帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
打雷時刻,你的LED設計安全嗎?
當戶外照明遇上閃電襲來

【作者: Tim Patel、Henry Yu】   2017年07月26日 星期三

瀏覽人次:【2080】
  


發光二極體(LED)技術的出現標誌著電氣照明行業的重大革命。自1990年以來,LED燈日益取代著戶外照明應用中的傳統光源,如汞燈、金屬鹵素燈和鈉汽燈。由於其在照明效率上的進步(每瓦更高流明)、二次光學原件(更好的鏡頭/反射鏡)、以及更強的熱耗散性能,LED照明技術著實令人感到驚訝。


消費者和工業用戶尋求更為節能的照明方案,促使對LED照明的需求量加速上升。LED照明機制的發展也受到旨在抑制白熾燈繼續使用的政府行為的驅動。出於以上原因,LED照明的高採用率絕對是全球化現象。擁有發達經濟體的國家已經制定了完善的計畫和方案,以逐步淘汰傳統的白熾燈照明。這不應令人感到意外,因為照明約占全球能源消耗的25%。


儘管戶外LED照明的初始成本很高,但是完全有理由在這上面進行投資,因為在更低瓦數需求、更低維護成本以及更長的壽命的基礎之上,投資回報是可以確定的。為了在大約五年的投資回收期內保證戶外LED照明不會出現故障,其應具有很高的耐用性和可靠性。


對於戶外LED照明,一個相當大的威脅是在交流電源線路中發生的瞬態浪湧事件,可能會對燈具造成損壞。一個LED燈含有電源轉換電子元件(直流/交流)、LED驅動晶片、以及用於熱控的散熱片和優化燈光品質的光學元件。直接連接到交流電源(如120/2250VAC)的一個LED燈具可能會因燈泡內部元件或電路故障導致的短路和超載情況而損壞。


除此之外,產生於燈泡外部的雷擊浪湧或負荷開關瞬態能夠造成電壓尖峰或環形波,給元件造成壓力並最終導致損壞,從而使燈泡報廢。有鑒於LED燈泡的價值定位不僅僅是降低能源消耗,還有更長的使用壽命,在消除因電氣環境促使的現場故障中考慮瞬態電壓保護將是至關緊要的。


間接雷擊感應浪湧

由於附近電氣設備的打開和關閉動作,在交流電源線路上可能會發生過壓瞬態浪湧。附近發生的雷擊也會在交流電源線路產生瞬態浪湧,尤其是在室外環境中。


在發生雷擊的一?那,從雲端到地面的靜電放電的級別通常達到數百萬伏。發生在幾英里以外的雷擊,會在載流銅線(例如:路燈的地下電纜)誘發高達數千伏特的感應電壓。這些間接衝擊以通常含有超過1000A2s大量能量的特定波形為特徵。


約70%的雷擊發生於熱帶地區的陸地地帶,這也是大多數雷暴發生的地方。非洲國家經歷過有史以來最為嚴重、持續時間最長的雷擊。雷擊最為經常發生的地方鄰近剛果民主共和國東部山區的小村莊基夫卡,海拔約為975米。平均來說,該地區每年每平方公里會發生158次雷擊。這個地方周圍的一大片區域也受到嚴重影響,因為雷擊造成的感應浪湧衝擊增加了戶外LED照明設備受損的機率。


根據美國國家航空暨太空總署(NASA)在全球各地閃電頻數上的研究,中南美、非洲、南亞和東南亞也有與美國類似的閃電頻數;因此在美國,建議等效浪湧抗擾度應在5kA到10kA之間。對於閃電頻數較少的其他地區,如歐洲、東亞和澳大利亞,可以考慮3kA到5kA較低的浪湧抗擾度。


暴風雨天氣中這種類型的間接雷電能量會對戶外LED照明裝置造成不利的影響。燈具在差模和共模條件下均容易受損:


