基于光纖照明技術(shù)的新型礦燈的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)*

談衛(wèi) 劉陳 鄭重 侯玨 徐云路

(華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室 (籌)，武漢 430074)

1 引言

近年來，我國煤礦安全事故頻發(fā)，大多數(shù)是由于瓦斯接觸電火花而引起的。經(jīng)調(diào)查，其中又有相當(dāng)部分是由礦工隨身攜帶使用的礦燈引起的 (大概在30%左右)，主要原因有礦燈本身的設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)線、電源等部分防絕緣材料不達(dá)標(biāo)，引起電火花，接觸瓦斯后引起爆炸［1，2］;另外還有穩(wěn)定性差，壽命短，適用性差等多種不利。

光纖照明既是近年來光纖應(yīng)用技術(shù)的新發(fā)展，也是照明技術(shù)的新寵。它有端點(diǎn)發(fā)光和體發(fā)光兩種應(yīng)用方式。對于前者，其基本原理是通過聚光裝置把光源發(fā)出的光耦合進(jìn)塑料光纖中，通過光纖對光進(jìn)行傳輸，再用一定的二次配光系統(tǒng)變換成符合具體照明環(huán)境要求的光。塑料光纖具有不導(dǎo)電、不發(fā)熱、材質(zhì)柔軟、可彎曲等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)、科研中得到廣泛應(yīng)用［3］。

針對傳統(tǒng)礦燈的這些缺陷和對照明技術(shù)的發(fā)展趨勢的綜合分析，本文提出了一種基于光纖照明技術(shù)［4］的新型光纖-LED礦燈設(shè)計方案并實(shí)現(xiàn)了其原理樣燈，在供能電源盒端采用與驅(qū)動電路一體化設(shè)計的高效率發(fā)光二極管 (LED)光源，利用靈活性好、傳輸效率高、價格合理的塑料光纖耦合輸出光，并傳送至礦工帽端的無源照明燈具，實(shí)現(xiàn)礦工照明燈。這種方案一方面巧妙地將照明光源電路與照明燈具分離，克服了傳統(tǒng)礦燈易漏電的弊端;另一方面?zhèn)鬏敼饫w及照明燈具體積小、重量輕，克服了傳統(tǒng)礦燈舒適性差的缺陷。該設(shè)計是光纖照明技術(shù)在礦燈設(shè)計上的具體應(yīng)用，具有十分廣闊的應(yīng)用價值，同時具有十分重要的社會意義。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

圖1顯示了新型礦燈的整體結(jié)構(gòu)。從外形結(jié)構(gòu)上看，該礦燈由防爆盒、傳輸光纖和照明燈具三部分構(gòu)成。從功能技術(shù)上看，該礦燈由供電電路、光纖-LED耦合裝置、傳輸光纖和燈具二次配光系統(tǒng)四部分組成，供電電路包含鋰電池充電電路、LED驅(qū)動電路和控制電路。與傳統(tǒng)LED礦燈不同，本設(shè)計將鋰電池、充電電路、驅(qū)動電路及光纖-LED耦合裝置集中置于防爆盒內(nèi)，防爆盒外部分只進(jìn)行光的傳輸和二次變換，實(shí)現(xiàn)了照明光源與照明燈具分離的創(chuàng)新設(shè)計、照明光源與驅(qū)動電路一體化的創(chuàng)新設(shè)計。下面就電路部分、光纖-LED耦合裝置、傳輸光纖、燈具二次配光系統(tǒng)4個部分分別予以介紹。

圖1 新型光纖-LED礦燈原理圖

3 詳細(xì)設(shè)計

3.1 電路部分的設(shè)計

按照2004年國家發(fā)展和改革委員會頒布的 《中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—KL型礦燈》，蓄電池容量在13Ah時，LED額定電壓3.7V，功率應(yīng)不小于0.4W，距離燈頭1m處最大照度在電燈開始時大于1400lx，11h之后大于900lx。鋰電池具有體積小、重量輕、能量比高、壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)［4］，故本設(shè)計選用鋰電池 (組)作為蓄電池。目前，白光LED工作電壓在3V至4V之間，額定電壓3.6V［5］，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，同時為滿足照度要求，本設(shè)計選擇多只LED并聯(lián)。為保證礦燈光照度大于1000lx時光通量不低于 25lm［5］，總光通量應(yīng)考慮20%左右的富裕量。本光纖-LED鋰電池礦燈選用三只1W白光LED單體為光源，單個LED工作電壓3.1V至3.7V，工作電流350mA。電路部分采用1塊充電電路板給大容量鋰電池 (組)充電，鋰電池給驅(qū)動板供電，再驅(qū)動三只1W LED并接受控制電路的控制，總體框圖如圖2。

