LED光源在礦井工作面照明燈中的應用

    引言

　近年連續幾起特大型礦難，使國家和政府對煤礦安全生產工作極為重視，國家對煤礦電氣設備加強把關，提倡研究開發本質安全型產品，以提高安全生產條件。本質安全型是指電路、系統及設備在正常狀態下和規定的故障狀態下產生的任何電火花或任何熱效應都不能引起規定的爆炸混合物爆炸的電氣設備。這種設備的防爆原理是設法減小電路火花的能量及元件上的溫度，使其不能點燃礦井中爆炸性混合物，達到防爆目的。這類設備產生的明火花不會點燃爆炸性混合物，無須隔爆外殼。其體積小，重量輕，便于攜帶，而且安全程度高。要使電路火花不點燃爆炸性混合物，這種電路就只能是弱電系統。LED燈屬節能、隔爆兼本質安全型，本文對LED燈隔爆兼本安驅動電路作了設計并對小功率LED燈進行了合理排列，指出LED照明燈在采煤工作面可應用并具備廣泛發展前景。

　1 LED技術及在礦井應用中的優勢

　煤礦用燈具目前多為隔爆型或增安型燈具，因白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等光源均為熱光源高壓燈具，無法達到隔爆兼本質安全型燈具的要求。本質安全型燈具替代隔爆或增安型燈具設備可提高煤礦安全生產條件。LED為冷光源，具備耗電低、發熱少、安全可靠性高、壽命長的特點，可大大降低井下燈具的維護次數，減少因燈具破碎造成的安全隱患、降低維護費用。

　LED是一種將電能轉化為可見光的半導體元件，它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色發光的原理，采用pn結載流子復合發光，是一種冷光源，無頻閃且色溫接近日光，能有效保護井下作業人員的視力，避免因普通照明燈引起的瓦斯爆炸事故。LED采用低壓直流電源供電，工作電壓在6～24V，為本質安全型，比使用高壓電源更為安全、經濟，其功耗僅為傳統白熾燈的30％，能有效地節約能源。

　2 散熱的必要性

　圖1為某型號礦用白光LED ta="25"℃時的光譜分析圖。

　有關資料顯示，當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2℃，可靠性下降10％。為了保證器件的壽命，一般要求pn結溫在110℃以下。隨著pn結的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。從圖1可以看出：在100℃下。波長可以紅移4～9 nm，從而導致熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升l℃，LED的發光強度會相應地減少l％左右。當多個LED密度排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。如果不能將電流產生的熱量及時散出，保持pn結的結溫在允許范圍內，將無法獲得穩定的光輸出和維持正常的燈串壽命。

　LED的封裝要求：針對高功率LED的封裝散熱難題，國內外器件的設計者和制造者分別在結構和材料等方面對器件的熱系統進行了優化設計。

　(1)封裝結構。為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發了多種結構，主要有硅基倒裝芯片(FCLED)結構、基于金屬線路板結構、微泵浦結構三種類型；(2)封裝材料。封裝結構確定后，通過選取不同的材料進一步降低系統的熱阻，提高系統的導熱性能。目前國內外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進行擇優。

　3 解決LED散熱的途徑

　3．1 導熱性能好的襯底選擇

　選擇如以Al基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、復合金屬基板等導熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發。通過優化MCPCB板的熱設計、或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷(LTCC2M)基板，以獲得熱導性能好、熱膨脹系數小的襯底。

　3．2 襯底上熱量的釋放

　為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環境，目前通常選用Al、Cu等導熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。無論從成本還是外觀的角度來看，LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根據能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉化成振動方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點之一。

　3．3 熱阻降低的方法

　對于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結到外界環境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內部熱沉熱阻、內部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻和外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內部熱沉數量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻，這種技術有可能成為今后大功率LED散熱封裝主流方向。

　3．4 熱阻與散熱通道的關系

　采用盡量短的散熱通道。越長的散熱通道，熱阻就越大，出現熱瓶頸的可能就越大。圖2為串聯阻抗的散熱通道，熱阻公式為

    4 LED光源照明燈的關鍵技術

　4．1 LED的選型及排列

　LED從結構形式上分主要有三種：一種是有引線的(引角)LED，額定電流一般為20 mA，功率較小，用于照明時需要多只并聯；另一種是單芯片表面貼片型LED，額定電流一般大于50 mA(目前LED最大額定電流達到l 000 mA)，功率較大，可以單只使用；第三種是將多只小功率芯片加以集成，實現大功率，即組合功率型LED。