‧ 差模:燈具的相線和零線端子或相線和相線端子之間的高電壓/電流瞬態可能會損壞電源裝置或LED模組板中的元件。


‧ 共模:燈具的相線和地線或零線和地線之間的高電壓/電流瞬態可能會穿透電源裝置或LED模組板中的安全絕緣,包括LED散熱器絕緣。



圖1 : 在交流電源線路中的瞬態浪湧
圖1 : 在交流電源線路中的瞬態浪湧

圖2 : 組合波開路電壓
圖2 : 組合波開路電壓

圖3 : 組合波短路電壓
圖3 : 組合波短路電壓

圖4 : 世界各地的閃電頻率—單位:閃電次數/平方公里/年—(美國航空航天局全球水文資源中心)。
圖4 : 世界各地的閃電頻率—單位:閃電次數/平方公里/年—(美國航空航天局全球水文資源中心)。

圖5 : LED路燈保護方案
圖5 : LED路燈保護方案

測試波形是1.2*50μs開路電壓和8*20μs短路電流波形的一種組合。要進行這項測試,在連接到燈具之前要通過將輸出端短接到地面在浪湧發生器上對規定的峰值電流進行校準。


應對感應浪湧事件的技術

保護戶外LED照明免於感應浪湧衝擊損害的方式是阻斷高電壓/電流瞬態干擾進入照明燈具。因此可以在戶外LED照明應用中採用一種浪湧保護器(SPD)來抑制浪湧能量,並且最大限度地減少對照明設備的浪湧衝擊。


關於SPD,有多種過電壓保護元件可用,包括金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、體放電管(GDT)和瞬態電壓抑制(TVS)二極體。這些元件通常被放置於具有高阻抗的交流電源線之間,在檢測到高電壓時會變為低阻抗。在低阻抗狀態下,這些元件可以將浪湧能量轉移回到交流電源線,在浪湧事件後又回到高阻抗狀態。在現有的技術中,MOV因其較高的浪湧能量處理能力和對瞬態電壓的快速回應成為首選,在配電板的SPD保護中也得以廣泛應用。因此MOV是戶外LED照明應用中浪湧保護器件的最適用的技術。


在一個室外燈具中併入一條強大的浪湧抑制電路,能消除浪湧能量造成的破壞,從而提高照明設備的可靠性、最大程度地減少維護,並提高使用壽命。一個能將過高的浪湧抑制到較低電壓水準的浪湧保護元件是保護LED燈具投資的最佳方式。


熱防護型金屬氧化物壓敏電阻保護浪湧保護器的安全

金屬氧化物壓敏電阻(MOV)技術不僅價格便宜,而且是抑制電源中瞬態的一種非常有效的技術。在許多其他的應用中,這種技術同樣有效,比如通常被放置於LED驅動器前面的浪湧保護器(SPD)模組。


在經歷一次大浪湧或多次小浪湧之後,金屬氧化物壓敏電阻的性能會逐漸退化。這種退化導致金屬氧化物壓敏電阻洩漏電流增加,進而使得金屬氧化物壓敏電阻的溫度升高,即使是在120Vac/240Vac工作電壓的正常條件下。金屬氧化物壓敏電阻相鄰的一個熱敏切斷器,可以在金屬氧化物壓敏電阻持續退化至壽命終止狀態時,用以檢測其溫度的增加;這時,熱敏切斷器會打開電路,將性能退化的壓敏電阻從電路中去除,以防止災難性故障。


金屬氧化物壓敏電阻的設計旨在微秒時間內鉗制快速過電壓瞬態。然而,除了短歷時瞬態,在浪湧保護器模組中的金屬氧化物壓敏電阻,還會受到因零線缺失或安裝時的不正確接線造成的臨時過電壓情況的影響。這些情況會對金屬氧化物壓敏電阻造成嚴重壓力,使其進入一種散熱失控狀況;反過來,這又將導致過熱、冒煙、甚至起火。


浪湧保護器的安全標準UL 1449和IEC 61643-11,定義了為確保浪湧保護器安全而必須對器件進行測試的特定異常條件。在可靠的設計中,在浪湧保護器內部加入了熱敏切斷器,以保護金屬氧化物壓敏電阻不會出現散熱失控。



圖6 : 熱敏切斷器防止性能退化的MOV出現故障
圖6 : 熱敏切斷器防止性能退化的MOV出現故障

圖7 : 交流過電流事件
圖7 : 交流過電流事件

圖8 : 並聯和串聯連接
圖8 : 並聯和串聯連接

為浪湧保護器而設的壽命終止/更換指示功能

當金屬氧化物壓敏電阻因臨時過電壓或過高的洩露電流而變得過熱時,熱敏切斷器可用來將金屬氧化物壓敏電阻從交流電路中去除。浪湧保護器因此停止其電湧抑制功能。所以應考慮設計合適的指示功能,以便維修人員能夠知道浪湧保護器不能正常工作且需要更換。


