LED光源在礦用防爆燈具中的應用點(diǎn)擊次數：1381 更新時(shí)間：2016-12-06

　煤礦井下照明的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、節能燈三個(gè)時(shí)代。led作為第四代新光源，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(cháng)、安全可靠性強，環(huán)保等優(yōu)良特性。LED照明己經(jīng)在煤礦安全生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，并發(fā)揮了不可替代的作用，像LED礦燈、LED巷道燈、LED支架燈等己經(jīng)得到了普及。由于LED光源的諸多優(yōu)點(diǎn)，LED光源在煤礦井下也必將有著(zhù)廣闊的應用前景。對煤礦節能，提高安全生產(chǎn)，降低采煤成本必將具有重大意義。

　　1大功率LED作為礦用燈的性能特點(diǎn)發(fā)光效率高：LED光源經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，發(fā)光效率得到了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12~24mw，熒光燈50~70m/W大部分的耗電變成熱量損耗。LED的光效現己可達到90~200m/W而且其光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾即可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。

　　耗電量少，節能：LED小電流驅動(dòng)，低電壓工作。在同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的十分之一，熒光燈管的二分之一。由于煤礦井下是持續照明，其節能效果將更加突出。

　　吏用壽命長(cháng)，終身免維護：采用LED光源的燈具體積小、重量輕。LED光源環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達100000hLED燈具設計合理的話(huà)其使用壽命可達51年，地降低了燈具的維護費用，避免在井下經(jīng)常換燈要拉閘停電等一系列的麻煩。

　　安全可靠，便于實(shí)現本安化設計：LED發(fā)熱量低，無(wú)熱輻射性，低電壓工作，為冷光源，整燈的工作溫度低，本安電路設計簡(jiǎn)單靈活。）體積和功率均小，燈具設計靈活多樣：采用不同種類(lèi)的LED光源可以設計成各種工況下使用的防爆燈具。

　?。?色柔和，無(wú)眩光，配光容易：LED封裝時(shí)可以做成色溫不同的顏色，色溫可以根據用戶(hù)要求在4 0007000K之間靈活選擇。LED顯色指數可達80以上，燈具發(fā)光顏色更接近于自然光。

　?。?）前期投資較大：受封裝技術(shù)和工藝的限制，LED光源目前較貴，但是用其使用一年時(shí)間的節能收回光源的投資，從而可以獲得35年中每年幾倍的節能凈收益。

　　2大功率LED在礦用燈具設計的技術(shù)問(wèn)題由于LED照明是新興產(chǎn)業(yè)，煤礦用戶(hù)和大多數生產(chǎn)廠(chǎng)商對LED應用技術(shù)缺乏足夠的認識，目前LED防爆燈具也是良莠不齊，有些燈具只是將LED光源以簡(jiǎn)單拼湊的方式安裝到防爆殼體上，沒(méi)有從LED光源的流明維持率上考慮更多，從而導致燈具的真正壽命遠沒(méi)有光源所承諾的時(shí)間那么久，有的使用不到1年光衰就低于50%甚至死燈。從目前已經(jīng)應用的諸多LED防爆燈具的使用測試和分析，大功率LED防爆燈具除了解決好防爆性能外，要想真正做到燈具的長(cháng)壽命，就必須在燈具設計時(shí)，解決好散熱和電源驅動(dòng)這2個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。這也是燈具制造企業(yè)和煤礦用戶(hù)共同關(guān)心的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　21LED防爆燈具要有較好的散熱結構由于LED的發(fā)光效率隨著(zhù)LED溫度的升高而下降，所以散熱是LED防爆燈具能否長(cháng)壽的關(guān)鍵因素之一。LED防爆燈具光效高、發(fā)熱量大，要在密閉的防爆腔中工作，并且井下的使用環(huán)境本身比較苛刻，如果散熱不良會(huì )直接導致LED快速老化，穩定性降低，所以L(fǎng)ED燈具要具有好的散熱結構，一般可行的方法是將防爆燈具的殼體作為散熱的重要渠道。通常采用鋁合金外殼外面加散熱片，利用空氣的自然對流散熱。在設計時(shí)要求燈具必須有足夠的散熱表面積。

