LED光源在礦井工作面照明燈中的應(yīng)用

    引言

　近年連續(xù)幾起特大型礦難，使國(guó)家和政府對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作極為重視，國(guó)家對(duì)煤礦電氣設(shè)備加強(qiáng)把關(guān)，提倡研究開(kāi)發(fā)本質(zhì)安全型產(chǎn)品，以提高安全生產(chǎn)條件。本質(zhì)安全型是指電路、系統(tǒng)及設(shè)備在正常狀態(tài)下和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)都不能引起規(guī)定的爆炸混合物爆炸的電氣設(shè)備。這種設(shè)備的防爆原理是設(shè)法減小電路火花的能量及元件上的溫度，使其不能點(diǎn)燃礦井中爆炸性混合物，達(dá)到防爆目的。這類設(shè)備產(chǎn)生的明火花不會(huì)點(diǎn)燃爆炸性混合物，無(wú)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(diǎn)燃爆炸性混合物，這種電路就只能是弱電系統(tǒng)。LED燈屬節(jié)能、隔爆兼本質(zhì)安全型，本文對(duì)LED燈隔爆兼本安驅(qū)動(dòng)電路作了設(shè)計(jì)并對(duì)小功率LED燈進(jìn)行了合理排列，指出LED照明燈在采煤工作面可應(yīng)用并具備廣泛發(fā)展前景。

　1 LED技術(shù)及在礦井應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

　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(wú)法達(dá)到隔爆兼本質(zhì)安全型燈具的要求。本質(zhì)安全型燈具替代隔爆或增安型燈具設(shè)備可提高煤礦安全生產(chǎn)條件。LED為冷光源，具備耗電低、發(fā)熱少、安全可靠性高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可大大降低井下燈具的維護(hù)次數(shù)，減少因燈具破碎造成的安全隱患、降低維護(hù)費(fèi)用。

　LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體元件，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色發(fā)光的原理，采用pn結(jié)載流子復(fù)合發(fā)光，是一種冷光源，無(wú)頻閃且色溫接近日光，能有效保護(hù)井下作業(yè)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(zhì)安全型，比使用高壓電源更為安全、經(jīng)濟(jì)，其功耗僅為傳統(tǒng)白熾燈的30％，能有效地節(jié)約能源。

　2 散熱的必要性

　圖1為某型號(hào)礦用白光LED ta="25"℃時(shí)的光譜分析圖。

　有關(guān)資料顯示，當(dāng)溫度超過(guò)一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)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(jié)溫在110℃以下。隨著pn結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移。從圖1可以看出：在100℃下。波長(zhǎng)可以紅移4～9 nm，從而導(dǎo)致熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升l℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少l％左右。當(dāng)多個(gè)LED密度排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更嚴(yán)重，因此解決散熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出，保持pn結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，將無(wú)法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的燈串壽命。

　LED的封裝要求：針對(duì)高功率LED的封裝散熱難題，國(guó)內(nèi)外器件的設(shè)計(jì)者和制造者分別在結(jié)構(gòu)和材料等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　(1)封裝結(jié)構(gòu)。為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國(guó)際上開(kāi)發(fā)了多種結(jié)構(gòu)，主要有硅基倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)、基于金屬線路板結(jié)構(gòu)、微泵浦結(jié)構(gòu)三種類型；(2)封裝材料。封裝結(jié)構(gòu)確定后，通過(guò)選取不同的材料進(jìn)一步降低系統(tǒng)的熱阻，提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能。目前國(guó)內(nèi)外常針對(duì)基板材料、粘貼材料和封裝材料進(jìn)行擇優(yōu)。

　3 解決LED散熱的途徑

　3．1 導(dǎo)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(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過(guò)優(yōu)化MCPCB板的熱設(shè)計(jì)、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩�板上形成金屬基低溫�(zé)�結(jié)陶瓷(LTCC2M)基板，以獲得熱導(dǎo)性能好、熱膨脹系數(shù)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?cái)U(kuò)散到周?chē)�環(huán)境，目前通常選用Al、Cu等導(dǎo)熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風(fēng)扇和回路熱管等強(qiáng)制制冷。無(wú)論從成本還是外觀的角度來(lái)看，LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根據(jù)能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉(zhuǎn)化成振動(dòng)方式直接消耗熱能將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

　3．3 熱阻降低的方法

　對(duì)于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結(jié)到外界環(huán)境熱路上幾個(gè)熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導(dǎo)熱膠的熱阻和外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個(gè)熱沉都會(huì)對(duì)傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內(nèi)部熱沉數(shù)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(shù)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(guān)系

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

    4 LED光源照明燈的關(guān)鍵技術(shù)

　4．1 LED的選型及排列

　LED從結(jié)構(gòu)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(shí)需要多只并聯(lián)；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(dá)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(shí)現(xiàn)大功率，即組合功率型LED。

