摘要：该文通过对LED在防爆领域应用的分析和研究，总结了LED光源在防爆灯具应用中面临的技术难题和在现有条件下的解决方案；通过应用自己项目的设计详细分析了LED光源在和防爆灯具之间的相互结合，针对不同的防爆灯具只有合理选择与之匹配的LED光源，才能发挥LED光源的优势。
关键词：防爆灯具； LED；灯具散热；电源驱动
引言
众所周知，自2010年以来，中国各地粉尘爆炸频频发生。距离我们时间比较近且影响较大的，如2014年8月昆山中荣金属制品抛光车间粉尘爆炸和今年6月台湾八仙水上乐园发生的粉尘爆炸。无不提醒我们防爆电气产品在生产生活中的应用。而LED作为第四代新光源，因节能、环保、高光效、长寿命、无污染、耐震动和冲击等的优点，正在被社会广泛使用，但是LED的发热量高却给在易燃易爆环境中使用带来了短板。随着“国家半导体照明工程”，提出“以产业化为目标，以应用促发展，培育有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业”的战略，我公司将设计高功率LED防爆灯具作为企业的发展方向，为LED在防爆领域的应用作出了贡献。
1、LED光源的性能特点以及防爆灯具的介绍和应用
LED全称为发光二极管（Light-Emitting Diode）,LED无论在结构上还是在发光原理上，都与传统的白炽灯有本质的区别。LED主要有芯片（光源发光）、支架（散热和导电）、金线（导电）和环氧树脂（保护晶粒、透光）组成。（如图1）LED光色的形成，常规芯片可分为红色、绿色、蓝光三种RGB颜色。而我们现在常用的白光LED，实现的方法有两种，第一，RGB三基色混合，将红、绿、蓝三种芯片组合，同时通电混合成白光。第二，利用荧光粉实现白光。常见的方式如图2所示。
.png)
图 2
1.1LED性能特点
节能：LED具有驱动电流下，工作电压低。在同样照明的效果下，耗电量是白炽灯的1/10，是荧光灯的1/2。工业环境中往往需要长时间照明，它的节能效果将更显突出
环保：LED为全固体发光体、耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成小型照明产品，也便于安装和维护。虽然现在的LED光源要比传统光源昂贵，但从节能角度考虑，用一年时间的节能回收光源的投资，从而获得4-6年中每年几倍的节能净收益。
高光效：几十年的LED发展，其发光效率有了较大的提升。传统光源的光效为12-24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达80～200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
寿命长：采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，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10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。
1.2防爆灯具介绍与应用
防爆灯具是指用于可燃性气体和粉尘存在的危险场所，能防止灯内部可能产生的电弧、火花和高温引燃周围环境里的可燃性气体和粉尘，从而达到防爆要求的灯具。国家标准将爆炸性环境用电气设备分为：I类电气设备用于煤矿瓦斯气体环境。II类电气设备用于除煤矿甲烷气体之外的其他爆炸性气体环境。II类电气设备的再分类；IIA类，代表气体是丙烷；IIB类，代表性气体是乙烯；IIC类，代表性气体是氢气。III类电气设备用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境；IIIA类表示可燃性飞絮；IIIB类表示非导电性粉尘；IIIC类表示导电性粉尘。防爆灯具适用于爆炸性气体环境1区、2区危险场所；也适用于可燃性粉尘环境20区、21区、22区；温度组别为T1-T6的环境。传统的防爆灯具一般选用的光源为白炽灯、高压汞灯、低压荧光灯、混合光源灯。常用的防爆结构型式分类的隔爆型灯具、增安型灯具和复合型灯具。
2 LED光源在防爆灯具设计中的技术问题
