摘要：该文通过对防爆历程的研究，阐述了防爆灯具的特点和应用，并综合介绍了LED的光源及其在防爆灯具中的技术难点。论述了LED未来的发展前景与新设计理念。
关键词：防爆灯具；LED照明；新型灯具设计
0 引言
自建国以来，全国发生的生产爆炸事故有8起之多，造成了严重的人员伤亡和社会经济损失。如1987年的哈尔滨亚麻厂的亚麻尘爆炸事故；2010年河北秦皇岛发生玉米淀粉粉尘爆炸事故；2011年富士康抛光车间发生可燃粉爆炸事故；2012年浙江温州瓯海区一幢民房在生产中发生铝粉尘爆炸事故；2014年江苏省南通市如皋市东陈镇发生硬脂酸粉尘爆炸事故，同年江苏昆山工厂发生粉尘爆炸事故。以及2015年台湾新北市八仙水上乐园发生粉尘爆炸事故与同年内蒙古自治区呼伦贝尔市根河市金河兴安人造板有限公司发生木粉尘爆炸事故。以上事故无不提醒我们防爆电气产品在生产和生活中应用的重要性。而LED作为新型照明解决方案已深入很多领域，以其节能环保、长寿命，正在被社会广泛使用，但LED的高发热量成为在易燃易爆环境中的应用短板。下面我将带领大家，从了解防爆灯具的发展历程开始，认识生产事故中爆炸的成因，识别什么是爆炸环境，如何避免生产和生活中爆炸事故。从了解LED的基本组成开始，认识什么是LED防爆灯具，如何合理使用防爆灯具，思考如何将新的技术和新的设计思想引入防爆LED灯具设计中，以便来壮大中国的防爆事业。
1 防爆灯具的发展历程
追溯防爆的起源，早在18世纪晚期，英格兰煤矿中常常发生爆炸事故，其原因就是明火矿灯点燃了瓦斯与空气的混合物造成的。1813年爱尔兰内科医生里德·克兰尼，发明了一种用水封把燃油火焰从大气中分离出来的灯，但它需要不断地抽水才能运转。这个灯具激发了人们对防爆灯具的认识。由于这种灯具的使用方式，造成了它不能大规模使用。1815年，英国化学家汉弗莱.戴维爵士发明了用一个双层的金属网烟囱来包围和限制火焰，并把火焰的热量带走的灯具。这个简易和巧妙的发明开创了明火防爆灯具的发展。
随着时间的推移，1908年11曰12日，德国康科迪亚电力公司（即后来的CEAG）在其无烟煤开采中发生了史上最严重的“Radbod”矿难，造成了大面积人员伤亡和持续数天的大火。为了避免严重的安全事故再次发生，在1909年，康科迪亚电力公司，就开始制造能够阻止甲烷进入灯体内部的矿用电灯并在采矿业中推广使用，从此告别了煤矿用明火照明的历史。
与此同时，矿业工程师卡尔-拜林在防爆电动机和防爆电气装置的研制技术方面的实验也取得了成功。基于这些实验结果，德国在1912年，颁布了关于在沼气环境中使用的电气机械、变压器和开关设备的主导设计原则。
在上世纪，从1963年颁布的“关于在可能爆炸的大气中安装电气设备的法令(ExVO)”到2002年3月这个法令转化为国家法律，再到2014年升级为整个欧盟的安全法规。足以看到防爆安全在生活和生产中的重要性。那么，我们谈到的防爆到底是什么？让我们首先分析什么是爆炸，爆炸是在大气条件下，可燃物质以气体、蒸汽、灰尘、纤维或飞沫的形式与空气混合，点火后可自我维持的燃烧传播的一种现象。简单的说，爆炸需要三个条件：第一、燃烧源(火焰、火花、发热点)；第二、含氧气体；第三、燃料(气体或可燃蒸汽、粉尘)。一旦上述条件同时具备，随时可能发生爆炸。前面的案例中正是满足以上三个条件之后发生的一起灾难性事故。这就要求我们准确评估自己的现有工作环境或即将工作的环境是否正处于爆炸的潜在危害当中。我们现在所说的防爆，正是从第一点来阻断爆炸环境的形成，而对我们的电气产品进行合理设计的结果。防爆灯具是我们本文要介绍的重点。
2 LED光源介绍及防爆灯具LED化的技术难点
