LED光源在礦井工作面照明燈中的應用

1 LED技術(shù)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(wú)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(cháng)的特點(diǎn)，可大大降低井下燈具的維護次數，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(jiàn)光的半導體元件，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節能燈三基色發(fā)光的原理，采用pn結載流子復合發(fā)光，是一種冷光源，無(wú)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，其功耗僅為傳統白熾燈的30％，能有效地節約能源。

2 散熱的必要性
圖1為某型號礦用白光LED ta=25℃時(shí)的光譜分析圖。

有關(guān)資料顯示，當溫度超過(guò)一定值，器件的失效率將呈指數規律攀升，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(zhù)pn結的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長(cháng)將發(fā)生紅移。從圖1可以看出：在100℃下。波長(cháng)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(huì )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(huì )相應地減少l％左右。當多個(gè)LED密度排列組成白光照明系統時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更嚴重，因此解決散熱問(wèn)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(shí)散出，保持pn結的結溫在允許范圍內，將無(wú)法獲得穩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進(jìn)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(kāi)發(fā)了多種結構，主要有硅基倒裝芯片(FCLED)結構、基于金屬線(xiàn)路板結構、微泵浦結構三種類(lèi)型；(2)封裝材料。封裝結構確定后，通過(guò)選取不同的材料進(jìn)一步降低系統的熱阻，提高系統的導熱性能。目前國內外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進(jìn)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(guò)優(yōu)化MCPCB板的熱設計、或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷(LTCC2M)基板，以獲得熱導性能好、熱膨脹系數小的襯底。
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?chē)h(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(fēng)扇和回路熱管等強制制冷。無(wú)論從成本還是外觀(guān)的角度來(lái)看，LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根據能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉化成振動(dòng)方式直接消耗熱能將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)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(gè)熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內部熱沉熱阻、內部熱沉到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(gè)熱沉都會(huì )對傳熱造成一定的阻礙。因此，減少內部熱沉數量，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(shù)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(guān)系
采用盡量短的散熱通道。越長(cháng)的散熱通道，熱阻就越大，出現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(guān)鍵技術(shù)