近年来，随着LED照明产业的兴起，国家对新型照明的战略部署。对LED照明使用领域也越来越广泛。同时，伴随着大功率LED光源的发展。防爆灯具中也开始使用大功率LED光源。可是，目前国内LED防爆灯具行业中的产品也是良莠不齐，甚至有些防爆灯具中仅仅是将普通光源更换成LED灯珠。根本没有从LED光源寿命和流明维持率上给予更多的分析。这样就会导致灯具的实际使用寿命远远低于标称的使用寿命。甚至有的灯具使用不到1年就出现死灯的现象。而对于真真的LED防爆灯具，除了要满足灯具的防爆性能外，还要在设计之处，更好的考虑灯具的使用寿命，解决好灯珠的散热和驱动的散热这两个技术难点。同时，还要处理好防爆性能和散热的技术矛盾。
2.1 LED防爆灯具的散热
众所周知，防爆灯具的使用环境一般比较恶劣，常常灯具所在的危险场所环境比较密闭，温度比较高。同时，为了有更好的防爆性能，灯具本身也要密闭。这对于LED的散热是非常不利的条件，而LED的发光率又会随着LED温度的升高而下降。另外，LED的工作需要有合适的驱动电路供电，而驱动电路全部由电子元件组成，而电子元件本身在高温下工作就是非常不稳定的。因此，散热成为LED防爆灯具能否长时间工作的关键因素之一。目前在国际主流市场，防爆LED灯具基本都要求能在环境温度为50℃条件下工作不小于40000小时，并且要求在环境温度为50℃条件下，流明维持率L70大于40000小时。这就要求LED灯具必须有良好的散热结构，一般最常用也最可行的方法是将防爆灯具的外壳作为散热的重要渠道。通常，材料采用铝合金外壳并增加散热片，利用空气的自然对流进行散热。这在设计时就要求灯具必须有足够的散热表面积， 对于流明输出为7000-16000lm的LED灯具，功率60W-150W的高功率灯具。我们采用最常用的散热设计方式，对大功率LED灯具进行散热设计。如图3所示。按照图中的设计思路，我们可以知道，良好的散热可以从两个方面考虑，第一，LED粒子配置方面；第二，传统的翅型结构方面。首先，我们来看在LED粒子配置方面的散热，考虑现有产品的经验，将LED的出光率设为0.85，目标流明等于LED粒子数（n）、单颗功率（P）、光效（η）和效率（λ）的乘积。可以预估出满足目标光通量所需要的粒子数。表1统计出散热导向的粒子配置。
.png)
之后我们考虑防爆性能，粒子抢我们采用“m”型结构，驱动腔我们采用“e”型结构，如图4所示就是我们的防爆灯具整体结构。我们的设计通过了温升测试。但是我们在使用此设计做灯具老化测试时候，发现粒子有变黑甚至死灯的现象，通过对灯具的研究，我们开始认为是 LED遇到化学物质后，LED有发黑的现象。但是通过几轮分析，并进行了排除法测试依然没有找到原因。最后，通过对PCB板的研究发现，真真的原因是由于PCB后的附铜的形式造成的，不同的附铜形式都能达到LED串并联关系，但是大面积的附铜有利于LED的散热。最终我们采用了大面积附铜的PCB板。
另外，LED光源要持续的可靠的工作，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。市面常用的LED恒流驱动设计方案最基本的是利用线性或开关型稳压器结合反馈电路来恒流驱动LED。根据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起有点是驱动电流高，LED端电压低，功耗低，效率不变的情况下特别适合驱动多个LED。在LED灯具设计中，采用开关电容型LED驱动方案，优点是LED两端的电压较高，流过的电流较大，从而获得较高的功率和光学效率，因此在LED驱动中得到了广泛应用。
对于防爆灯具用LED驱动很多都能做到恒流，但往往从成本角度考虑，电路设计时容易造成冷态上电瞬间过高电压，很有可能将LED击穿，虽然是恒流，但是电路故障率较高。所以，LED防爆灯具在驱动电路设计时候要考虑几个问题。
.png)
2.1.1 电源必须具有高可靠性、高效率驱动，具有高功率因素。高的电源效率，损耗功率小，这样就降低了灯具的温升。
2.1.2 宽范围输入电压，电路要有浪涌保护：防爆灯具要能满足在100-254V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。
2.1.3 电源要具备其它电气性能；灯具要防水、防潮；驱动电源的设计使用寿命要与LED寿命相匹配；
3、LED新型防爆灯具的广泛应用
