LED路燈防浪涌干擾設計中的絕緣耐壓問題

　　防浪涌或防瞬變干擾常用的器件有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管和固體放電管幾種，以及它們的組合。LED 路燈防雷電干擾電路及其裝置一般與LED 控制裝置成為一體，常用的有氣體放電管和壓敏電阻的組合。

?本文闡述了目前LED 路燈常用的防浪涌或防瞬變抑制電路的原理，指出了具有防浪涌干擾功能的LED 路燈普遍存在的絕緣耐壓問題。提出LED 路燈的EMS 設計應建立在滿足安全要求的基礎上的理念。強調了LED 路燈設計輸入的充分性。

　　一、氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路原理

　　由于壓敏電阻（VDR）具有較大的寄生電容，用在交流電源系統，會產生可觀的泄漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時間后，因泄漏電流變大可能會發熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。圖1 中，將壓敏電阻與氣體放電管串聯，由于氣體放電管寄生電容很小，可使串聯支路的總電容減至幾個pF。在這個支路中，氣體放電管將起一個開關作用，沒有暫態電壓時，它能將壓敏電阻與系統隔開，使壓敏電阻幾乎無泄漏電流。但這又帶來了缺點就是反應時間為各器件的反應時間之和。例如壓敏電阻的反應時間為25ns，氣體放電管的反應時間為100ns，則圖2 的R2、G、R3 的反應時間為150ns，為改善反應時間加入R1 壓敏電阻，這樣可使反應時間為25ns。

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　　金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的電壓-電流特性見圖3，金屬氧化物壓敏電阻（MOV）特性參數見表1。氣體放電管（GDT）的電壓-電流特性見圖4，氣體放電管（GDT）特性參數見表2。

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　　由于浪涌干擾所致，一旦加在氣體放電管兩端的電壓超過火花放電電壓（圖4 的u1）時，放電管內部氣體被電離，放電管開始放電。放電管端的壓降迅速下降至輝光放電電壓（圖4 的u2）（u2 在表2 中的數值為140V 或180V，與管子本身的特性有關），管內電流開始升高。隨著放電電流的進一步增大，放電管便進入弧光放電狀態。在這種狀態下，管子兩端電壓（弧光電壓）跌得很低（圖4的u3）（u3 在表2 中數值為15V 或20V，與管子本身的特性有關），且弧光電壓在相當寬的電流變動范圍（從圖4 的i1→i2 過程中）內保持穩定。因此，外界的高電壓浪涌干擾，由于氣體放電管的放電作用，被化解成了低電壓和大電流的受保護情況（u3 和i2），且這個電流（從圖4 的i2→i3）經由氣體放電管本身流回到干擾源里，免除了干擾對燈具可能帶來的危害。隨著浪涌過電壓的消退，流過氣體放電管的電流降到維持弧光放電狀態所需的最小值以下（約為10mA~100mA，與管子本身的特性關）,弧光放電便停止，并再次通過輝光放電狀態后，結束整個放電狀態（熄弧）。

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　　二、具有防浪涌干擾功能的 LED 路燈普遍存在的絕緣耐壓問題

　　1、燈具耐壓問題存在的現狀

　　在采用上述氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路防浪涌干擾的LED路燈普遍存在的絕緣耐壓問題是在燈具的帶電部件與金屬部件之間不能承受2U+1000（V）的基本絕緣的電壓，常見在600V 左右發生擊穿現象。造成絕緣耐壓問題的根源是氣體放電管的耐壓參數選擇不合理所致。與其說是LED 路燈存在的絕緣耐壓問題，倒不如說是LED 控制裝置存在的絕緣耐壓問題。因為防浪涌干擾電路通常位于LED 控制裝置中。帶有防浪涌干擾功能的LED 控制裝置應符合GB 19510.14-2009《燈的控制裝置第 14 部分：LED 模塊用直流或交流電子控制裝置的特殊要求》和GB19510.1-2000《燈的控制裝置第 1 部分：一般要求和安全要求》。2、耐壓問題存在的疑問及其解答