　采用多只LED并聯(lián)方式生產(chǎn)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(shí)，要想使單個(gè)燈的照度滿足采煤工作面需要，就要采用多只二極管并聯(lián)。這就帶來(lái)了采用多大的電壓，如何控制二極管分組并聯(lián)后總電流大小，才能滿足本質(zhì)安全電路要求的問(wèn)題。由于本質(zhì)安全電路的電壓有24、18、12 V等，為了滿足本質(zhì)安全的需要相對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)為400、600和l 000 mA。對(duì)于小功率普通的發(fā)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(lián)，5個(gè)串聯(lián)為一組，再串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮瑁�每個(gè)二極管的壓降小于3．6V，這樣即滿足了本質(zhì)安全型和亮度的要求，當(dāng)其中一個(gè)或一組損壞時(shí)，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(lián)方式時(shí)，單只LED功率較小，并且產(chǎn)生的熱量相對(duì)分散，只要合理地安排LED，盡量增大印刷電路板履動(dòng)Cu面積，即可滿足散熱要求。

　在采用大功率二極管時(shí)，本安電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)不是問(wèn)題，關(guān)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(zhì)安全電路的設(shè)計(jì)及二次散熱問(wèn)題

　(1)LED是電流驅(qū)動(dòng)型元件，工作電流與電壓及發(fā)光效率呈線性關(guān)系，即工作電流越大，電壓越高，發(fā)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(hào)功率為1W的LED工作電壓和電流關(guān)系曲線，當(dāng)電壓從3．1 V升高到3．42V(額定工作電壓)時(shí)，電流變化達(dá)250 mA，變化率為781 mA／V，可以看出工作電流對(duì)電壓變化非常敏感，而電流變化直接影響LED的發(fā)光效率，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須是本質(zhì)安全型的并且要保持對(duì)LED的終端輸出為恒電流。

　本安電路由煤礦井下照明信號(hào)綜合保護(hù)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(zhì)安全電源采用約127 V輸入，經(jīng)AC-DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流后提供給電源輸出板，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、限流、限壓等電路后輸出，該電路還有短路和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。輸入電壓約127 V／50 Hz，電壓在75％~110％內(nèi)波動(dòng)時(shí)，燈具能點(diǎn)亮，功能正常。燈具電源本安最高開(kāi)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(wèn)題

　對(duì)LED的散熱在封裝結(jié)構(gòu)上采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)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(shù)脂代替環(huán)氧樹(shù)脂。但LED照明燈的二次散熱仍然是當(dāng)前制作照明燈的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(dǎo)熱硅脂與外殼固定在一起，將LED二極管產(chǎn)生的熱量迅速地通過(guò)外殼散出去，實(shí)驗(yàn)證明，該效果極好，達(dá)到了發(fā)光及節(jié)能的要求。

　5 LED光源在采煤工作面照明燈上應(yīng)用的特點(diǎn)

　(1)安全性，本質(zhì)安全型LED照明燈所采用的電路為本質(zhì)安全型，同時(shí)由于LED使用壽命長(zhǎng)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(hù)引發(fā)安全事故的問(wèn)題。白熾燈泡的燈絲溫度高于2 000℃，而LED屬于冷光源，其發(fā)光的溫度只有60℃，在燈罩玻璃破碎時(shí)，不會(huì)引燃瓦斯發(fā)生爆炸。(2)節(jié)能性，LED的工作電流是白熾燈泡工作電流的1／3左右，節(jié)約了2／3的電能。 (3)LED作為采煤工作面照明燈的光源缺點(diǎn)主要有：一是成本高，一盞本質(zhì)安全型LED照明燈的價(jià)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(huì)由于選擇的LED不同而出現(xiàn)不柔和、刺眼問(wèn)題，在井下使用時(shí)工人很不習(xí)慣。但這兩方面的問(wèn)題也有解決的辦法。對(duì)于價(jià)格高的問(wèn)題，僅從單價(jià)一方面看，如果對(duì)LED照明燈的綜合成本進(jìn)行分析，問(wèn)題就不是這樣。由于LED的使用壽命長(zhǎng)，不像其他礦燈那樣要經(jīng)常更換，而且LED的工作電流小從而大大節(jié)能，再有LED燈在使用過(guò)程中免維護(hù)，整體來(lái)說(shuō)LED照明燈的綜合成本還是比其他照明燈的成本低。對(duì)于光線刺眼的問(wèn)題，在LED的選用上可根據(jù)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(jué)就明顯減輕，同時(shí)使用者也有一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程。

　另外，經(jīng)過(guò)專業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)燈罩的作用，即在標(biāo)準(zhǔn)燈罩內(nèi)壁加以經(jīng)專業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)的截光器，當(dāng)光線通過(guò)該截光器時(shí)，由于截光器的材質(zhì)為經(jīng)特殊角度設(shè)定的高反射率鋁質(zhì)表層，可以消除來(lái)自任何角度的眩光干攏，刺眼的光線不再射入眼睛，當(dāng)然保護(hù)眼；同時(shí)，光線也被該截光器導(dǎo)向?yàn)橛行У拇怪惫猓�確保照射區(qū)域的柔和明亮。

　6 結(jié)語(yǔ)

　通過(guò)以上的分析，對(duì)二極管的散熱及LED燈的二次散熱目前技術(shù)上是成熟的，對(duì)LED燈的本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)是可行的。目前國(guó)家和政府對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作極為重視，提倡企業(yè)研究開(kāi)發(fā)本質(zhì)安全型產(chǎn)品，因此井下照明燈中隔爆型或增安型燈具被本質(zhì)安全型燈具取代是一種趨勢(shì)，該產(chǎn)品的市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。（作者：孫建領(lǐng)）■