　　也有些的燈具采用熱管散熱技術(shù)，效果很好但成本過(guò)高，不適宜批量使用。由于井下煤灰粉塵的堆積，如果散熱片設計過(guò)長(cháng)或者過(guò)于密集，將會(huì )導致散熱效果降低一半以上，所以在設計燈具的外殼時(shí)應將燈具的散熱片設計成流線(xiàn)型且豎直方向排列，這樣盡可能地避免煤塵的堆積。

　　2.2LED防爆燈具要有合理的驅動(dòng)電源LED光源要持續可靠地工作，必須采用恒流驅動(dòng)；電路電流的不穩定是導致LED光衰和燈具溫升的直接原因。目前LED恒流驅動(dòng)設計方案基本的是利用線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)型DC/DC穩壓器結合反饋電路來(lái)恒流驅動(dòng)LED.根據DC/DC穩壓器外圍電路設計的差異，一般有電感型LED驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)電容型LED驅動(dòng)兩種。電感型升壓驅動(dòng)方案其優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)電流較高，LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅動(dòng)多只LED.在大功率IED燈具設計中，主要采用開(kāi)關(guān)電容型IED驅動(dòng)方案，其優(yōu)點(diǎn)是IED兩端的電壓較高、流過(guò)的電流較大，從而可以獲得較高的功效及光學(xué)效率，因而在大功率LED驅動(dòng)中得到了廣泛應用。目前比較理想的驅動(dòng)方案有的FWM控制驅動(dòng)，可以對燈具的亮度進(jìn)行調節，將使得節能效果更加突出，更適合井下不同場(chǎng)合的實(shí)際需要。

　　對于大功率LED防爆燈具雖然大多數廠(chǎng)商都能做到恒流驅動(dòng)，但往往考慮成本因素而簡(jiǎn)化電路，電路設計時(shí)容易造成冷態(tài)上電瞬間過(guò)高的起始峰值電壓，很有可能將LED擊穿或斷開(kāi)；雖然也是恒流，但電路故障率較高，目前發(fā)現的有瞬間擊穿現象，單顆短路擊穿以及單顆開(kāi)路擊穿，甚至會(huì )造成整串燈死燈現象。所以面臨復雜的工況，LED防爆燈具在驅動(dòng)電路設計時(shí)必須考慮解決好以下幾個(gè)問(wèn)題。）電源必須具有高可靠性、率驅動(dòng)，具有高功率因數：LED防爆燈具在井下使用，維修很困難，可靠性必須得以保證。高的電源效率，耗損功率自然就小，也就降低了燈具的溫升，對延緩LED的光衰能提供同步的輔助作用。

　　寬范圍輸入電壓，電路要有浪涌保護：由于井下電壓波動(dòng)較大，燈具要能滿(mǎn)足在85255V范圍內正常工作；LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。這方面的保護在電路設計時(shí)也很重要。由于電網(wǎng)負載的頻繁啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統會(huì )侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì )導致LED的損壞。因此LED驅動(dòng)電源有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。電源除了常規的保護功能外，在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過(guò)高。

　　電源要具備其他電氣性能；井下環(huán)境惡劣，燈具要防水、防潮；驅動(dòng)電源的設計使用壽命要與LED的壽命相適配；要符合煤礦安規要求。

　　―2005煤礦用防爆燈具標準中關(guān)于燈具絕緣電阻和工頻耐壓的測試要求。

　　3幾種大功率LED光源在礦用防爆燈具中的合理應用根據煤礦井下工作場(chǎng)所的布置和劃分，井下的防爆燈具一般有礦燈、巷道燈、機車(chē)燈、支架燈、應急燈、信號燈，以及一些特殊場(chǎng)所用的泛光燈和投光燈。

　　但從LED光源的結構特性來(lái)看，現應用較多比較穩定的也就以下四種方案，下面詳細介紹他們在礦用防爆燈具中的應用。

　　31早期巷道燈所用的小功率支架LED型主要用在井下防爆信號燈和早期的巷道燈中，一般采用數十顆支架型小功率Y5Y10白光LED管來(lái)做光源，如所示。一般使用了幾十到幾百顆Y5Y10白光LED點(diǎn)陣式排布，直接插接在PCB板或者焊接在鋁基板上，電源驅動(dòng)可以采用電容降壓來(lái)實(shí)現。光學(xué)設計上無(wú)需考慮過(guò)多，不存在散熱問(wèn)題，燈具結構上也很容易實(shí)現；尤其是這種管子國產(chǎn)化程度很高，燈具的成本比較低，很容易設計成燈具。但生產(chǎn)工藝復雜、燈具工作的可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，所以現在的巷道燈很少采用這種方案，但用在防爆信號燈中效果很理想。