　　制造商往往會對絕緣耐壓的試驗方法產生疑問，認為氣體放電管和壓敏電阻的串聯電路在絕緣耐壓試驗時應該斷開。

　　疑問主要來自于以下兩個理由：疑問理由 1：GB 7000.1-2007《燈具－第1 部分:一般要求與試驗》的“10.2絕緣電阻和電氣強度”中規定：“進行這些試驗時，下述部件應斷開，使試驗電壓加到部件的絕緣上，而不是加到這些部件的電容或電感功能元件上：a) 旁路連接的電容器；b) 帶電部件和燈具殼體之間的電容器；c) 連接在帶電部件之間的扼流圈和變壓器。”圖2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE 是否應該斷開？

　　對于上述 GB7000.1-2007 中10.2 試驗時要斷開的部件是指燈具點燈電路中附加的電容或組件，而不包括LED 控制裝置（部件）中的元器件。LED 控制裝置的電氣強度試驗依據GB 19510.14-2009 和GB19510.1-2000 標準的要求。燈具在進行電氣強度試驗時，控制裝置中的電容或組件不應斷開。

　　GB 7000.1-2007 中10.2 的a)和b)電容器在燈具耐壓試驗時斷開，不是沒有耐壓要求，實際在燈具結構中就有明確要求，如GB 7000.1-2007 中4.10.1 雙重絕緣和加強絕緣中規定：“抑制干擾電容器應符合GB/T 14472 的規定，并且其連接方式應符合IEC 60065:2001 中8.6 的要求。” GB/T 14472-1998《電子設備用固定電容器第 14 部分:分規范抑制電源電磁干擾用固定電容器》表1B 規定：Y1 電容應用于跨接在雙重絕緣或加強絕緣之間、額定電壓≤250V、峰值脈沖電壓8.0kV；，Y2 電容應用于跨接在基本絕緣或補充絕緣之間、額定電壓：150V≤U≤250V、峰值脈沖電壓5.0kV；Y3 電容應用于跨接在基本絕緣或補充絕緣之間、額定電壓：150V≤U≤250V；Y4 電容應用于跨接在基本絕緣或補充絕緣之間、額定電壓<150V、峰值脈沖電壓2.5kV。根據跨接絕緣的類型等確定相應分類等級的電容，實際在燈具結構中就提出了相應絕緣對應的電容耐壓等級的要求。

　　圖 2 中的電源一帶電部件-R2-G-接地回路或電源另一帶電部件-R3-G-接地回路顯然不是在絕緣耐壓或電氣強度試驗時應該斷開的對象。

　　疑問理由 2：IEC 60950-1:2005《信息技術設備的安全第 1 部分：一般要求》“5.2 抗電強度”中的“5.2.2 試驗程序”中注4 規定：“與被試絕緣并聯提供直流通路的元件（例如濾波電容器的放電電阻、限壓裝置或浪涌吸收器）應斷開。”圖2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE 是否應該斷開？

　　上述元件的斷開限壓裝置或浪涌吸收器僅指壓敏電阻（VDR）（例如圖2 中的R1），未涉及氣體放電管和壓敏電阻的串聯電路（圖2 中的電源一帶電部件-R2-G-接地回路或電源另一帶電部件-R3-G-接地回路）。理由是IEC 60950-1:2005 中“1.5.9 浪涌吸收器” 中“1.5.9.1 一般要求”規定：“二次電路允許使用任何形式的浪涌吸收器，包括壓敏電阻（VDR）。用于一次線路的浪涌吸收器應是一個VDR（壓敏電阻）且VDR 符合該標準附錄Q。VDR 有時指Varistor(壓敏電阻)或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。例如氣體放電管、碳塊和非線性的電壓/電流特性的半導體裝置等的裝置，在本標準中均不被視作VDR。”

　　對于什么絕緣下可以使用VDR ，什么絕緣下不可以使用VDR ，IEC60950-1:2005 的1.5.9.3、1.5.9.4 和1.5.9.5 規定如下：

　　（1）允許用一個VDR跨接功能絕緣。
　　（2）允許用一個VDR，其一側接地，跨接基本絕緣。

　　VDR跨接基本絕緣這種設備應是下列一種：
　　- B型可插式設備；或
　　- 永久性連接式設備；或
　　- 具有永久連接保護接地導體裝置的設備且提供該導體的安裝說明書。

