LED光源在矿井工作面照明灯中的应用

0 引言
    近年连续几起特大型矿难，使国家和政府对煤矿安全生产工作极为重视，国家对煤矿电气设备加强把关，提倡研究开发本质安全型产品，以提高安全生产条件。本质安全型是指电路、系统及设备在正常状态下和规定的故障状态下产生的任何电火花或任何热效应都不能引起规定的爆炸混合物爆炸的电气设备。这种设备的防爆原理是设法减小电路火花的能量及元件上的温度，使其不能点燃矿井中爆炸性混合物，达到防爆目的。这类设备产生的明火花不会点燃爆炸性混合物，无须隔爆外壳。其体积小，重量轻，便于携带，而且安全程度高。要使电路火花不点燃爆炸性混合物，这种电路就只能是弱电系统。LED灯属节能、隔爆兼本质安全型，本文对LED灯隔爆兼本安驱动电路作了设计并对小功率LED灯进行了合理排列，指出LED照明灯在采煤工作面可应用并具备广泛发展前景。

1 LED技术及在矿井应用中的优势
    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。
    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。LED采用低压直流电源供电，工作电压在6～24V，为本质安全型，比使用高压电源更为安全、经济，其功耗仅为传统白炽灯的30％，能有效地节约能源。

2 散热的必要性
    图1为某型号矿用白光LED ta=25℃时的光谱分析图。

    有关资料显示，当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2℃，可靠性下降10％。为了保证器件的寿命，一般要求pn结温在110℃以下。随着pn结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。从图1可以看出：在100℃下。波长可以红移4～9 nm，从而导致荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升l℃，LED的发光强度会相应地减少l％左右。当多个LED密度排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重，因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。如果不能将电流产生的热量及时散出，保持pn结的结温在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的灯串寿命。
    LED的封装要求：针对高功率LED的封装散热难题，国内外器件的设计者和制造者分别在结构和材料等方面对器件的热系统进行了优化设计。
    (1)封装结构。为了解决高功率LED的封装散热难题，国际上开发了多种结构，主要有硅基倒装芯片(FCLED)结构、基于金属线路板结构、微泵浦结构三种类型；(2)封装材料。封装结构确定后，通过选取不同的材料进一步降低系统的热阻，提高系统的导热性能。目前国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。

3 解决LED散热的途径
3．1 导热性能好的衬底选择
    选择如以Al基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)、陶瓷、复合金属基板等导热性能好的衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计、或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷(LTCC2M)基板，以获得热导性能好、热膨胀系数小的衬底。
3．2 衬底上热量的释放
    为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境，目前通常选用Al、Cu等导热性能好的金属材料作为散热器，再加装风扇和回路热管等强制制冷。无论从成本还是外观的角度来看，LED照明都不宜采用外部冷却装置。因此根据能量守恒定律，利用压电陶瓷作为散热器，把热量转化成振动方式直接消耗热能将成为未来研究的重点之一。
3．3 热阻降低的方法
    对于大功率LED器件而言，其总热阻是pn结到外界环境热路上几个热沉的热阻之和，其中包括LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导热胶的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻和外部热沉的热阻等，传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。因此，减少内部热沉数量，并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上，能够大幅度降低总热阻，这种技术有可能成为今后大功率LED散热封装主流方向。
3．4 热阻与散热通道的关系
    采用尽量短的散热通道。越长的散热通道，热阻就越大，出现热瓶颈的可能就越大。图2为串联阻抗的散热通道，热阻公式为

   

4 LED光源照明灯的关键技术
4．1 LED的选型及排列
    LED从结构形式上分主要有三种：一种是有引线的(引角)LED，额定电流一般为20 mA，功率较小，用于照明时需要多只并联；另一种是单芯片表面贴片型LED，额定电流一般大于50 mA(目前LED最大额定电流达到l 000 mA)，功率较大，可以单只使用；第三种是将多只小功率芯片加以集成，实现大功率，即组合功率型LED。
    采用多只LED并联方式生产成本低，适合大面积照明，但需要合适的排列方式；在采用小功率的二极管时，要想使单个灯的照度满足采煤工作面需要，就要采用多只二极管并联。这就带来了采用多大的电压，如何控制二极管分组并联后总电流大小，才能满足本质安全电路要求的问题。由于本质安全电路的电压有24、18、12 V等，为了满足本质安全的需要相对应的电流应为400、600和l 000 mA。对于小功率普通的发光二极管，工作条件电压一般为3～4 V，工作电流为20 mA，如果选用18 V／600 mA，就可以30组并联，5个串联为一组，再串联适当的电阻，每个二极管的压降小于3．6V，这样即满足了本质安全型和亮度的要求，当其中一个或一组损坏时，既不影响其他二极管的工作也不影响照度。多只小功率二极管的排列如图3。

    采用多只LED并联方式时，单只LED功率较小，并且产生的热量相对分散，只要合理地安排LED，尽量增大印刷电路板履动Cu面积，即可满足散热要求。
    在采用大功率二极管时，本安电路的设计已经不是问题，关键是二极管如何排列才能满足采煤工作面的需要。
4．2 本质安全电路的设计及二次散热问题
    (1)LED是电流驱动型元件，工作电流与电压及发光效率呈线性关系，即工作电流越大，电压越高，发光效率也越高，但超出额定工作电流将缩短LED寿命。图4是某型号功率为1W的LED工作电压和电流关系曲线，当电压从3．1 V升高到3．42V(额定工作电压)时，电流变化达250 mA，变化率为781 mA／V，可以看出工作电流对电压变化非常敏感，而电流变化直接影响LED的发光效率，所以在设计电路时必须是本质安全型的并且要保持对LED的终端输出为恒电流。

    本安电路由煤矿井下照明信号综合保护装置提供本装置电源的额定电压约为127V(+10％，一25％)的电源，隔爆兼本质安全电源采用约127 V输入，经AC-DC开关电源转换成直流后提供给电源输出板，经过稳压、限流、限压等电路后输出，该电路还有短路和过压、过流保护。输入电压约127 V／50 Hz，电压在75％~110％内波动时，灯具能点亮，功能正常。灯具电源本安最高开路电压DCl8 V，本安最大输出电流600 mA，本安电路如图5所示。

    (2)二次散热问题
    对LED的散热在封装结构上采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘帖材料，用硅树脂代替环氧树脂。但LED照明灯的二次散热仍然是当前制作照明灯的一个关键问题，可采取的措施就是将LED二极管固定在Al板或Al片上；然后再将Al板或Al片用导热硅脂与外壳固定在一起，将LED二极管产生的热量迅速地通过外壳散出去，实验证明，该效果极好，达到了发光及节能的要求。

5 LED光源在采煤工作面照明灯上应用的特点
    (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2 000℃，而LED属于冷光源，其发光的温度只有60℃，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6 000 K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。

6 结语
    通过以上的分析，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。目前国家和政府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。