大功率LED在矿灯行业的应用

摘要：文章介绍了ＰＯＷＥＲＬＥＤ技术在矿灯中的应用以及对ＬＥＤ发展的思考。

关键词：大功率ＬＥＤ；矿灯

1、前言

随着中国社会开放程度的加深和人权意识的提升，煤矿的安全生产及矿工生命的安全已成为全社会共同关注的问题。

据国家安全生产监督管理局的数据显示：２００１~２００４年期间，我国发生一次死亡１０人以上的特大煤矿事故１８８起，平均每７．４天发生一起。２００４年，死亡人数超过３０人的特别重大事故总共１４起，其中矿难６起，占４２．８％。２００４年官方公布的矿难死亡人数是６０２７人。２００５年上半年，国家拿出了３０亿元专项资金进行煤矿技术改造，安监局升格为安监总局，但形势依然严峻，上半年的死亡人数比去年同期上升了３．３％，达到２６７２人。

据不完全统计，这些矿难中的８０％是由矿灯打火直接引起的。ＬＥＤ技术的进步带来的直接好处就是在矿灯中的应用。ＬＥＤ矿灯的出现，大大降低了因矿灯灯泡爆炸和井下拆换矿灯引爆瓦斯造成的矿难几率。

2、矿灯发展简史

2.1传统矿灯概况

１８世纪中期，英国的工业革命对能源的需求大为提高。英国靠近地面的最佳煤层已经耗尽。采煤工程师必须打竖井以达到开采区域。深层采煤带来严重的甲烷爆炸的问题，这些都起因于蜡烛和油灯未加防护的火焰。人们尝试了各种地下照明的替代方法：包括用腐烂的鱼发出的鳞光以及火石刚磨机（１７４０－１７５０），还有从地面用镜子反光。但是，爆炸仍相当频繁，直到安全矿灯的发明。

英国化学家戴维（Ｈ·Ｄａｖｙ，１７７８～１８２９）应霍奇森（Ｈｏｄｇｓｏｎ）牧师的要求在１８１５年发明了安全矿灯，解决了因火焰引起的瓦斯爆炸问题，对１９世纪欧洲煤矿的安全开采做出了有益的贡献。

２０世纪初，戴维发明的安全矿灯开始被蓄电池和灯泡制造的矿灯所取代。这对提高煤矿的安全性又是一次重要推动，井下照明不再依赖于火光。矿工的工作条件有了很大的改善，基本消除了眼球震颤症的危害。该病是此前煤矿行业照明条件恶劣引起的一种严重的职业病（见图1）。

2.2ＬＥＤ矿灯概况

（1）２００１年，第一代采用ＬＥＤ光源的矿灯在我国产生，该产品电源采用锂离子蓄电池，光源采用多只红光、绿光、蓝光ＬＥＤ并联，多色光通过特殊的凸透镜后产生人眼所见的白光，照度可高达７００Lｘ，基本达到矿灯标准要求的照度，并且产品体积、重量比传统矿灯减少了许多，且具有一定的免维护功能。但是，ＬＥＤ光源的混色及体积、光效等问题限制了其进一步的发展。

随着ＬＥＤＹＢ双色白光技术的发展及其在照明领域的广泛应用，众多企业开始投入ＬＥＤ白光光源矿灯的开发研究，制造出用多个Φ５或Φ１０的白光二极管矿灯，也能达到８００ｌｘ以上的照度，并开始在一些矿区试用。

（2）２００２年开始出现的大功率白光ＬＥＤ技术采用新的芯片技术和封装结构，提高了发光效率，改善了散热性能，提高了ＬＥＤ的寿命。２００５年最新的矿灯产品采用这种额定电流３５０ｍＡ的１Ｗ大功率白光ＬＥＤ作为光源，以聚合物锂离子蓄电池为电源，照度可达１５００Lｘ以上，而且重量在２００ｇ左右，仅为传统矿灯的十分之一。可靠性及便利性都达到了实用水平，并在２００５年开始大规模推广应用，至今已经形成一个５０亿元规模的大功率ＬＥＤ应用市场。

2.3矿灯企业的分布

目前，中国矿灯厂主要分布于产矿省份和电子工业较发达的省份。２００５年矿灯换代带来的产业调整机会吸引了大批的淘金者，涌现出一批从电子等行业进入的新兴矿灯企业。另外，老牌铅酸矿灯厂主要分布在产煤区附近，多数拥有几十年的品牌和固定的销售对象。现在面临LED矿灯换代的机会，也作出了相应的改革。矿灯厂的分布呈现出明显的产业密集型特征（如图2、图3所示）。