　采用多只LED并聯方式生產成本低，適合大面積照明，但需要合適的排列方式；在采用小功率的二極管時，要想使單個燈的照度滿足采煤工作面需要，就要采用多只二極管并聯。這就帶來了采用多大的電壓，如何控制二極管分組并聯后總電流大小，才能滿足本質安全電路要求的問題。由于本質安全電路的電壓有24、18、12 V等，為了滿足本質安全的需要相對應的電流應為400、600和l 000 mA。對于小功率普通的發光二極管，工作條件電壓一般為3～4 V，工作電流為20 mA，如果選用18 V／600 mA，就可以30組并聯，5個串聯為一組，再串聯適當的電阻，每個二極管的壓降小于3．6V，這樣即滿足了本質安全型和亮度的要求，當其中一個或一組損壞時，既不影響其他二極管的工作也不影響照度。多只小功率二極管的排列如圖3。

　采用多只LED并聯方式時，單只LED功率較小，并且產生的熱量相對分散，只要合理地安排LED，盡量增大印刷電路板履動Cu面積，即可滿足散熱要求。

　在采用大功率二極管時，本安電路的設計已經不是問題，關鍵是二極管如何排列才能滿足采煤工作面的需要。

　4．2 本質安全電路的設計及二次散熱問題

　(1)LED是電流驅動型元件，工作電流與電壓及發光效率呈線性關系，即工作電流越大，電壓越高，發光效率也越高，但超出額定工作電流將縮短LED壽命。圖4是某型號功率為1W的LED工作電壓和電流關系曲線，當電壓從3．1 V升高到3．42V(額定工作電壓)時，電流變化達250 mA，變化率為781 mA／V，可以看出工作電流對電壓變化非常敏感，而電流變化直接影響LED的發光效率，所以在設計電路時必須是本質安全型的并且要保持對LED的終端輸出為恒電流。

　本安電路由煤礦井下照明信號綜合保護裝置提供本裝置電源的額定電壓約為127V(+10％，一25％)的電源，隔爆兼本質安全電源采用約127 V輸入，經AC-DC開關電源轉換成直流后提供給電源輸出板，經過穩壓、限流、限壓等電路后輸出，該電路還有短路和過壓、過流保護。輸入電壓約127 V／50 Hz，電壓在75％~110％內波動時，燈具能點亮，功能正常。燈具電源本安最高開路電壓DCl8 V，本安最大輸出電流600 mA，本安電路如圖5所示。

　(2)二次散熱問題

　對LED的散熱在封裝結構上采用大面積芯片倒裝結構、金屬線路板結構、導熱槽結構、微流陣列結構等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘帖材料，用硅樹脂代替環氧樹脂。但LED照明燈的二次散熱仍然是當前制作照明燈的一個關鍵問題，可采取的措施就是將LED二極管固定在Al板或Al片上；然后再將Al板或Al片用導熱硅脂與外殼固定在一起，將LED二極管產生的熱量迅速地通過外殼散出去，實驗證明，該效果極好，達到了發光及節能的要求。

　5 LED光源在采煤工作面照明燈上應用的特點

　(1)安全性，本質安全型LED照明燈所采用的電路為本質安全型，同時由于LED使用壽命長不需要頻繁地更換燈具，大大降低了煤礦工人井下照明維護引發安全事故的問題。白熾燈泡的燈絲溫度高于2 000℃，而LED屬于冷光源，其發光的溫度只有60℃，在燈罩玻璃破碎時，不會引燃瓦斯發生爆炸。(2)節能性，LED的工作電流是白熾燈泡工作電流的1／3左右，節約了2／3的電能。 (3)LED作為采煤工作面照明燈的光源缺點主要有：一是成本高，一盞本質安全型LED照明燈的價格是普通燈的幾倍；二是LED照明燈的照射面積比較小，光線會由于選擇的LED不同而出現不柔和、刺眼問題，在井下使用時工人很不習慣。但這兩方面的問題也有解決的辦法。對于價格高的問題，僅從單價一方面看，如果對LED照明燈的綜合成本進行分析，問題就不是這樣。由于LED的使用壽命長，不像其他礦燈那樣要經常更換，而且LED的工作電流小從而大大節能，再有LED燈在使用過程中免維護，整體來說LED照明燈的綜合成本還是比其他照明燈的成本低。對于光線刺眼的問題，在LED的選用上可根據情況選用色溫低一些的。色溫高，光線刺眼就厲害。色溫在6 000 K以下，刺眼的感覺就明顯減輕，同時使用者也有一個適應的過程。

　另外，經過專業光學設計燈罩的作用，即在標準燈罩內壁加以經專業光學設計的截光器，當光線通過該截光器時，由于截光器的材質為經特殊角度設定的高反射率鋁質表層，可以消除來自任何角度的眩光干攏，刺眼的光線不再射入眼睛，當然保護眼；同時，光線也被該截光器導向為有效的垂直光，確保照射區域的柔和明亮。

　6 結語

　通過以上的分析，對二極管的散熱及LED燈的二次散熱目前技術上是成熟的，對LED燈的本質安全型電路的設計是可行的。目前國家和政府對煤礦安全生產工作極為重視，提倡企業研究開發本質安全型產品，因此井下照明燈中隔爆型或增安型燈具被本質安全型燈具取代是一種趨勢，該產品的市場前景相當廣闊。（作者：孫建領）■