发光二极管（Light-Emitting Diode）出现在1962年，自诞生以来在工业中被大规模应用，当时它主要用于电气和电子设备中的指示灯。到20世纪90年代，它已经广泛应用于移动信息(标识)显示、现代电子设备如手机、电脑等。直到2006年左右，LED才被用作通用光源。常说的LED光源主要由五部分组成，它们分别是：核心发光元件晶片、起支撑和导电作用的支架、连接晶片和支架的金线、起固定和导电作用的银胶、保护整个光源结构的环氧树脂。（如图1）常规LED光色分为独立的红色、绿色、蓝光三种（RGB色彩模式）。而我们现在常用的白光LED，实现的方法有两种：第一、为三基色同时通电，使其混合成白光。第二，利用荧光粉实现白光。常见的方式如图2所示。[1-3]
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下面我们来看下LED光源有哪些显著的特点：
第一：高效节能
20世纪90年代，LED作为普通光源的发展速度越来越快，高照明效率一直是其发展的重要促成因素，LED在某些照明情况下可以达到200流明每瓦。直到最近，理论最大输出一直被计算在220流明每瓦左右。相比之下，传统的钨丝灯约为10流明每瓦，荧光灯约为90流明每瓦，高强度放电灯（HID）最高也只能产生120流明每瓦。可见LED照明具有非常高的效率，高效意味着节能。当前十九大报告指出，要建设自然和谐共生的现代化，现代化的发展需要在不破坏自然环境的基础上进行，节能将会是长期的发展趋势，这也将会是照明行业发展的主要驱动力。[4]
第二：长服务寿命
超长的寿命是LED灯珠的又一优点，3-10万小时以上的使用寿命指的是灯珠本生光衰未超过30%时候的时间，并非灯珠损坏的时间。这种超长的使用寿命特别适用于危险区域照明，因为危险区域的照明维护既危险又极其昂贵。在危险区域，一旦需要对照明光源进行维护，可能意味着必须停止现场的工作，才能允许对照明设备进行维护或更新，这样所涉及到的成本可能会是巨大的。正是这个原因，许多场所一般不到严重影响工作照明的情况下不会进行照明维护。而如果使用LED照明，将会大幅降低照明更换的周期，使得企业节省大量资本。
第三：环保性
谈到LED常常与绿色环保相联系，究其原因主要可以从三个方面考量: 第一、低功耗和高光效，同样照明效果情况下比传统照明节能约80%；第二、较小的光污染，其光谱主要集中在可见光范围内，基本不含有红外线和紫外线。第三、光源废弃物可回收，光源废弃物中不含铅和汞等重金属，绿色可回收。虽然现在的LED光源比传统光源价格贵，但是从节能和使用寿命角度综合考虑。LED有较高的使用性价比。
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。LED使用也越来越广泛。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，还要设计灯具的使用寿命，解决灯珠和驱动器的散热这两个技术难题。同时，还要处理好防爆性能和散热的技术矛盾。
首先，LED防爆灯具的散热。众所周知，防爆灯具一般用在空间密闭、温度较高的危险环境中。为了提升防爆性能，灯具本身也需密闭。这对于灯珠和驱动器的散热非常不利，而灯珠的发光率与其温度成反比，温度越高发光率越低。LED照明需要有合适的驱动电路，电路中的电子元件本身的耐高温性能是比较差的。因此，散热的优良与否成为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，对防爆LED灯具的基本要求是，能在环境温度为50℃条件下工作不小于40000小时，并且流明维持率L70大于40000小时（即在工作 40,000 小时，有至少 90% LED 灯仍能保持 70% 的初始流明输出量。）。这就要求灯具必须具有合理的散热结构，常规的散热方案是将灯具的外壳直接作为散热器，这样外壳就起到了防护和散热的双重作用。从以往的散热经验来看，铝合金是一种散热较好且价格较低廉的金属材料，是用作散热器的首选。由于散热过程是通过利用空气的自然对流。