3、ＬＥＤ矿灯技术

3.1ＬＥＤ产品技术的性能和选用

ＬＥＤ矿灯中，ＬＥＤ是最主要的元件，选择的过程必须谨慎，才能保证矿灯的整体性能。从目前ＬＥＤ产品的结构及产业发展的角度而言，照明ＬＥＤ产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命可靠性等几方面的参数。

选择适合矿灯使用的ＬＥＤ可以从以下几个方面进行考察。

（1）光学性能

ＬＥＤ的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等性能方面的要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。矿灯用的ＬＥＤ，主要是光通量指标，一般矿灯要求达到３０Lｍ以上，国内市场上的PｏｗｅｒLED一部分能达到这个要求，量子光电等部分企业的产品能够达到４０Lｍ、５０Lｍ以上，而且可靠性已经达到国际先进水平。由于井下照明环境恶劣，对色温和显色指数等相关参数也会有一定的要求，而色纯度和主波长一般不做考量。

（2）电性能

ＬＥＤ的ＰＮ结电特性，决定了它在照明应用中区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。目前，主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压和静电敏感度等。

（3）热性能

照明用ＬＥＤ发光效率和功率的提高是当前ＬＥＤ产业发展的关键问题之一，与此同时，ＬＥＤ的ＰＮ结温度及壳体散热问题就显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。

（4）辐射安全

目前，国际电工委员会ＩＥＣ将ＬＥＤ产品等同于半导体激光器的要求进行辐射安全测试和论证。因ＬＥＤ是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能对人眼视网膜造成的危害，因此，国际标准规定了不同应用的ＬＥＤ其有效辐射的限值要求和测试方法。目前，在欧盟和美国，照明ＬＥＤ产品的辐射安全已成为一项强制性的安全要求。

（5）可靠性和寿命

可靠性指标是衡量ＬＥＤ在各种环境中正常工作的能力。寿命是评价ＬＥＤ产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指ＬＥＤ在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。矿灯因为使用条件恶劣，维护成本高，因此可靠性是相当重要的参数。目前用于矿灯的ＬＥＤ应保证半衰寿命为２００００小时以上。

3.2ＬＥＤ矿灯设计技术

确定了我们需要的ＬＥＤ后，就要根据ＬＥＤ的特性对矿灯结构进行设计，矿灯中与ＬＥＤ相关的主要ＬＥＤ核心系统为：光学系统、散热系统和驱动系统（见图4）。

3.2.1光学设计

这里所讲的光学设计主要是指矿灯的二次光学设计，将二极管所发的光转化为符合井下所需的照明条件。

（1）主光源

目前根据ＬＥＤ透镜的不同，矿灯的光学设计也有几种不同的思路。

第一种是普通的朗柏型透镜外加聚光作用的凸透矿灯镜片，这种方式结构简洁，工艺简单，也容易达到较高的照度。但因为光斑太小，所照射的范围相当有限，不符合井下的使用习惯。目前，国内绝大部分大型矿灯生产商均采用这种结构。

第二种是蝙蝠翼型光学透镜，该透镜更符合煤矿井下的实际使用要求。它是一种侧面发光，产生双峰曲线的发光二极管，配用抛物线反射器可以得到与卤素矿灯相似的照明效果。但这种结构透镜有一个很细的颈，在矿灯生产、使用及维护的过程中极易折断。

第三种是采用朗柏型透镜，设计较大的发光角度，产生散光的效果，再通过抛物面的反射器进行反射，可以综合第一、二两种的优点。目前，已有部分厂家在做这种有益的尝试。

（2）副光源设计

副光源设置目的是为了在主光源一旦出现问题时，副光源可以提供临时的应急照明。因此副光源的设计相对主光源而言更加体现了应急和安全的意义。一般的矿灯厂家采取单独电路安排副光源的方法，副光源处在相对独立的位置。但是目前市场上也出现了为省去单独安排副光源的麻烦，而采用了一些新副光源的放置方法，有将副光源集成在主光源旁边，或邦定芯片在主光源的ＰＣＢ板上，以及直接将贴片焊在主光源的ＰＣＢ板上等做法。这都体现出目前矿灯行业急功近利的倾向。这种方法虽然省去线路板上的麻烦，但是却增加了副光源失效的危险，并会导致可能真正需要使用的时候起不到作用。在没有得到稳定性方面可靠保证的情况下，不建议矿灯厂采用。