　　（3）不允許用一個VDR跨接附加絕緣、雙重絕緣或加強絕緣。為防止最大連續電壓以上的暫態電壓、由于在VDR 內的泄漏電流的熱過載以及萬一短路故障時VDR 的燃燒和爆炸，IEC 60950-1:2005 的1.5.9.2 規定應與VDR 串聯連接一個具有足夠熔斷能力的斷路裝置。浪涌吸收器作為設備的差模保護情況，還是作為共模保護情況，對安全來說情況是不一樣的。差模保護是指在電源的一極與另一極之間提供的抗干擾保護，保護對象是設備，不涉及人身安全保護。共模保護是指在電源的任一極與電源的接地之間提供的抗干擾保護，除了保護設備以外，更重要的涉及人接觸設備時的安全。從這個意義上來說，首先應保證安全，然后再考慮滿足EMS的要求。

　　3、LED 控制裝置標準關于耐壓的試驗方法

　　作為 LED 控制裝置，應符合GB 19510.14-2009《燈的控制裝置第 14 部分：LED 模塊用直流或交流電子控制裝置的特殊要求》標準的要求，而無論是GB19510.14-2009 還是其引用標準GB19510.1-2000《燈的控制裝置第 1 部分：一般要求和安全要求》的“介電強度”中沒有斷開部件的規定。

　　4、OSM/EE 有關絕緣耐壓的決議

　　EN 60950《信息技術設備的安全》和EN 60950-1《信息技術設備的安全第1 部分：一般要求》中1.5.1 有關的No.98/2 的OSM/EE（歐洲電工標準化委員會電工設備操作員工會議）就電源上壓敏電阻的使用決議指出：“在電源與保護地之間的與避雷器或氣體放電管串聯的壓敏電阻（壓敏電阻不必單獨認證）的組合應符合基本絕緣（如電氣強度和對避雷器或氣體放電管的外部爬電距離）且有防止短路的保護裝置。1. A 型可插式設備：所有國家接受。2. B 型可插式設備和永久性連接式設備：所有國家接受。”上述 OSM/EE 就電源上壓敏電阻的使用決議清楚地證明了LED 路燈在帶電部件與金屬部件之間進行耐壓試驗時，圖2 中的圖2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE不應該斷開。

　　5、絕緣耐壓問題的解決方案

為了使 LED 路燈能夠滿足安全要求，氣體放電管的耐壓選擇至關重要，應該選取足夠耐壓的氣體放電管與壓敏電阻配套，壓敏電阻和氣體放電管串聯電路（如圖1）應能夠承受基本絕緣的耐壓。幾種氣體放電管的直流火花放電電壓和交流擊穿電壓的關系見表3，氣體放電管的直流火花放電電壓一般應選不低于2500V。

　　三、結束語

　　1、LED 路燈的EMS 設計應建立在滿足安全要求的基礎上，不應以犧牲安全作為代價，換取滿足EMS 的要求。安全要求不是達不到，恐怕是不知道。

　　2、LED 路燈設計輸入必須充分。

　　（1）LED 路燈的安全必須符合GB 7000.5-2005《道路與街路照明燈具安全要求》和GB 7000.1-2007《燈具第 1 部分: 一般要求與試驗》；

　　（2）LED 路燈的性能可依據標準GB/T 24827-2009 《道路與街路照明燈具性能要求》和GB/T 9468-2008《燈具分布光度測量的一般要求》；

　　（3）LED 路燈的EMI 需要符合GB 17743-2007《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》、GB 17625.1-2003《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》和 GB 17625.2-2007《電磁兼容限值對每相額定電流≤16A 且無條件接入的設備在公用低壓供電系統中產生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》；

　　（4）LED 路燈的EMS 需要符合GB/T 18595-2001《一般照明用設備電磁兼容抗擾度要求》。

本文地址:http://www.1cnz.cn/article/83/116/2010/20100419216305.html

　　參考文獻

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Sectional specification: Fixed capacitors for electromagnetic　interference suppression and connection to the supply mains

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　　[8] GB 7000.1-2007 燈具－第1 部分:一般要求與試驗

　　[9] GB/T 14472-1998 電子設備用固定電容器第 14 部分:分規范抑制電源電磁干擾用固定電容器