LED光源在矿用防爆灯具中的应用点击次数：1341 更新时间：2016-12-06

　煤矿井下照明的光源先后经历了白炽灯、荧光灯、节能灯三个时代。led作为第四代新光源，具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强，环保等优良特性。LED照明己经在煤矿安全生产中得到了广泛的应用，并发挥了不可替代的作用，像LED矿灯、LED巷道灯、LED支架灯等己经得到了普及。由于LED光源的诸多优点，LED光源在煤矿井下也必将有着广阔的应用前景。对煤矿节能，提高安全生产，降低采煤成本必将具有重大意义。

　　1大功率LED作为矿用灯的性能特点发光效率高：LED光源经过近几十年的发展，发光效率得到了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12~24mw，荧光灯50~70m/W大部分的耗电变成热量损耗。LED的光效现己可达到90~200m/W而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤即可直接发出有色可见光。

　　耗电量少，节能：LED小电流驱动，低电压工作。在同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的十分之一，荧光灯管的二分之一。由于煤矿井下是持续照明，其节能效果将更加突出。

　　吏用寿命长，终身免维护：采用LED光源的灯具体积小、重量轻。LED光源环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达100000hLED灯具设计合理的话其使用寿命可达51年，地降低了灯具的维护费用，避免在井下经常换灯要拉闸停电等一系列的麻烦。

　　安全可靠，便于实现本安化设计：LED发热量低，无热辐射性，低电压工作，为冷光源，整灯的工作温度低，本安电路设计简单灵活。）体积和功率均小，灯具设计灵活多样：采用不同种类的LED光源可以设计成各种工况下使用的防爆灯具。

　　（6色柔和，无眩光，配光容易：LED封装时可以做成色温不同的颜色，色温可以根据用户要求在4 0007000K之间灵活选择。LED显色指数可达80以上，灯具发光颜色更接近于自然光。

　　（7）前期投资较大：受封装技术和工艺的限制，LED光源目前较贵，但是用其使用一年时间的节能收回光源的投资，从而可以获得35年中每年几倍的节能净收益。

　　2大功率LED在矿用灯具设计的技术问题由于LED照明是新兴产业，煤矿用户和大多数生产厂商对LED应用技术缺乏足够的认识，目前LED防爆灯具也是良莠不齐，有些灯具只是将LED光源以简单拼凑的方式安装到防爆壳体上，没有从LED光源的流明维持率上考虑更多，从而导致灯具的真正寿命远没有光源所承诺的时间那么久，有的使用不到1年光衰就低于50%甚至死灯。从目前已经应用的诸多LED防爆灯具的使用测试和分析，大功率LED防爆灯具除了解决好防爆性能外，要想真正做到灯具的长寿命，就必须在灯具设计时，解决好散热和电源驱动这2个主要技术难点。这也是灯具制造企业和煤矿用户共同关心的关键问题。

　　21LED防爆灯具要有较好的散热结构由于LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以散热是LED防爆灯具能否长寿的关键因素之一。LED防爆灯具光效高、发热量大，要在密闭的防爆腔中工作，并且井下的使用环境本身比较苛刻，如果散热不良会直接导致LED快速老化，稳定性降低，所以LED灯具要具有好的散热结构，一般可行的方法是将防爆灯具的壳体作为散热的重要渠道。通常采用铝合金外壳外面加散热片，利用空气的自然对流散热。在设计时要求灯具必须有足够的散热表面积。

　　也有些的灯具采用热管散热技术，效果很好但成本过高，不适宜批量使用。由于井下煤灰粉尘的堆积，如果散热片设计过长或者过于密集，将会导致散热效果降低一半以上，所以在设计灯具的外壳时应将灯具的散热片设计成流线型且竖直方向排列，这样尽可能地避免煤尘的堆积。

　　2.2LED防爆灯具要有合理的驱动电源LED光源要持续可靠地工作，必须采用恒流驱动；电路电流的不稳定是导致LED光衰和灯具温升的直接原因。目前LED恒流驱动设计方案基本的是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合反馈电路来恒流驱动LED.根据DC/DC稳压器外围电路设计的差异，一般有电感型LED驱动和开关电容型LED驱动两种。电感型升压驱动方案其优点是驱动电流较高，LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变，特别适用于驱动多只LED.在大功率IED灯具设计中，主要采用开关电容型IED驱动方案，其优点是IED两端的电压较高、流过的电流较大，从而可以获得较高的功效及光学效率，因而在大功率LED驱动中得到了广泛应用。目前比较理想的驱动方案有的FWM控制驱动，可以对灯具的亮度进行调节，将使得节能效果更加突出，更适合井下不同场合的实际需要。

　　对于大功率LED防爆灯具虽然大多数厂商都能做到恒流驱动，但往往考虑成本因素而简化电路，电路设计时容易造成冷态上电瞬间过高的起始峰值电压，很有可能将LED击穿或断开；虽然也是恒流，但电路故障率较高，目前发现的有瞬间击穿现象，单颗短路击穿以及单颗开路击穿，甚至会造成整串灯死灯现象。所以面临复杂的工况，LED防爆灯具在驱动电路设计时必须考虑解决好以下几个问题。）电源必须具有高可靠性、率驱动，具有高功率因数：LED防爆灯具在井下使用，维修很困难，可靠性必须得以保证。高的电源效率，耗损功率自然就小，也就降低了灯具的温升，对延缓LED的光衰能提供同步的辅助作用。