3.2.2散热设计

ＬＥＤ应用中与寿命最为息息相关的就是散热设计。ＬＥＤ虽然号称是冷光源，但这是相对高温的白炽灯和气体灯而言。ＬＥＤ在发光过程中本身仍然会产生热量，这是由于在半导体ｐ－ｎ结合点放射出光子的同时也会产生热量，这一点的温度称作结温。过高的结温会导致半导体快速老化，寿命缩短，影响正常的使用。所以，即使是冷光源的ＬＥＤ也要特别注意散热的设计。

表1是几种常用散热材料的导热系数。银的导热系数虽高但因不具备成本性能比而很少被运用于矿用照明。目前市场上ＬＥＤ主要采用的导热材料是铜和铝，相比之下，铜的导热性能更佳，对提高产品寿命作用明显，成本相对也高一些。铝因为成本低廉，原材料容易取得，二次散热多数采用铝板或鳍状铝片。

采用尽量短的散热通道。散热通道越长，热阻就越大，出现“热瓶颈”的可能性就越大。

热阻公式：

R?专结合点-环境=■

其中，△T=T结合点-T环境（℃）；

Pd=消散的功率（W）；

Pd=正向电流（If）×正向电压（Vf）.

根据图5得出如下公式：

R?专结合点-环境=R?专结合点-金属片+R?专金属片-电路板+R?专电路板-环境

3.2.3驱动设计

ＬＥＤ是电流元器件，其驱动电路最好能够提供恒定电流。图6是以ＡＭＣ７１３５为例的两款常用驱动电路，包含了副光源的电路设计。

4、ＬＥＤ矿灯的优点

（1）ＬＥＤ矿灯由于低压供电，因此无电弧产生，也就不可能引起瓦斯爆炸，安全性非常好。

（2）ＬＥＤ节能的优势在矿灯使用中表现更为明显。用于矿用帽灯的１Ｗ半导体照明灯的工作电流仅为３５０ｍＡ，只有目前白炽灯的１/２。按矿工每天照明１０h计算，每只矿灯一天节约能量为３５０ｍＡ×１０ｈ＝３５００ｍＡｈ。帽灯工作电压为４Ｖ，因此每只帽灯每天节约的电能为：４Ｖ×３５００ｍＡｈ＝１４Ｗｈ。以全国１０００万矿工来计算每天节约的电能将达到１４Ｗｈ×１０００００００＝１４００００ｋＷｈ。仅这一项所节省的电能就相当惊人。

（3）目前，ＬＥＤ的发光效率可达４０～６０Lｍ/Ｗ，使用寿命很长，一旦安装无需更换，因此不仅大大节省能源，还可节省维修费用。这种新型光源无玻璃外壳，无灯丝，内部不含有害物质—汞，因此不会像日光灯那样因破损、裂缝、粉碎而污染环境，同时，这种新型光源的色彩非常柔和，不含紫外线和红外辐射。
ＬＥＤ矿灯与传统矿灯之比如图7、图8及表2所示。

5、锂电源ＬＥＤ矿灯目前存在的问题

（1）照射距离不如原矿灯远，穿透力差。

（2）３Ｍ以外亮度衰减严重，扩散性差，而在近处看对方的灯则非常刺眼，甚至产生光晕。

（3）价格偏高。配上５Ａｈ的锂电，价格至少在２００元以上，是传统矿灯的３倍。

（4）锂离子电池的安全性较差，尽管加入了保护电路，但是仍会出现电池组燃烧和爆炸的严重事故。加强锂电厂家进入矿用领域的审查，防止不合格产品流入市场。

（5）部分厂家生产的ＬＥＤ可靠性较差，失效几率很大，光衰严重。常常是十几个充放电使用周期就光衰超过３０％，严重挫伤矿区采用ＬＥＤ矿灯的热情。

6、ＬＥＤ矿灯的发展展望

ＬＥＤ是２１世纪的新光源，将彻底改变人类的照明历史。而这一新的技术首先就为劳动阶层的千万煤矿工人带来福音。ＬＥＤ矿灯的出现，是继戴维矿灯的发明和蓄电池矿灯发明之后的第三次矿灯改革，这是对普通劳动者的人权与生存权最为直接的改善。

随着ＬＥＤ技术的进步，ＬＥＤ矿灯也会随之进步。

（1）小型化。ＬＥＤ发光效率的提高，不但能够达到原来的照明效果且需要的电能更少，可以进一步缩小电池容量。矿灯可以直接集成在安全帽上，而不会像现在一样沉重。进一步减轻煤矿工人的负担。

（2）多功能化。伴随技术进步和安全意识的提高，ＬＥＤ矿灯多功能化可能变为现实。ＬＥＤ矿灯不仅可以用作井下照明，还可以附加瓦斯检测、人员定位、语音通讯甚至人员考勤等功能。

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