煤礦井下照明的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、節(jié)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(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)，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(yīng)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廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)煤礦節(jié)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(xiàn)己可達(dá)到90~200m/W而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾即可直接發(fā)出有色可見光。

　　耗電量少，節(jié)能：LED小電流驅(qū)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(xù)照明，其節(jié)能效果將更加突出。

　　吏用壽命長(zhǎng)，終身免維護(hù)：采用LED光源的燈具體積小、重量輕。LED光源環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)100000hLED燈具設(shè)計(jì)合理的話其使用壽命可達(dá)51年，地降低了燈具的維護(hù)費(fèi)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(xiàn)本安化設(shè)計(jì)：LED發(fā)熱量低，無熱輻射性，低電壓工作，為冷光源，整燈的工作溫度低，本安電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活。）體積和功率均小，燈具設(shè)計(jì)靈活多樣：采用不同種類的LED光源可以設(shè)計(jì)成各種工況下使用的防爆燈具。

　?。?色柔和，無眩光，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(jù)用戶要求在4 0007000K之間靈活選擇。LED顯色指數(shù)可達(dá)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(jié)能收回光源的投資，從而可以獲得35年中每年幾倍的節(jié)能凈收益。

　　2大功率LED在礦用燈具設(shè)計(jì)的技術(shù)問題由于LED照明是新興產(chǎn)業(yè)，煤礦用戶和大多數(shù)生產(chǎn)廠商對(duì)LED應(yīng)用技術(shù)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，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，沒有從LED光源的流明維持率上考慮更多，從而導(dǎo)致燈具的真正壽命遠(yuǎn)沒有光源所承諾的時(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(yīng)用的諸多LED防爆燈具的使用測(cè)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(zhǎng)壽命，就必須在燈具設(shè)計(jì)時(shí)，解決好散熱和電源驅(qū)動(dòng)這2個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。這也是燈具制造企業(yè)和煤礦用戶共同關(guān)心的關(guān)鍵問題。

　　21LED防爆燈具要有較好的散熱結(jié)構(gòu)由于LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以散熱是LED防爆燈具能否長(zhǎng)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(dǎo)致LED快速老化，穩(wěn)定性降低，所以LED燈具要具有好的散熱結(jié)構(gòu)，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(duì)流散熱。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過長(zhǎng)或者過于密集，將會(huì)導(dǎo)致散熱效果降低一半以上，所以在設(shè)計(jì)燈具的外殼時(shí)應(yīng)將燈具的散熱片設(shè)計(jì)成流線型且豎直方向排列，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(qū)動(dòng)電源LED光源要持續(xù)可靠地工作，必須采用恒流驅(qū)動(dòng)；電路電流的不穩(wěn)定是導(dǎo)致LED光衰和燈具溫升的直接原因。目前LED恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案基本的是利用線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合反饋電路來恒流驅(qū)動(dòng)LED.根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計(jì)的差異，一般有電感型LED驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電容型LED驅(qū)動(dòng)兩種。電感型升壓驅(qū)動(dòng)方案其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)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(qū)動(dòng)多只LED.在大功率IED燈具設(shè)計(jì)中，主要采用開關(guān)電容型IED驅(qū)動(dòng)方案，其優(yōu)點(diǎn)是IED兩端的電壓較高、流過的電流較大，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(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前比較理想的驅(qū)動(dòng)方案有的FWM控制驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將使得節(jié)能效果更加突出，更適合井下不同場(chǎng)合的實(shí)際需要。

　　對(duì)于大功率LED防爆燈具雖然大多數(shù)廠商都能做到恒流驅(qū)動(dòng)，但往往考慮成本因素而簡(jiǎn)化電路，電路設(shè)計(jì)時(shí)容易造成冷態(tài)上電瞬間過高的起始峰值電壓，很有可能將LED擊穿或斷開；雖然也是恒流，但電路故障率較高，目前發(fā)現(xiàn)的有瞬間擊穿現(xiàn)象，單顆短路擊穿以及單顆開路擊穿，甚至?xí)斐烧疅羲罒衄F(xiàn)象。所以面臨復(fù)雜的工況，LED防爆燈具在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮解決好以下幾個(gè)問題。）電源必須具有高可靠性、率驅(qū)動(dòng)，具有高功率因數(shù)：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(duì)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(hù)：由于井下電壓波動(dòng)較大，燈具要能滿足在85255V范圍內(nèi)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(hù)在電路設(shè)計(jì)時(shí)也很重要。由于電網(wǎng)負(fù)載的頻繁啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過高。

　　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(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)使用壽命要與LED的壽命相適配；要符合煤礦安規(guī)要求。

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

　　3幾種大功率LED光源在礦用防爆燈具中的合理應(yīng)用根據(jù)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(jī)車燈、支架燈、應(yīng)急燈、信號(hào)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(jié)構(gòu)特性來看，現(xiàn)應(yīng)用較多比較穩(wěn)定的也就以下四種方案，下面詳細(xì)介紹他們?cè)诘V用防爆燈具中的應(yīng)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(hào)燈和早期的巷道燈中，一般采用數(shù)十顆支架型小功率Y5Y10白光LED管來做光源，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(qū)動(dòng)可以采用電容降壓來實(shí)現(xiàn)。光學(xué)設(shè)計(jì)上無需考慮過多，不存在散熱問題，燈具結(jié)構(gòu)上也很容易實(shí)現(xiàn)；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(shè)計(jì)成燈具。但生產(chǎn)工藝復(fù)雜、燈具工作的可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，所以現(xiàn)在的巷道燈很少采用這種方案，但用在防爆信號(hào)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(duì)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(dǎo)熱接觸充分，導(dǎo)電性能良好，所以生產(chǎn)效率高，成品率也相對(duì)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(shù)量要比支架LED型少。燈具的功率一般有10W和20W的規(guī)格，驅(qū)動(dòng)電路采用串并聯(lián)結(jié)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(wěn)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(yīng)用較多，也可用在防爆支架燈上，由于電流小也易于實(shí)現(xiàn)本安化。

　　33應(yīng)用較成熟的大功率基座（基板）LED型如所示，這是目前應(yīng)用多也成熟的方案。大多數(shù)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(guī)格，單顆功率較大，應(yīng)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(dá)到在其照射范圍內(nèi)的理想照明效果，必須通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)控制燈具的出光角度，使燈具在巷道的長(zhǎng)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，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(nèi)分布均勻。一般可采用專門設(shè)計(jì)的反光罩或者如所示的花生型LED透鏡來進(jìn)行二次光學(xué)處理。

　　采用這種方案的防爆燈具的電源驅(qū)動(dòng)可以采用開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路，效率較高，可達(dá)80%以上。功率較大時(shí)電路上可以采用兩路串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，這樣可以降低總電路的負(fù)荷，避免單路驅(qū)動(dòng)時(shí)LED管子損壞造成的電路不穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)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(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)性都是非?？捎^的。由于它容易實(shí)現(xiàn)二次光學(xué)設(shè)計(jì)，所以也可用在井下機(jī)車燈、防爆泛光燈（如所示）防爆支架燈以及防爆應(yīng)急燈等復(fù)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(shì)：通過不同的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流，更好地適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數(shù)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(shè)計(jì)的難度大。因?yàn)橐话銌晤w就能做到10W甚至到100W，所以對(duì)燈具的散熱要求也比較苛刻。

　　燈具設(shè)計(jì)時(shí)靈活性不大，受芯片局限性大，但光學(xué)系這種管子內(nèi)部的電路復(fù)雜（如所示）由于芯片內(nèi)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(shì)必造成整個(gè)電路驅(qū)動(dòng)上的不平衡，從而導(dǎo)致電路的負(fù)荷加大，工作不穩(wěn)定，內(nèi)部管子損壞后，人眼從外部根本無法發(fā)現(xiàn)；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(qū)動(dòng)，除非管子的內(nèi)部再附加其他的調(diào)整電路才能夠解決。