因此，设计合理的散热面积是LED灯具设计中的重要考量，对于流明输出为7000-16000lm的LED灯具或功率60W-150W的高功率灯具，我们采用最常用的散热设计方式。（如图3所示）按照图中的设计思路，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、翅型结构散热器方面。首先，我们来看在LED粒子配置方面的散热，考虑现有产品的设计经验是将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。
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结 论 散热导向选择双驱动 成本导向选择单驱动
表格1
其次，我们考虑防爆性能。对于防爆结构型式的选择，粒子腔和驱动腔可以使用相同的防爆结构型式也可以采用不同的防爆型式，例如：下面例子中的粒子腔采用“m”型结构，驱动腔采用“e”型结构，（如图4）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。
再次，LED是一个非线性器件，电压的微小变动会引起电流巨大变化。例如当为一个LED加一个3.3V的电压，流过其电流为20mA，如果加大电压到4.5V时，流过其电流超过100mA，这很容易烧坏LED。再如，1瓦的LED，电压降低10%，光效减少70%。假如我们不考虑恒流，而用恒压电源供电，温度增加至85℃，电流将会增大约1倍，但是亮度却不会改变。而温度降低到-40℃时，电流将降低一半同时亮度大幅降低。所以对于LED的使用我们必须考虑使用恒流供电。所谓恒流供电方式，就是使用能够输出恒定电流的驱动电路对LED进行供电的方式。目前恒流LED供电方式有两种：第一、用恒压源供多个恒流源，优点是每路LED单独供电互不影响。第二、一个恒流源直接供电，其优势是价格低，但其中有一个LED故障将会影响整盏灯正常工作。
3 防爆LED灯具的前景与展望
近年来虽然我国经济增速有所放缓，但是整体上仍然保持了较快的发展趋势，发展离不开能源消耗，传统能源如煤炭、石油、化工仍将占据主导地位，随着国家法律制度的完善，安全生产将会被越发重视，防爆产品的应用也将会越发广泛。有人的地方就需要照明，作为照明中的防爆LED灯具在未来的发展将会更加普遍。但是，目前的发展也存在不足：第一、创新力不足，我国企业自主研发能力比较薄弱；第二、销售领域混乱，市场中低水平、重复性生产的低档产品较多；第三、中小企业居多，小企业管理水平和生产管控差，产品质量低、革故鼎新速度慢；第四、同质化产品过多，产能过剩日益突出；第五、融资难，小企业集中融资问题依然困难重重。[5-6]我国防爆LED灯具行业虽然存在着许多的不足，但是整个从国家和行业层面需求前景依然光明，这就要求我们另辟蹊径，寻求创新性的差异化发展，向着产品专业化，高端化发展。
在设计方面，我们需要思考更加创新的设计理念。防爆LED灯具的模块化设计，能够解决两个现存问题：第一、减少重复性设计，针对不同防爆区域选择不同的组合，以便能够将性能和成本做到最优；第二、安装的方便性。由于模块化的设计理念，将会对产品进行分解从而实现随去随装随用。
4 小结
随着时代的发展，需要对传统防爆灯具产品进行革新，不断的引入新的技术对和创新，来改变和提升防爆灯具的性能和可用性。在产品设计方面，除了注意防爆性能外，还需要注重外观的设计，将产品做到表里统一。如模块化设计理念，可能会使得我们的产品更加具有市场竞争力。又如正如现在很多行业智能化的发展趋势，是否可以将灯具配备传感器来帮助人们对危险环境的监控。
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
[6] 罗杰， LED灯具与传统灯具的比较分析 绿色环保建材, 2017,2-222-224