照明設計人員可以根據他們的維護和包修策略,從兩種主要類型的浪湧保護器模組配置中進行選擇。這些都是並聯和串聯的浪湧保護元件。


並聯連接

浪湧保護器模組與負載並聯在一起。一個壽命終止的浪湧保護器模組從電源上斷開的同時,交流/直流電源裝置保持通電狀態。照明依然處於工作狀態,但卻失去了抵抗電源裝置和LED模組所面臨的下一次浪湧的防護功能。


在一個並聯的浪湧保護器模組中,可以通過使用一個能向維護技術人員指示浪湧保護器模組狀態的小的發光二極體來起到更換指示的作用。可以選擇使用綠色發光二極體來指示浪湧保護器模組線上,或者用紅色發光二極體來指示浪湧保護器模組離線。或者,更換浪湧保護器模組的需要,可以在浪湧保護器模組壽命終止指示線連接至一個網路智慧照明系統的照明管理中心中遠端顯示,而不是在每個燈具上都安裝LED指示。


串連連接

浪湧保護器模組與負載串聯在一起,壽命終止的浪湧保護器模組從電源上斷開的同時,也會使燈熄滅。燈具停電便可作為呼叫維修的指示。已斷開的浪湧保護器模組不僅熄滅照明以作為更換的指示,同時使交流/直流電源裝置與之後的浪湧衝擊隔離開來。對這種配置的普遍偏好迅速增長,是因為在浪湧保護器模組等待更換期間,照明投資仍然受到保護。與使用並聯浪湧保護器模組的情況下需更換整個燈具相比,在串聯情況下僅更換浪湧保護器模組的費用要低得多。


總結

LED技術所帶來的高效節能提升了戶外照明的價值。為了使LED照明設備能達到其預期壽命,應在戶外LED照明中加入浪湧保護模組,以防止因雷擊浪湧事件和其他電源線路浪湧造成的早期故障。安裝於LED電源裝置前端的浪湧保護模組,為照明系統提供了有效的保護。但是,其可能會受到臨時過電壓威脅和因多次浪湧事件而疲勞的影響。放置於浪湧保護模組中的熱敏切斷器提高了模組的整體安全性,並能使模組達到UL 1449和IEC 61643-11認證標準。


當浪湧保護模組達到其使用壽命期限時,串聯的浪湧保護器模組提供的是一種最為簡單的更換指示方式,即通過將燈具從電源上斷開,從而使燈熄滅。並聯的浪湧保護器模組提供的是一種與發光二極體相連接的方式,對模組是否線上做出提示。


(本文作者Tim Patel、Henry Yu任職於Littelfuse美國公司)


相關文章
智慧LED照亮車用市場
LED照明設計架構新轉變
迎向LED智慧照明新時代
智慧家庭新創業者發展現況及關鍵成功因素分析
超低待機能耗設計 提高能源效率
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 100G Lambda MSA定義下一代光學連接規範
» HTC宣布與Google完成330億合作協議
» 觸控展開幕 工研院展示高強度AMOLED
» 看好健康促進產業前景夯 台日合作創新服務產值
» 發明展新品搶先曝光 5G及智慧遙控手套受矚目
  相關產品
» 盛群HT66FW2230通過WPC Qi V1.2.3認證
» Molex推出Polymicro FR光纖
» 恩智浦新一代Java卡系統擴展安全識別市場多應用服務
» 奧地利微電子微型XYZ三色刺激感測器適用於真彩消費應用領域
» Littelfuse推出500VAC額定電壓陶瓷管保險絲
  相關資源
» Littelfuse推出經AEC-Q101認證的瞬態抑制二極體
» Littelfuse推出符合AEC-Q101標準的瞬態抑制二極體
» Littelfuse推出符合AEC-Q101標準的車用瞬態抑制二極體系列
» Littelfuse宣布推出新型瞬態抑制二極管陣列 相比同類技術可將箝位電壓降低60%
» Littelfuse 200W瞬態抑制二極管陣列提供鉗位保護

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2017 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw