煤礦井下照明的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈三個時代。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、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，LED光源在煤礦井下也必將有著廣闊的應用前景。對煤礦節(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小電流驅動，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，終身免維護：采用LED光源的燈具體積小、重量輕。LED光源環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達100000hLED燈具設計合理的話其使用壽命可達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，便于實現(xiàn)本安化設計：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，本安電路設計簡單靈活。）體積和功率均小，燈具設計靈活多樣：采用不同種類的LED光源可以設計成各種工況下使用的防爆燈具。

　?。?色柔和，無眩光，配光容易：LED封裝時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：受封裝技術和工藝的限制，LED光源目前較貴，但是用其使用一年時間的節(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在礦用燈具設計的技術問題由于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LED應用技術缺乏足夠的認識，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，從而導致燈具的真正壽命遠沒有光源所承諾的時間那么久，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壽命，就必須在燈具設計時，解決好散熱和電源驅動這2個主要技術難點。這也是燈具制造企業(yè)和煤礦用戶共同關心的關鍵問題。

　　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LED溫度的升高而下降，所以散熱是LED防爆燈具能否長壽的關鍵因素之一。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，如果散熱不良會直接導致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，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，如果散熱片設計過長或者過于密集，將會導致散熱效果降低一半以上，所以在設計燈具的外殼時應將燈具的散熱片設計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動電源LED光源要持續(xù)可靠地工作，必須采用恒流驅動；電路電流的不穩(wěn)定是導致LED光衰和燈具溫升的直接原因。目前LED恒流驅動設計方案基本的是利用線性或開關型DC/DC穩(wěn)壓器結合反饋電路來恒流驅動LED.根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設計的差異，一般有電感型LED驅動和開關電容型LED驅動兩種。電感型升壓驅動方案其優(yōu)點是驅動電流較高，LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅動多只LED.在大功率IED燈具設計中，主要采用開關電容型IED驅動方案，其優(yōu)點是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效率，因而在大功率LED驅動中得到了廣泛應用。目前比較理想的驅動方案有的FWM控制驅動，可以對燈具的亮度進行調節(jié)，將使得節(jié)能效果更加突出，更適合井下不同場合的實際需要。

　　對于大功率LED防爆燈具雖然大多數(shù)廠商都能做到恒流驅動，但往往考慮成本因素而簡化電路，電路設計時容易造成冷態(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，甚至會造成整串燈死燈現(xiàn)象。所以面臨復雜的工況，LED防爆燈具在驅動電路設計時必須考慮解決好以下幾個問題。）電源必須具有高可靠性、率驅動，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：由于井下電壓波動較大，燈具要能滿足在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(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動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(guī)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(guī)要求。

　　―2005煤礦用防爆燈具標準中關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(jù)煤礦井下工作場所的布置和劃分，井下的防爆燈具一般有礦燈、巷道燈、機車燈、支架燈、應急燈、信號燈，以及一些特殊場所用的泛光燈和投光燈。

　　但從LED光源的結構特性來看，現(xiàn)應用較多比較穩(wěn)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(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點陣式排布，直接插接在PCB板或者焊接在鋁基板上，電源驅動可以采用電容降壓來實現(xiàn)。光學設計上無需考慮過多，不存在散熱問題，燈具結構上也很容易實現(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(xiàn)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，與鋁基板條的焊接可采用回流焊，工藝自動化高；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(shù)量要比支架LED型少。燈具的功率一般有10W和20W的規(guī)格，驅動電路采用串并聯(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(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用較多，也可用在防爆支架燈上，由于電流小也易于實現(xiàn)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(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，必須通過二次光學設計控制燈具的出光角度，使燈具在巷道的長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)出的光形成一個橢圓型，使燈具在照射面域內分布均勻。一般可采用專門設計的反光罩或者如所示的花生型LED透鏡來進行二次光學處理。

　　采用這種方案的防爆燈具的電源驅動可以采用開關恒流驅動電路，效率較高，可達80%以上。功率較大時電路上可以采用兩路串聯(lián)驅動，這樣可以降低總電路的負荷，避免單路驅動時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(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)濟性都是非?？捎^的。由于它容易實現(xiàn)二次光學設計，所以也可用在井下機車燈、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：通過不同的串并聯(lián)組合，可以實現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流，更好地適應驅動電路的設計，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數(shù)可多可少，可以封裝成各種不同的點光源和面光源。

　　這種防爆燈具生產(chǎn)工藝簡單，由于多點發(fā)光，二次光學設計的難度大。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。

　　燈具設計時靈活性不大，受芯片局限性大，但光學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，勢必造成整個電路驅動上的不平衡，從而導致電路的負荷加大，工作不穩(wěn)定，內部管子損壞后，人眼從外部根本無法發(fā)現(xiàn)；第二個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，除非管子的內部再附加其他的調整電路才能夠解決。