圖2 新型礦燈電路部分總體框圖

(1)驅(qū)動電路

LED的亮度正比于驅(qū)動電流，故穩(wěn)定的照明要求采用恒流驅(qū)動的方式［6］。本設(shè)計是基于凌特公司生產(chǎn)的LTC3215芯片的電路，如圖3(a)所示。LTC3215是專門用于驅(qū)動大功率LED的芯片，它具有2.9～4.4V的寬電壓輸入范圍，與現(xiàn)在比較流行的鋰電池輸入電壓相匹配，脈沖輸出電流最大可達(dá)700mA，連續(xù)輸出電流最大350mA，靜態(tài)功耗低至2.5uA，LED開路、短路保護(hù)和過熱保護(hù)的特點(diǎn)［7］。可以通過編程電阻Rset精確設(shè)定芯片輸出電流，輸出電流與電阻關(guān)系為I=3990/R(R單位 kΩ，I單位mA)，LED工作電流為 350mA，計算 Rset=11.4kΩ，取標(biāo)準(zhǔn)值11.5kΩ。本驅(qū)動電路的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)恒流輸出、工作穩(wěn)定、且具有高達(dá)90%的效率，而且外圍器件少，電路簡單。

圖3 1WLED的驅(qū)動電路 (a);鋰電池的充電電路 (b)

(2)充電電路

鋰電池充電電路采用凌特公司的LTC4059芯片設(shè)計的電路，如圖3(b)所示。LTC4059是一款專門用于鋰電池充電的智能芯片，能適應(yīng)3.75V～8V的輸入電壓變化，能夠根據(jù)充電電池的電壓，自動選擇渦旋充電，恒流充電，恒壓充電等模式，最大充電電流可達(dá)900mA，靜態(tài)功耗低至10uA。可以通過編程電阻 RPROG設(shè)定充電電流，關(guān)系式為 IBAT=1000×VPROG/RPROG，式中 VPROG=1.21V，IBAT=900mA時，RPROG=1.34KΩ。本充電電路的特點(diǎn)是:外圍元器件非常少，簡單方便;輸入電壓3.75V～8V，便于利用常用的5VDC電壓供電，在此電路基礎(chǔ)上還可增加充電提示與告警電路。

(3)控制電路

控制電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)在三盞燈全亮、1(或2)盞燈亮、三盞燈全滅的切換，即礦燈標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的主輔燈的功能。控制電路的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，本文給出一種利用四刀雙擲 (4P2T)開關(guān)設(shè)計的控制電路，如圖4。圖中標(biāo)有①③③的部件代表相應(yīng)編號的驅(qū)動電路和LED的串聯(lián)整體，黑白圓圈代表開關(guān)引腳。

圖4 新型礦燈的控制電路

3.2 光纖-LED耦合裝置的設(shè)計

新型礦燈的設(shè)計在體現(xiàn)其安全性的同時，也要關(guān)注其整體能量利用率的高低，而能量利用率主要體現(xiàn)在LED單體發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖的效率。這里設(shè)計了特殊的光纖-LED耦合裝置以提高光耦合效率，其基本結(jié)構(gòu)由金屬底座、反光碗、透鏡、卡槽、和固定螺栓組成，光纖一端伸入卡槽 (圖5(a))，LED單體置于金屬底座上 (圖5(b))。三個 LED單體成“品”字形結(jié)構(gòu)排列于金屬底座上，通過固定螺栓固定;為了提高耦合效率，每個LED金屬基熱沉上安裝反光碗，LED芯片位于反光碗焦點(diǎn)位置，反光碗與LED芯片均位于卡槽內(nèi)部，透鏡置于反光碗上，通過反光碗與卡槽內(nèi)壁固定，卡槽直徑與光纖直徑相同，光纖穿過卡槽，其前端面位于透鏡焦點(diǎn)。其中，反光碗用于收集LED芯片發(fā)出的光線并對其進(jìn)行準(zhǔn)直，透鏡將準(zhǔn)直后的近似平行光聚焦進(jìn)光纖［8］，以提高耦合效率，卡槽與螺栓共同起固定作用并使光纖與LED單體達(dá)到同軸連接的效果。

