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大功率LED在矿灯行业的应用
来源:   作者:灵创照明   时间:2018-07-13    浏览次数:

 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)。

2.2 LED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LED YB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

3.1 LED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Power LED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。

3.2 LED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。

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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