张静
大雁勘测设计公司 内蒙古呼伦贝尔市 021100
摘要：煤矿用灯具目前多为隔爆型或增安型灯具,因白炽灯、荧光灯、高压钠灯等光源均为热光源高压灯具,无法达到隔爆兼本质安全型灯具的要求。本质安全型灯具替代隔爆或增安型灯具设备可提高煤矿安全生产条件。LED为冷光源,具备耗电低、发热少、安全可靠性高、寿命长的特点,可大大降低井下灯具的维护次数,减少因灯具破碎造成的安全隐患、降低维护费用。根据本安电路的设计原则及灯具电源本安输入、输出参数和电气参数的需要，介绍了LED照明灯电源本安电路的过流保护电路、过压输入、输出保护电路的系统组成及电路图和灯信号电路的系统组成及电路图，研究了本安电路的设计方法及设计原则在LED 照明灯电源驱动电路的具体应用。
关键词：LED；照明灯；本安电路；信号电路；设计
一、煤矿用本质安全型LED照明灯本安电路设计
在设计本安电路时应按以下基本原则进行:①本安电路与其他非本安电路、其他独立的本安电路必须适当隔离。 ②本安电路在规定的条件下,其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。③对于本安电路, 应根据其电气设备规定等级进行试验或评定, 其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物。该基本原则是本安电气设备的关键,也是最基本的本安特征。
（1）系统组成。从电源输出电路输入端X1的正输入端到电源输出电路输出端X2的正输出端之间包括依次串联连接的稳压电路、恒流源以及限压电路、一个输入过压保护电路和一个输出过压保护电路，输入过压保护电路连接在电源输出电路正、负输入端之间，并和稳压电路连接，输出过压保护电路分别与稳压电路、限压电路，以及电源输出电路正输出端连接，还包括一个分别与稳压电路、限压电路以及电源输出电路负输出端连接的过流保护电路，过流保护电路与电源输出电路负输出端之间设有与地连接用于电流取样的并联的电阻 R23、R24。
（2）本安电源输出电路过流保护电路的工作原理。如图1所示
图1过流保护电路 图2煤矿用照明灯信号电路
该电路通过对元器件参数的选取可以有效地实现在煤矿等易燃易爆的场合出现过负荷电流 时能够自动切断照明灯的输出电路，实现电路的本安特性。 该过流保护电路，能够适应各种高危场合，符合国家对煤矿中照明电路的本质安全的要求。
二、煤矿照明灯信号电路的设计
如图2所示，包括相互连接的第1芯片X1和第2芯片X2。第1芯片X1的1、2、3、4 脚与第2芯片X2的1、2、3、4 脚串联，且第1芯片X1的1、2、3、4 脚还与供电正、闪灯控制、供电地以及音频线连接。
第1芯片X1和第2芯片X2 第 1、2 脚之间引出连接线与依次串联的闪灯控制电路、包括发光二极管和光控三极管的光电隔离电路以及第7芯片 X7 连接，发光二极管阳极与第7芯片 X7第1脚之间串联电阻 R5。第1芯片X1和第2芯片X2之间还引出连接线与依次串联的第3芯片X3的1、2 脚以及闪灯打点开关S2连接。第1芯片X1和第2芯片X2第4 脚连接线还引出连接线与正极性相对的2个电容C3、C4串联，并连接第6芯片X6的第3脚，第6芯片X6 第1、2、3脚分别与航空插头外接通讯接口XS3的正极、地极以及音频线连接，其中第1脚还与通讯接口供电电路连接，通讯接口供电电路同时连接第4芯片X4的第1脚。第2脚和与电源输出连接的第4芯片X4的第2脚以及与照明灯连接的第5芯片X5的第2脚连接且与地连接。第1芯片X1和第2芯片X2之间还引出第2、3 脚连接线与开关电路连接，开关电路还分别与第4芯片X4、第5芯片X5、第6芯片X6以及通讯接口供电电路连接。开关电路包括相互并联的双刀双掷开关电路和光电隔离电路。双刀双掷开关的开点串联电阻R1后连接第4芯片X4的第1、2 脚、通讯接口供电电路以及另一单刀双掷开关K1双掷的一点。双刀双掷开关的关点串联正极性相对的 2 个电容C1、C2后连接第6芯片X6的第2 脚以及第5芯片的第2脚。第1芯片X1和第2芯片X2之间引出第2 脚连接线串联电阻R2后与光电隔离电路的发光二极管的正极连接，发光二极管的负极与双刀双掷开关以及连接第1芯片X1和第2芯片X2之间引出线的第3脚连接。光控三极管发射极与地连接。集电极连接一单刀双掷开关 K1，单刀双掷开关K1控制点连接第5芯片X5的第1脚，同时其控制端并联2个二极管D1、D2 并串联一电阻R4 后，分别与第4芯片的第1脚以及双掷开关的开点以及通讯接口控制电路连接。
三、LED 光源在采煤工作面照明灯应用
（1）安全性,本质安全型LED照明灯所采用的电路为本质安全型,同时由于LED 使用寿命长不需要频繁地更换灯具,大大降低了煤矿工人井下照明维护引发安全事故的问题。白炽灯泡的灯丝温度高于2000C0 ,而 LED属于冷光源,其发光的温度只有60C0 ,在灯罩玻璃破碎时,不会引燃瓦斯 发生爆炸。（2）节能性, LED 的工作电流是白炽灯泡工作电流的1/3左右,节约了2/3的电能。(3)LED作为采煤工作面照明灯的光源缺点主要有:一是成本高,一盏本质安全型LED 照明灯的价格是 普通灯的几倍;二是LED照明灯的照射面积比较小, 光线会由于选择的 LED不同而出现不柔和、刺眼问题,在井下使用时工人很不习惯。但这两方面的问题也有解决的办法。对于价格高的问题, 仅从单价一方面看,如果对LED照明灯的综合成本进行分析, 问题就不是这样。由于LED的使用寿命长,不像其他矿灯那样要经常更换, 而且LED的工作电流小从而大大节能,再有LED 灯在使用过程中免维护,整体来说LED照明灯的综合成本还是比其他照明灯的成本低。对于光线刺眼的问题,在LED的选用上可根据情况选用色温低一些的。色温高,光线刺眼就厉害。色温在6000K以下,刺眼的感觉就明显减轻,同时使用者也有一个适应的过程。另外,经过专业光学设计灯罩的作用,即在标准灯罩内壁加以经专业光学设计的截光器,当光线通过该截光器时, 由于截光器的材质为经特殊角度设定的高反射率铝质表层,可以消除来自任何角度的眩光干拢,刺眼的光线不再射入眼睛,当然保护眼;同时,光线也被该截光器导向为有效的垂直光,确保照射区域的柔和明亮。
LED是一种将电能转化为可见光的半导体元件,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理,采用 pn 结载流子复合发光,是一种冷光源,无频闪且色温接近日光,能有效保护井下作业人员的视力,避免因普通照明灯引起的瓦斯爆炸事故。通过分析,对二极管的散热及LED灯的二次散热目前技术上是成熟的, 对LED灯的本质安全型电路的设计是可行的。目前国家对煤矿安全生产工作极为重视,提倡企业研究开发本质安全型产品, 因此井下照明灯中隔爆型或增安型灯具被本质安全型灯具取代是一种趋势,该产品的市场前景相当广阔。
参考文献：
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[2]王晓军,黄春英,刘朝晖.矿用高亮度白光 LED 灯串封装技术研究[J] .煤矿机械,2017,28(4): 74- 76.