1、1大功率 LED 在矿灯行业的应用摘要：针对传统铅酸电池矿灯存在的体积大、重量重、存在漏液的安全隐患、充电时间短、使用可靠性差等缺点，指出新型锂电池 LED 矿灯是其最佳替代产品。介绍了利用大功率 LED 照明技术研制出的全新理念的安全型矿灯是矿工井下照明应用的发展方向。 Pick to: in view of the traditional lead acid battery miners lamp existing big volume, weight is heavy, and the leakage of the existing security hidden danger, cha
2、rging time is short, the use of the shortcomings of reliability, and points out that the new type of lithium battery LED miners lamp is the best alternative products. Introduced the use of high power LED lighting technology has developed the new idea of safe miners lamp is a miner lighting applicati
3、on development direction. 关键词：铅酸矿灯 LED 矿灯研发应用 Keywords:lead-acid miners lampLED miners lampresearch and development application 中图分类号：TM923.54 文献标识码： A 文章编号： 前言 矿灯是矿工井下作业照明工具，性能的优劣直接影响矿工工作效率2和人身安全。目前我国市场基本都是铅酸电池，铅酸电池具有制造工艺成熟、性能稳定的优点，但铅酸电池体积大、重量重、还存在漏液的安全隐患，并且矿灯部分的结构复杂，每次充电使用时间短、可靠性差等缺陷。而锂电池具有污染小，应用周
4、期长，无记忆、高比容量，体积小、重量轻等优点。传统矿灯灯泡工作寿命小于 200h，而大功率 LED 的工作寿命高达 10000h。因此，推广使用 LED 光源、锂离子电池制作的新型矿灯成为未来矿灯市场的发展方向。 一、LED 矿灯发展现状 LED 是 Light Emitting Diode(发光二极管)的英文缩写，基本结构是一块通电发光的半导体材料，置于一个有引线的支架上，四周均用环氧树脂等透明塑料密封。它与白炽钨丝灯和荧光灯相比，主要技术优势有：体积小、发热量低(没有热辐射)、耗电量小(低电压、低电流启动)、寿命长(理论寿命 10 万 h 以上)、响应速度快(纳秒几级)、耐振动和冲击及无污
5、染。被称为继爱迪生发明白炽灯后最伟大的发明之一，成为 21 世纪第四代光源。 第一代采用 LED 光源的矿灯 2001 年在我国产生，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，照度可达 700lx，达到矿灯标准要求照度，并且产品体积、重量比传统矿灯大幅度减小，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发展。随着 LED 白光技术的发展及其在照明领域的广泛应用，近年来众多企业投入 LED 白光光源矿灯的开发研究，制造出用多个 5 或 10 的白光3LED 矿灯，达到 800lx 以上照度
6、，并开始在一些矿区试用。目前最新的LED 矿灯采用额定电流 350mA 的大功率白光 LED 作光源，以聚合物锂离子蓄电池为电源，去掉了传统矿灯的电缆，将蓄电池和光源密封在同一个塑料壳体内，电源和光源有机结合，照度达到 1200lx 以上，重量仅185g。 二、LED 矿灯技术应用 1、LED 产品选型 对于 LED 矿灯，LED 是最主要的元件，选型必须审慎。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参数。1.1 光学性能。 LED 光学性能主要涉及光谱、光度和色度等方面的要求。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
7、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LED，主要是光通量指标，一般矿灯要求达 30lm 以上，国内市场上的powerLED 部分能达到这个要求。由于井下照明环境恶劣，对色温和显色指数也会有一定要求，而色纯度主波长一般不做要求。 1.2 电性能 LED 的 PN 结电特性，决定了 LED 在照明应用中区别于传统光源的电学性能，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4击穿电压和静电敏感度等。 1.3 热性能 LED 发光效率和功率的提高
8、是当前 LED 产业发展的关键问题之一，同时 LED 的 PN 结温度及壳体散热显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。根据矿灯的使用特点，LED 应保证在 060的环境中能保持稳定的发光效率。 1.4 辐射安全 国际电工委员会将 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。LED 是窄光束、高亮度的发光器件，其辐射可能对人眼视网膜造成危害。因此，不同场合应用的 LED，国际标准规定了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 产品的辐射安全作为一项强制性安全要求执行。 1.5 可靠性和寿命 可靠性是衡量 LED 产品在各种环境中正常工作的能力。
