LED光源在礦井工作面照明燈中的應(yīng)用
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4．1 LED的選型及排列
LED從結(jié)構(gòu)形式上分主要有三種：一種是有引線(xiàn)的(引角)LED，額定電流一般為20 mA，功率較小，用于照明時(shí)需要多只并聯(lián)；另一種是單芯片表面貼片型LED，額定電流一般大于50 mA(目前LED最大額定電流達(dá)到l 000 mA)，功率較大，可以單只使用；第三種是將多只小功率芯片加以集成，實(shí)現(xiàn)大功率，即組合功率型LED。
采用多只LED并聯(lián)方式生產(chǎn)成本低，適合大面積照明，但需要合適的排列方式；在采用小功率的二極管時(shí)，要想使單個(gè)燈的照度滿(mǎn)足采煤工作面需要，就要采用多只二極管并聯(lián)。這就帶來(lái)了采用多大的電壓，如何控制二極管分組并聯(lián)后總電流大小，才能滿(mǎn)足本質(zhì)安全電路要求的問(wèn)題。由于本質(zhì)安全電路的電壓有24、18、12 V等，為了滿(mǎn)足本質(zhì)安全的需要相對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)為400、600和l 000 mA。對(duì)于小功率普通的發(fā)光二極管，工作條件電壓一般為3～4 V，工作電流為20 mA，如果選用18 V／600 mA，就可以30組并聯(lián)，5個(gè)串聯(lián)為一組，再串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?，每個(gè)二極管的壓降小于3．6V，這樣即滿(mǎn)足了本質(zhì)安全型和亮度的要求，當(dāng)其中一個(gè)或一組損壞時(shí)，既不影響其他二極管的工作也不影響照度。多只小功率二極管的排列如圖3。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/188971.htm
采用多只LED并聯(lián)方式時(shí)，單只LED功率較小，并且產(chǎn)生的熱量相對(duì)分散，只要合理地安排LED，盡量增大印刷電路板履動(dòng)Cu面積，即可滿(mǎn)足散熱要求。
在采用大功率二極管時(shí)，本安電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)不是問(wèn)題，關(guān)鍵是二極管如何排列才能滿(mǎn)足采煤工作面的需要。
4．2 本質(zhì)安全電路的設(shè)計(jì)及二次散熱問(wèn)題
(1)LED是電流驅(qū)動(dòng)型元件，工作電流與電壓及發(fā)光效率呈線(xiàn)性關(guān)系，即工作電流越大，電壓越高，發(fā)光效率也越高，但超出額定工作電流將縮短LED壽命。圖4是某型號(hào)功率為1W的LED工作電壓和電流關(guān)系曲線(xiàn)，當(dāng)電壓從3．1 V升高到3．42V(額定工作電壓)時(shí)，電流變化達(dá)250 mA，變化率為781 mA／V，可以看出工作電流對(duì)電壓變化非常敏感，而電流變化直接影響LED的發(fā)光效率，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須是本質(zhì)安全型的并且要保持對(duì)LED的終端輸出為恒電流。
本安電路由煤礦井下照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置提供本裝置電源的額定電壓約為127V(+10％，一25％)的電源，隔爆兼本質(zhì)安全電源采用約127 V輸入，經(jīng)AC-DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流后提供給電源輸出板，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、限流、限壓等電路后輸出，該電路還有短路和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。輸入電壓約127 V／50 Hz，電壓在75％~110％內(nèi)波動(dòng)時(shí)，燈具能點(diǎn)亮，功能正常。燈具電源本安最高開(kāi)路電壓DCl8 V，本安最大輸出電流600 mA，本安電路如圖5所示。
(2)二次散熱問(wèn)題
對(duì)LED的散熱在封裝結(jié)構(gòu)上采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線(xiàn)路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘帖材料，用硅樹(shù)脂代替環(huán)氧樹(shù)脂。但LED照明燈的二次散熱仍然是當(dāng)前制作照明燈的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，可采取的措施就是將LED二極管固定在Al板或Al片上；然后再將Al板或Al片用導(dǎo)熱硅脂與外殼固定在一起，將LED二極管產(chǎn)生的熱量迅速地通過(guò)外殼散出去，實(shí)驗(yàn)證明，該效果極好，達(dá)到了發(fā)光及節(jié)能的要求。
5 LED光源在采煤工作面照明燈上應(yīng)用的特點(diǎn)
(1)安全性，本質(zhì)安全型LED照明燈所采用的電路為本質(zhì)安全型，同時(shí)由于LED使用壽命長(zhǎng)不需要頻繁地更換燈具，大大降低了煤礦工人井下照明維護(hù)引發(fā)安全事故的問(wèn)題。白熾燈泡的燈絲溫度高于2 000℃，而LED屬于冷光源，其發(fā)光的溫度只有60℃，在燈罩玻璃破碎時(shí)，不會(huì)引燃瓦斯發(fā)生爆炸。(2)節(jié)能性，LED的工作電流是白熾燈泡工作電流的1／3左右，節(jié)約了2／3的電能。 (3)LED作為采煤工作面照明燈的光源缺點(diǎn)主要有：一是成本高，一盞本質(zhì)安全型LED照明燈的價(jià)格是普通燈的幾倍；二是LED照明燈的照射面積比較小，光線(xiàn)會(huì)由于選擇的LED不同而出現(xiàn)不柔和、刺眼問(wèn)題，在井下使用時(shí)工人很不習(xí)慣。但這兩方面的問(wèn)題也有解決的辦法。對(duì)于價(jià)格高的問(wèn)題，僅從單價(jià)一方面看，如果對(duì)LED照明燈的綜合成本進(jìn)行分析，問(wèn)題就不是這樣。由于LED的使用壽命長(zhǎng)，不像其他礦燈那樣要經(jīng)常更換，而且LED的工作電流小從而大大節(jié)能，再有LED燈在使用過(guò)程中免維護(hù)，整體來(lái)說(shuō)LED照明燈的綜合成本還是比其他照明燈的成本低。對(duì)于光線(xiàn)刺眼的問(wèn)題，在LED的選用上可根據(jù)情況選用色溫低一些的。色溫高，光線(xiàn)刺眼就厲害。色溫在6 000 K以下，刺眼的感覺(jué)就明顯減輕，同時(shí)使用者也有一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程。
另外，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)燈罩的作用，即在標(biāo)準(zhǔn)燈罩內(nèi)壁加以經(jīng)專(zhuān)業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)的截光器，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)該截光器時(shí)，由于截光器的材質(zhì)為經(jīng)特殊角度設(shè)定的高反射率鋁質(zhì)表層，可以消除來(lái)自任何角度的眩光干攏，刺眼的光線(xiàn)不再射入眼睛，當(dāng)然保護(hù)眼；同時(shí)，光線(xiàn)也被該截光器導(dǎo)向?yàn)橛行У拇怪惫?，確保照射區(qū)域的柔和明亮。
6 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上的分析，對(duì)二極管的散熱及LED燈的二次散熱目前技術(shù)上是成熟的，對(duì)LED燈的本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)是可行的。目前國(guó)家和政府對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作極為重視，提倡企業(yè)研究開(kāi)發(fā)本質(zhì)安全型產(chǎn)品，因此井下照明燈中隔爆型或增安型燈具被本質(zhì)安全型燈具取代是一種趨勢(shì)，該產(chǎn)品的市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。
評(píng)論