并且随着灯功率的下降，系统效率也明显下降，而且一般还不能保证小功率输出时不损害灯的寿命。

　　2.各类高强度气体放电灯（高压钠灯，石英金卤灯，陶瓷金卤灯等）简称HID以及所配合的电子镇流器一般也需在满功率位置上启动，另外当灯的工作状态稳定时才适合调光。当HID灯的功率下降时，电弧管内的气压也随之下降，灯的效率也会随之下降，所以HID灯的调光范围基本控制在50%~100%范围内，否则将使HID灯在低功率输出时，系统效率大大下降。尤其是石英管芯的金卤灯，当其电弧功率下降时，电弧管内的气压也明显下降，这将明显造成汞放电的紫外成份增大，使光输出成份中的紫外分量超标，此时如果没有灯具相应的防护措施，必将明显造成对被照射的人和物的紫外危害。

　　3.在迄今为止的各类人造光源中，LED是最适合于在调光状态下工作的，其宽广的动态工作范围只要求控制流过其的工作电流就能方便地并且在不损害其寿命的前提下实现0～100％的调光。另外，LED也是各类人造光源中，唯一具有与控制电路配合且当输出功率减小时，光效反而升高的产品。

　　LED这种优良的调光特性，使人们都跃跃欲试地想尝试制造各种具有调光功能的LED控制装置来实现调光。但在调光LED控制装置的设计时，必须注意LED控制装置中控制电路与主电路的隔离绝缘问题。一般的具有调光功能的LED控制装置，在其控制端都采用一个低压直流电压源（一般为0~10V）来实现控制（外接一个调光电位器本质上也是利用控制装置的内部电路，实现调整直流电压来控制调光的功能）。科技的进步使人们都广泛采用电脑及相应的配套电路来实现调光的自动化，如果我们采用各种昼光、红外、声控等感应器再配有智能化的电脑控制网络，把电脑端口直接连接到LED控制装置的控制端就能实现既有舒适照明，又能自动节电的效果，这将是LED照明发展的一个重要方向，但这一系统中，如果控制装置内部的电源电路和控制电路发生电连接或击穿，将会使电源电压“窜入”到低压控制系统中，这将严重危及人们的防触电安全性。为此，国际国内有关灯的控制装置标准中特别规定了“控制端子与电源电路之间起码具有基本绝缘，当控制端子声称能直接连接安全特低控制电压（SELV）时，则控制装置内控制电路与电源电路之间应具有强化绝缘功能”。这意味着，具有调光功能的LED的控制装置，其内部控制电路与电源电路之间在线路板上、元器件之间以及具有隔离作用的变压器内部的爬电距离、电气间隙、抗电强度都要达到基本绝缘或强化绝缘的指标要求。在这一方面，采用光电隅合器和合适的隔离变压器是解决这一问题的较好方案。

　　注：作为强化绝缘的变压器内隔板或光电隅合器的光/电器件间的绝缘物质厚度应≥0.4mm。

　　（三）LED控制装置雷电防护方面的问题

　　图1是LED的道路灯具采用的一个LED控制装置（驱动电路）的电路图，在目前LED道路灯具中80％左右都采用这一电路。这一电路在电磁兼容的功能方面，采用了有源功率因数校正电路和共模、差模滤波电路，所以其谐波和电源端子干扰（EMI）等指标都能可靠达到标准要求。但在兼顾安全和防雷电干扰方面却存在明显的缺陷。

　　1.雷电的差模干扰、防护要求和对策

　　我们知道雷电发生时，会向空中发射一个广谱的无线电波，这一电波被架空的电源线接受，由于我国的三相四线制供电网络是采用的零线接地的极性电源供电方式，这就造成了每一单相供电线路在接受感应的雷电脉冲电压信号时，会因为两根供电线路对地泄放回路的阻抗不同而使两根导线之间产生一个差模（即输入两根电极之间）的雷电脉冲电压干扰信号，这一差模干扰信号在到达整流二极管时，只要高于二极管的最高反向耐压，整流电路就会被瞬时击穿损坏。

　　在电路中，EMI防护的LC电路对雷电感应信号稍有一些削弱的作用，但主要是依靠并联在电路输入端的压敏电阻（图中MOV1和MOV4）来防护雷电感应的差模干扰。控制装置对差模防雷电感应的需求是，压敏电阻在正常工作时应处于高阻状态，当差模雷电信号到来时，削弱这一信号的幅值使雷电信号小于整流二极管的最大反向耐压，这一电路在这一方面显然是比较成功的。