　　32仿熒光燈型巷道燈所用的小功率貼片LED型這種光源是對小功率支架型LED的改進(jìn)，與鋁基板條的焊接可采用回流焊，工藝自動(dòng)化高；做成燈條后整體導熱接觸充分，導電性能良好，所以生產(chǎn)效率高，成品率也相對高，如所示。LED貼片體積更小，但功率要比支架LED的大得多，所以燈具采用的管子數量要比支架LED型少。燈具的功率一般有10W和20W的規格，驅動(dòng)電路采用串并聯(lián)結合的方式，由于受其封裝工藝的影響，光源的透光體大多采用硅橡膠制作，所以光源的穩定性和可靠性不夠理想。目前在條型仿熒光燈的巷道燈上應用較多，也可用在防爆支架燈上，由于電流小也易于實(shí)現本安化。

　　33應用較成熟的大功率基座（基板）LED型如所示，這是目前應用多也成熟的方案。大多數12~ 18W圓形巷道燈都在采用這種方案，如所示。這種LED―般有1W和3W的規格，單顆功率較大，應用廣泛。

　　井下一般的巷道高3m左右，寬4 ~5m燈的安裝間距一般為6~8m比較合適，為了達到在其照射范圍內的理想照明效果，必須通過(guò)二次光學(xué)設計控制燈具的出光角度，使燈具在巷道的長(cháng)度方向出光角度盡可能的大，一般以160為宜，在巷道的寬度方向一般只需80~90°即可，這樣將LED光源發(fā)出的有限光就可全部合理地利用起來(lái)，使燈具發(fā)出的光形成一個(gè)橢圓型，使燈具在照射面域內分布均勻。一般可采用專(zhuān)門(mén)設計的反光罩或者如所示的花生型LED透鏡來(lái)進(jìn)行二次光學(xué)處理。

　　采用這種方案的防爆燈具的電源驅動(dòng)可以采用開(kāi)關(guān)恒流驅動(dòng)電路，效率較高，可達80%以上。功率較大時(shí)電路上可以采用兩路串聯(lián)驅動(dòng)，這樣可以降低總電路的負荷，避免單路驅動(dòng)時(shí)LED管子損壞造成的電路不穩定，從而提高燈具的可靠性。同時(shí)燈具必須要有良好的散熱結構，才能盡可能地降低管子本身的光衰，以保證燈具的使用壽命。

　　用基座型大功率LED做光源的防爆燈具其比白熾燈、日光燈、節能燈要高得多，但它的節能效果及壽命比其他燈具也高得多。其一次性投資較高，但的節電效果及經(jīng)濟性都是非?？捎^(guān)的。由于它容易實(shí)現二次光學(xué)設計，所以也可用在井下機車(chē)燈、防爆泛光燈（如所示）防爆支架燈以及防爆應急燈等復雜的燈具上。

　　34巷道燈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*的優(yōu)勢：通過(guò)不同的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現各種不同的額定電壓和電流，更好地適應驅動(dòng)電路的設計，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數可多可少，可以封裝成各種不同的點(diǎn)光源和面光源。

　　這種防爆燈具生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，由于多點(diǎn)發(fā)光，二次光學(xué)設計的難度大。因為一般單顆就能做到10W甚至到100W，所以對燈具的散熱要求也比較苛刻。

　　燈具設計時(shí)靈活性不大，受芯片局限性大，但光學(xué)系這種管子內部的電路復雜（如所示）由于芯片內部采用4并5串的方式供電，如果其中某一路上的某顆或幾顆管子損害，勢必造成整個(gè)電路驅動(dòng)上的不平衡，從而導致電路的負荷加大，工作不穩定，內部管子損壞后，人眼從外部根本無(wú)法發(fā)現；第二個(gè)原因就是管子自身的VF值也不均衡，或高或低，這樣也很難保證4路上的電流均衡，做不到真正的恒流驅動(dòng)，除非管子的內部再附加其他的調整電路才能夠解決。