　　宽范围输入电压，电路要有浪涌保护：由于井下电压波动较大，灯具要能满足在85255V范围内正常工作；LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。这方面的保护在电路设计时也很重要。由于电网负载的频繁启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。电源除了常规的保护功能外，在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

　　电源要具备其他电气性能；井下环境恶劣，灯具要防水、防潮；驱动电源的设计使用寿命要与LED的寿命相适配；要符合煤矿安规要求。

　　―2005煤矿用防爆灯具标准中关于灯具绝缘电阻和工频耐压的测试要求。

　　3几种大功率LED光源在矿用防爆灯具中的合理应用根据煤矿井下工作场所的布置和划分，井下的防爆灯具一般有矿灯、巷道灯、机车灯、支架灯、应急灯、信号灯，以及一些特殊场所用的泛光灯和投光灯。

　　但从LED光源的结构特性来看，现应用较多比较稳定的也就以下四种方案，下面详细介绍他们在矿用防爆灯具中的应用。

　　31早期巷道灯所用的小功率支架LED型主要用在井下防爆信号灯和早期的巷道灯中，一般采用数十颗支架型小功率Y5Y10白光LED管来做光源，如所示。一般使用了几十到几百颗Y5Y10白光LED点阵式排布，直接插接在PCB板或者焊接在铝基板上，电源驱动可以采用电容降压来实现。光学设计上无需考虑过多，不存在散热问题，灯具结构上也很容易实现；尤其是这种管子国产化程度很高，灯具的成本比较低，很容易设计成灯具。但生产工艺复杂、灯具工作的可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，所以现在的巷道灯很少采用这种方案，但用在防爆信号灯中效果很理想。

　　32仿荧光灯型巷道灯所用的小功率贴片LED型这种光源是对小功率支架型LED的改进，与铝基板条的焊接可采用回流焊，工艺自动化高；做成灯条后整体导热接触充分，导电性能良好，所以生产效率高，成品率也相对高，如所示。LED贴片体积更小，但功率要比支架LED的大得多，所以灯具采用的管子数量要比支架LED型少。灯具的功率一般有10W和20W的规格，驱动电路采用串并联结合的方式，由于受其封装工艺的影响，光源的透光体大多采用硅橡胶制作，所以光源的稳定性和可靠性不够理想。目前在条型仿荧光灯的巷道灯上应用较多，也可用在防爆支架灯上，由于电流小也易于实现本安化。

　　33应用较成熟的大功率基座（基板）LED型如所示，这是目前应用多也成熟的方案。大多数12~ 18W圆形巷道灯都在采用这种方案，如所示。这种LED―般有1W和3W的规格，单颗功率较大，应用广泛。

　　井下一般的巷道高3m左右，宽4 ~5m灯的安装间距一般为6~8m比较合适，为了达到在其照射范围内的理想照明效果，必须通过二次光学设计控制灯具的出光角度，使灯具在巷道的长度方向出光角度尽可能的大，一般以160为宜，在巷道的宽度方向一般只需80~90°即可，这样将LED光源发出的有限光就可全部合理地利用起来，使灯具发出的光形成一个椭圆型，使灯具在照射面域内分布均匀。一般可采用专门设计的反光罩或者如所示的花生型LED透镜来进行二次光学处理。

　　采用这种方案的防爆灯具的电源驱动可以采用开关恒流驱动电路，效率较高，可达80%以上。功率较大时电路上可以采用两路串联驱动，这样可以降低总电路的负荷，避免单路驱动时LED管子损坏造成的电路不稳定，从而提高灯具的可靠性。同时灯具必须要有良好的散热结构，才能尽可能地降低管子本身的光衰，以保证灯具的使用寿命。

　　用基座型大功率LED做光源的防爆灯具其比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高得多。其一次性投资较高，但的节电效果及经济性都是非常可观的。由于它容易实现二次光学设计，所以也可用在井下机车灯、防爆泛光灯（如所示）防爆支架灯以及防爆应急灯等复杂的灯具上。

　　34巷道灯常用的多芯片集成型光源多芯片集成型LED光源（如所示）具有*的优势：通过不同的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动电路的设计，提高整体发光效能，降低成本；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点光源和面光源。

　　这种防爆灯具生产工艺简单，由于多点发光，二次光学设计的难度大。因为一般单颗就能做到10W甚至到100W，所以对灯具的散热要求也比较苛刻。

　　灯具设计时灵活性不大，受芯片局限性大，但光学系这种管子内部的电路复杂（如所示）由于芯片内部采用4并5串的方式供电，如果其中某一路上的某颗或几颗管子损害，势必造成整个电路驱动上的不平衡，从而导致电路的负荷加大，工作不稳定，内部管子损坏后，人眼从外部根本无法发现；第二个原因就是管子自身的VF值也不均衡，或高或低，这样也很难保证4路上的电流均衡，做不到真正的恒流驱动，除非管子的内部再附加其他的调整电路才能够解决。