9、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 应保证半衰寿命在20000h 以上。 2、LED 矿灯设计技术 确定了 LED 后，根据 LED 特性需对矿灯结构进行设计，矿灯中与 LED相关的主要是三个以 LED 为核心的系统：光学系统、散热系统和驱动系5统。 2.1 光学设计 此处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成符合井下所需的照明条件。 1）主光源设计
10、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。但光斑小，照射范围有限,不太符合井下的使用习惯。目前国内大型矿灯生产商不太采用这种结构。 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段。 第三种设计的方法是采用朗柏型透镜，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反射，可以综合以上两种设计的
11、优点。 2）副光源设计 副光源设置的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更体现了应急和安全。一般的矿灯厂家采取单独电路安装副光源，副光源处在相对独立的位置。但目前市场上也出现了为省去单独安装副光源的麻烦，而采用了一些新6的副光源放置方法。主要有将副光源集成在主光源旁边，绑定芯片在主光源的 PCB 板上，或直接将贴片焊在主光源的 PCB 板上等方法。这些方法虽然省去线路板上的麻烦，但是增加了副光源失效的危险，可能导致真正需要使用时不起作用。 3）散热设计 散热设计是 LED 能否成功应用的关键技术。LED 可以在-4085的环境中工作，一般发
12、光效率最好的环境温度是-4040，超出此范围发光效率将大幅降低。LED 虽被称为冷光源，但工作时半导体的 P-N 结仍产生热量。P-N 结的工作温度越高，发光效率越低，LED 寿命越短。P-N 结产生的热量通过引线、电路板、散热片等传导到空气中以保证 P-N 结的温度不超过临界温度 110。 由于矿灯灯头采用密封结构，腔体容积较小而灯头壳体为塑料材质，不利于散热，越长的散热通道，热阻越大，出现热瓶颈的可能就越大。应采用尽量短的散热通道降低 P-N 结的温度。左表是几种常用的散热材料的导热系数。银导热系数虽高 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
13、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，二次散热多数采用铝板或鳍状铝片。 74）电源类型选择 白光 LED 的工作电压一般在 3v4v 之间，额定电压为 3.6v 左右，与锂离子蓄电池工作电压特性基本一致。锂离子蓄电池的寿命可达 500次循环，基本保证矿灯可以使用两年，因此，电源选锂离子电池。采用LED 光源和锂离子电池电源的矿灯除日常充电外，无需其他维护，完全实现免维护。 5）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。工作电流与电压及发光效率呈线性关系，即工作电流越大，电压越高，发光效率也越高，但超出额定工作电流将缩短
14、LED 寿命。因此，为保证 LED 的使用寿命和保持照明效果稳定，应在 LED 输入端设置恒流驱动电路，使 LED的工作状态不受蓄电池端电压变化影响 LED 工作于特定状态。 3、LED 矿灯主要技术指标见下表 表 1：新型 LED 矿灯主要技术指标 三、LED 矿灯的优点 1、体积小、重量轻 LED 矿灯与传统矿灯所做的对比，见下表 2。现有铅酸蓄电池矿灯的重量为 2500g 左右，新型锂电池矿灯的重量为 185g，只相当铅酸蓄电池矿灯灯头的重量，其体积比现有铅酸蓄电池矿灯灯头还要小，重量减轻894。 2、节能效果明显 现有铅酸蓄电池矿灯的工作电流为 700mA，功率 2.8W。新型锂电池矿
15、灯的工作电流为 210mA，功率 O.8W，节能 71；现有铅酸蓄电池矿灯打开 11h 后的照度为开始时的 45（国家标准） ，其光照特征为前亮后暗变化大。新型锂电池矿灯打开 1lh 后的照度为开始时的 98，其光照特征为前后亮度变化小，因而既节能亮度又高，并且日光型白色光线更适合在煤矿井下使用。 3、单次工作时间长 传统矿灯单次工作时间12h，而新型锂电池矿灯主灯的工作时间20h，副灯工作时间大于 90h。主、副灯的设置使矿灯工作更为合理。 4、安全可靠性高 传统矿灯有天生技术结构上的缺陷，铅酸蓄电池矿灯电源与灯头是分离式，容易产生蓄电池、矿灯头碰撞摔破，电缆破皮扯断等现象产生电火花，继而引
16、发瓦斯爆炸事故。新型锂电池 LED 矿灯将电源、灯头、LED 灯泡合成在一起，不存在蓄电池、矿灯头碰撞破损，电缆破皮扯断以及灯泡烧坏而引起的电火花外漏现象，从生产工艺上掐断了矿灯引发事故的根源。 四、LED 矿灯存在的问题： 1、照射距离不如传统矿灯远，穿透力差；3m 以外亮度衰减严重，扩散性差，而在近处看对方的灯，非常刺眼，甚至产生光晕。 2、价格偏高。配上 5Ah 的锂电池，价格在 200 元以上，是传统矿灯9的 3 倍。 3、锂离子电池安全性较差，尽管加入保护电路仍出现过电池组燃烧的严重事故。 4、部分厂家生产的 LED 可靠性较差，光衰严重。十几个充放电使用周期后光衰超过 30%，严重
17、挫伤煤矿使用 LED 矿灯的积极性。 总之，伴随着技术进步和安全意识的提高，LED 矿灯小型化和多功能化不久将变为现实。随着 LED 发光效率的提高，达到原照明效果需要的电能将减少，缩小电池容量，矿灯可直接集成在安全帽上，进一步减轻矿工负担；同时，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，语音通讯以及人员考勤等多项功能。LED 是 21 世纪的照明革命，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重大创新，将为千千万万位矿工带来福音。 陈云霞，女，1977 年 3 月出生，山西省高平市人。1995 年 7 月毕业于江西省煤炭工业学校，机电工程师。现在山西晋煤集团晋城晟皓光电科技有限公司质量部负责质量管理工作。