目前，LED工业防爆照明产品在实际应用过程中仍存在一些问题，以管灯为例，首先是认证问题，传统荧光灯管直接替换为LED防爆灯管无3C认证要求，存在认证风险。其次是防爆灯的安全问题，现在的LED防爆灯管与传统荧光灯管基本一模一样，如果消费者不看使用说明书直接将原有灯管替换为LED灯管，则存在安全隐患。原因是原有镇流器及其它电器并未被替换仍然存在，防爆灯具进入使用过程中，防爆镇流器仍处于通电状态，导致存在很大的安全隐患。而日本就在这方面出台了相关的标准，严格要求整体换掉原有灯具。对于工厂防爆照明用LED防爆灯替换钠灯方面主要存在的问题包括：一是眩光问题，厂房越低眩光问题越突出。二是空间感的问题，目前工厂照明LED防爆灯产品的出光基本是直下式的，很多灯具带有铝罩，由于LED表面亮度很高，因此，顶上基本是黑暗的，这样就会造成灯下方与顶部的亮暗对比度比较明显，压力感比较重，导致空间感不够。三是由于现在很多LED防爆照明产品都采用单颗平铺的方式，在工厂照明中每一颗都会产生光斑，一大片颗粒集成起来后会产生很多光斑，使得被照物出现明显的虚影，长时间在这种环境中工作，会造成人眼不适。四是反射问题，因为LED防爆灯直射光特别多，工作台面大多用金属材质，很多光直接进入到人眼，使工人在这种环境下工作舒适度很低，所以很多人觉得工厂里使用LED防爆灯照明会很不舒服。其实LED的显色指数相比钠灯是提高了，而且节能也非常明显，但整个工作环境的视觉感受并不太舒适，这也是需要LED防爆灯工厂照明需要加强改进的地方。综上所述，LED防爆灯企业在LED防爆灯应用过程中还缺乏基础性研究，传统灯具是通过反射器来达到照明要求的，而LED防爆灯产品则是通过中间的透镜加反射器来解决问题，但是由于其当前对透镜的研究还不是很到位，而更多的是把传统照明的形式移植过来进行模仿，因而使得LED防爆灯出现了发光、出光的问题。如何解决LED防爆灯在工厂照明领域存在的问题？首先，应该解决有关LED防爆灯灯管直接替换的认证风险及安全隐患问题。这个问题可以通过尝试采用LED防爆灯一体化支架来解决。一方面，按照国家3C认证要求，光源类产品并未归到3C认证体系中，所以LED灯管、无法进行3C认证，但若采用一体化支架的方式则可以顺理成章的进行3C认证，自然就解决了支架直接替换原有传统防爆灯灯具的认证风险问题，且还可以使产品的安全性得以明显提高。另一方面，LED一体化支架与单纯做一只灯管相比，成本增加幅度只有10%～20%，只是增加了铝型材的用量，因此在成本上并不会有明显提高。还有就是，从结构的角度来看，用一体化的支架不仅在工业照明，而且在地下停车场、超市等场所都可以直接进行灯具替换，并有效避免了直接用LED防爆灯管替换存在的产品不合格的风险。其次，从工厂照明的角度，可以采用亚克力罩的方式。虽然还是平铺的光源颗粒，但通过透镜做成光的漫反射，同时还会产生向天空的反射光，既解决了空间感的问题，也解决了直射光问题，使工作面上的漫反射光更加均匀，不会产生虚影，有效缓解工人的视觉不适。
再有，进一步加强解决方案的研究。LED防爆灯照明产品在替换过程中确实存在简单模仿传统灯具的做法，很多不舒适感都与光的处理有关，因为LED发光特性与传统光源是有区别的，所以应结合LED发光特性多进行研究。
最后，根据不同应用场合的特性，最大限度的发挥LED防爆灯照明控制系统的应用空间。通过与控制系统的有效结合，达到节能要求且进一步提升节能效果，这是研究工业防爆照明的一个重要方向。?
4、小结
LED在防爆灯具中的应用，我们知道了LED作为新光源在防爆领域已经广泛应用。但是还是有很多问题需要我们去使用新技术去解决。我们还知道了LED使用还要考虑成本的降低和散热方式的进一步优化和合理的恒流驱动电源的选择，是设计一款优秀的LED防爆灯具的关键。
参考文献：
[1] MT221-2005煤矿用防爆灯具
[2] 董永军，徐明奇，张雪明，一种高可靠性LED照明驱动电路[J]. 灯与照明， 2008(4)
[3] 公文礼，LED光源在矿用防爆灯具中的应用
[4] 国家发展和改革委员会. KL 型矿灯[M]. 北京：煤炭工业出版社，2005
[5] 杨清德，康娅. LED及其工程应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2007，1-10