LED光源在礦井工作面照明燈中的應用
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近年連續(xù)幾起特大型礦難，使國家和政府對煤礦安全生產(chǎn)工作極為重視，國家對煤礦電氣設備加強把關，提倡研究開發(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都不能引起規(guī)定的爆炸混合物爆炸的電氣設備。這種設備的防爆原理是設法減小電路火花的能量及元件上的溫度，使其不能點燃礦井中爆炸性混合物，達到防爆目的。這類設備產(chǎn)生的明火花不會點燃爆炸性混合物，無須隔爆外殼。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LED燈隔爆兼本安驅(qū)動電路作了設計并對小功率LED燈進行了合理排列，指出LED照明燈在采煤工作面可應用并具備廣泛發(fā)展前景。
1 LED技術及在礦井應用中的優(yōu)勢
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，無法達到隔爆兼本質(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、壽命長的特點，可大大降低井下燈具的維護次數(shù)，減少因燈具破碎造成的安全隱患、降低維護費用。
LED是一種將電能轉化為可見光的半導體元件，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結載流子復合發(fā)光，是一種冷光源，無頻閃且色溫接近日光，能有效保護井下作業(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，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為某型號礦用白光LED ta=25℃時的光譜分析圖。
有關資料顯示，當溫度超過一定值，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結溫在110℃以下。隨著pn結的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移。從圖1可以看出：在100℃下。波長可以紅移4～9 nm，從而導致熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升l℃，LED的發(fā)光強度會相應地減少l％左右。當多個LED密度排列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時散出，保持pn結的結溫在允許范圍內(nèi)，將無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的燈串壽命。
LED的封裝要求：針對高功率LED的封裝散熱難題，國內(nèi)外器件的設計者和制造者分別在結構和材料等方面對器件的熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。
(1)封裝結構。為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發(fā)了多種結構，主要有硅基倒裝芯片(FCLED)結構、基于金屬線路板結構、微泵浦結構三種類型；(2)封裝材料。封裝結構確定后，通過選取不同的材料進一步降低系統(tǒng)的熱阻，提高系統(tǒng)的導熱性能。目前國內(nèi)外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進行擇優(yōu)。
3 解決LED散熱的途徑
3．1 導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、復合金屬基板等導熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設計、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責Y陶瓷(LTCC2M)基板，以獲得熱導性能好、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擴散到周圍環(huán)境，目前通常選用Al、Cu等導熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。無論從成本還是外觀的角度來看，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，把熱量轉化成振動方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點之一。
3．3 熱阻降低的方法
對于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結到外界環(huán)境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻和外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個熱沉都會對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系
采用盡量短的散熱通道。越長的散熱通道，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光源照明燈的關鍵技術
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