摘 要: 该文通过对大功率 LED 光源特性的分析和研究, 提出了 LED光源在矿用防爆灯具应用中所面
临的技术难题和在现有条件下解决的方法; 并通过对几种不同结构的 LED 光源的特性分析结合目前
井下几种矿用防爆灯具的结构特征, 说明针对井下不同的防爆灯具只有合理地选择与之匹配的 LED
光源, 才能真正发挥 LED 光源自身的优势, 才能真正解决好 LED 在防爆灯具应用中的技术难题, 设计
出真正长寿命, 节能安全的防爆灯具, 为煤矿用户在选购灯具时提供一点建议, 并以此来给煤矿企业的
安全生产提供有力的照明保障。
关键词: 大功率 LED ; 灯具散热; 电源驱动; 合理应用
0 引言
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 照明已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 支架灯等已经得到了普
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
( 1)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~ 24 lm /W, 荧光灯 50~ 70 lm /W, 大部分的耗电变
成热 量 损 耗。 LED 的 光 效 现 已 可 达 到 90 ~
200 lm /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。
( 2)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。由于煤矿井下是长
期持续照明, 其节能效果将更加突出。
( 3)使用寿命长, 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
100 000 h。LED 灯具设计合理的话其使用寿命可达
5~ 10年, 极大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。
( 4)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。
( 5)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)光色柔和, 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
4 000~ 7 000 K 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 光源价格目前较贵, 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 3~ 5 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家对 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。
2. 1 LED 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, 一般最可行的方
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。
也有些高档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长期
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. 2 LED 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 恒流驱动设计方案最基本的是
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 LED 灯具设计中, 主
要采用开关电容型 LED 驱动方案, 其优点是 LED 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图 1 的 PWM
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家都能
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。
( 1)电源必须具有高可靠性、高效率驱动, 具有高
功率因数: LED 防爆灯具在井下长期使用, 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。
( 2)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 85~ 255 V 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, 最好在
恒流输出中增加 LED 温度负反馈, 防止 LED 温度
过高。
( 3)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。
( 4)驱动电源安装后, 灯具要满足 MT221- 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。
3. 1 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 5~ 10 白光 LED 管
来做光源, 如图 2 所示。一般使用了几十到几百颗
5~ 10 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。
3. 2 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, 如图 3 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 10
W 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, 所以光源的长期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。
3. 3 应用较成熟的大功率基座 (基板 ) LED型
如图 4 所示, 这是目前应用最多也最成熟的方案。大多数 12~ 18 W 圆形巷道灯都在采用这种方
案, 如图 5所示。这种 LED一般有 1 W 和 3 W 的规
格, 单颗功率较大, 应用广泛。
井下一般的巷道高 3 m 左右, 宽 4~ 5 m, 灯的安
装间距一般为 6~ 8 m 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图 6 所示的花生型 LED 专
用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价格
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
长期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 (如图 7 所示 )、防爆支架灯以及防爆应急
灯等复杂的灯具上。
3. 4 巷道灯常用的多芯片集成型光源
多芯片集成型 LED 光源 (如图 8 所示 )具有独特
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 10 W
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, 但光学系统及灯具结构可以借用老式防爆灯具的外壳, 可以节
约前期开发成本。
虽然这种方案价格相对较低, 工艺简单, 但因为
它是通过封装多个小功率芯片组合而成, 数颗 LED 瞬
间产生的热量要持续地通过壳体导出, 对灯具的散热
结构要求就非常的苛刻; 受防爆灯具自身结构的限
制, 灯具的散热效果较差, 从而为管子的光衰埋下了
隐患。
这种管子内部的电路复杂 (如图 9 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。
基于它的这些不足, 所以目前只能用到圆形的巷道灯
上比较合适。
4 小结
通过对目前几种井下常用防爆灯具所用的 LED
光源的分析了解, 我们认识到: 大功率 LED 光源作为
一种新的光源, 虽然在井下已经得到了广泛的应用,
但是还是存在诸多的技术难题亟待彻底解决。不论
采用哪种光源方案, 要使 LED防爆灯具能够满足井下
照明的同时达到井下的防爆要求, 其中主要的是在降
低灯具成本的同时, 通过对灯具的结构设计和光源方
案上的优化组合, 配以设计合理的恒流驱动电源, 使
设计出的防爆灯具能够真正发挥 LED 光源的安全可
靠, 长寿的优势, 为煤矿现代化生产提供安全节能的
照明环境。