　　2.雷电的共模干扰防护需求及对策

　　雷电发射的无线电波在被架空的电源线接收后，因为每一导线对瞬时感应的雷电信号泄放回路都存在一个阻抗，所以同时会产生一个两极对地之间的共模干扰信号，电路图中采用MOV2、MOV3和RAI组成的对地泄放回路来解决这一问题。当共模的雷电感应信号在500～600V时，压敏电阻和防雷管动作，把雷电感应信号幅值削低。单纯从雷电防护角度讲这一电路是可行的，但由于这一电路的存在，却破坏了整个控制装置的基本绝缘和防触电要求。众所周知，电器中的接地端子在通电工作时都是能被触及的，在防触电指标方面，都是采用双重保险的方法，例如防触电保护Ⅰ类的灯具，是由基本绝缘加外部可触及金属的接地来实现双重保险。这样当外部接地连接线被断开时，还有基本绝缘作为保障，在这一电路中对于输入电路与接地端子之间连接的元件，实际是“跨接”了基本绝缘，对于这种跨接基本绝缘的元件或组合件，在GB19510.14/IEC61347-2-13（LED控制装置的安全要求）标准及引用的GB8898/IEC60065标准中有严格的要求，规定跨接基本绝缘的电容应是Y2电容，其直流或峰值耐压可达6KV，规定跨接强化绝缘的电容应是Y1电容，其直流或峰值耐压可达8KV，以做到万无一失。从图中可看出，在EMI的防护电路中，以及输入/输出的隔离方面，都采用了Y1电容和光电隅合器，这是符合要求的，但同样是跨接基本绝缘的MOV2、MOV3和RAI组成的防雷电路，则根本不符合作为跨接基本绝缘的元件要求，对于跨接基本绝缘的组合件，应经得起基本绝缘所要求的介电强度，而该电路中采用的防雷管RAI显然不能达到这一要求，当防雷管处于导通状态时，两个压敏电阻就变成直接跨接基本绝缘的电阻，对于此类电阻，GB8898/IEC60065标准14.1中有明确规定，“电阻的阻值在过载时应足够稳定，并且电阻上应明显看得出（或可确定），其两个电极之间的电气间隙应≥3mm，从上述这两条要求来看”，压敏电阻在过载时阻值骤变并且两个电极之间的电气间隙不到3mm,显然不符合这些要求。

　　LED控制装置共模防感应雷电的需求是，因为电路（基本都在PCB板上）与壳之间应具备基本绝缘，所以在基本绝缘的介电强度阀值（2U＋1000V，基本为1440V）下，是其自身能抵抗的，不需要防感应雷电电路过早地起作用, 防感应雷电电路过早地起作用降低了基本绝缘的抗电抗度要求，从理论上讲，防感应雷电电路的动作阀值应在2U＋1000V以上才起作用。在实际应用中，控制装置线路板及各元件与壳之间的电气间隙应保持在3mm以上，在外壳较薄易形变的位置及电气间隙可能变化的场合还应加有抗电强度达3000V以上的绝缘内衬（聚酯薄膜），使LED控制装置的抗电强度能可靠达2200V（有效值）以上。而把防雷电感应器件的动作阀值控制在2500V（峰值）左右，即基本绝缘能力和防感应雷电的动作阀值有一个交叉的区域，这样就能保证LED控制装置既具有良好的防感应雷电的功能，又具有完全符合标准要求的抗电强度及防触电特性。
人类的防雷电的能力是有限的，只能基本防止感应雷电对LED控制装置的破坏作用，而如果是雷电直接击中，是无法防止其损坏的。

　　（四）各类LED控制电路的区分及对应适用的安全标准

　　在GB19510.14/IEC61347-2-13标准发布前，LED控制装置采用的安全标准有GB19510.12/IEC61347-2-11标准，也有采用IEC61347-2-2标准的，目前GB 19510.14/IEC61347-2-13标准已颁布，所以对照明用LED的控制装置，按照IEC61347系列标准的含义，应按如下原则选用对应的检验标准：

　　（1）仅具有恒压输出功能或具有恒流输出功能或两者功能兼有的控制装置，应采用GB19510.14/IEC61347-2-13安全标准检验。

　　（2）仅具有控制LED亮暗、闪动、颜色等逻辑变化功能的控制装置，应采用GB19510.12/IEC61347-2-11安全标准检验。

　　（3）如果一个控制装置兼有上述二者功能的（不可分开的一个整体），应按照GB 19510.14/IEC61347-2-13标准进行试验。（因为GB 19510.14/IEC61347-2-13的内容大于等于GB19510.12/IEC61347-2-11的内容）。

　　（4）单一采用已获CCC认证的开关电源不能免除灯具内LED附加的限流电路的试验，这类灯具中LED附件的限流电路试验应采用的标准仍应按照上述（1）～（3）的原则。

　　尤其是这类灯具内的LED限流元件采用电阻时，并且这些电阻被直接安装在印制线路板上时，应模拟LED短路异常状态，随后测量电阻的发热温度，此温度应低于印制线路板的耐温极限。

　　对于各类电器来说，安全指标是确保正常使用时不对使用者和周围环境产生各种危害的更高一级标准要求（强制性要求）LED控制装置只有在满足各项安全要求的前提下，才有意义来衡量其性能指标的优劣。本文所介绍的LED的有关标准内容，只相当于冰山露在水面上的部分，只有对LED的标准要求读解全了、懂了，LED照明产业是才会在它的长项领域得到长足的发展的。（编辑：Led鱼）

　　参考文献：

　　[1]IEC61347-2-13：2006灯的控制装置第13部分：LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求。

　　[2]IEC62384：2006 LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求。

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