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