圖5 光纖-LED耦合裝置 (a);LED排列圖 (b)

利用光學(xué)模擬軟件 TracePro，對礦燈中單個光纖-LED耦合裝置進(jìn)行了模擬仿真。將此部分三維模型導(dǎo)入TracePro，建立配光模型，定義各表面屬性和LED芯片各表面光通量等參數(shù)，即可進(jìn)行模擬仿真。設(shè)置LED芯片為1mm×1mm×0.1mm的大小，除背面外其余5面均為瑯勃光源，設(shè)置發(fā)光面總出射光線為50000條，總光通量為90lm(按面積分配至芯片每一表面)，反光碗內(nèi)表面為全反鏡。圖6為光線追蹤結(jié)果［9］。從圖中可看，帶有反光碗和透鏡的LED發(fā)射出的光大部分都能進(jìn)入光纖傳輸，只有少部分發(fā)散出去，因而具有很高的耦合效率。

圖6 耦合部分光線追蹤圖

3.3 傳輸光纖

防爆盒中出射的照明光需經(jīng)光纖傳至燈頭部分，要求光纖具有高的收光能力、低的損耗、適合與光源耦合的直徑和較好的可彎曲性，以實(shí)現(xiàn)照明光的柔性傳輸。本設(shè)計選擇塑料光纖 (POF)，利用其芯徑大、柔韌性好、數(shù)值孔徑大、可塑性強(qiáng)、重量輕、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)［10，11］，提高光耦合效率的同時，加強(qiáng)了礦燈的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。每個LED單體分別用一根光纖經(jīng)過光纖-LED耦合裝置進(jìn)行耦合，三條光纖捆綁并列從防爆盒內(nèi)引導(dǎo)照明光至燈頭，由燈頭配光系統(tǒng)進(jìn)行二次處理，使出射光斑大小合適，照度均勻。光纖的收光能力由其數(shù)值孔徑 (NA)和芯徑 (a)決定，NA和芯徑越大，收光能力越強(qiáng)，光耦合效率越高;光纖的傳光性能有其損耗特性決定。芯徑的選擇需考慮所選LED單體直徑的大小，對于1mm×1mm×0.1mm左右的LED單體，可以選擇直徑為3mm，NA為0.5的塑料光纖。

3.4 燈具二次配光系統(tǒng)的設(shè)計

礦燈的照明質(zhì)量主要體現(xiàn)在光斑大小、照度均勻度［12］和系統(tǒng)光利用效率等方面，一般要求光斑半徑在120mm左右、照度較均勻，光利用率高則有利于省電。本設(shè)計中，照明光經(jīng)三根塑料光纖傳導(dǎo)至燈具部分，根據(jù)θ=arcsin(NA)［3］計算得，光纖輸出的光線的發(fā)散全角為2θ=60°(NA=0.5)，在距離燈具一米處光斑半徑達(dá)≈0.58m，此時光斑大小和照度均不合要求。因此，必須設(shè)計配光系統(tǒng)對出射光線進(jìn)行處理，使光斑大小合適，照度均勻。這里采用錐形反光腔和菲涅爾透鏡的組合作為配光系統(tǒng)，光纖出射端面置于透鏡焦點(diǎn)處，并設(shè)計了機(jī)械螺旋裝置來控制透鏡與光纖出射端面的距離，進(jìn)而調(diào)節(jié)光斑大小。與傳統(tǒng)礦燈相比，本設(shè)計燈具不含驅(qū)動電路和光源，因而可以使燈具體積更小、重量更輕。

圖7給出了此種組合的示意圖 (a)和利用TracePro仿真得出的距光纖出射端面1m處的測試面上的照度圖 (b)。其中，錐形腔底部小孔半徑1.5mm，頂部半徑10.5mm，腔長為15mm，菲涅爾透鏡采用 PMMA材料制作，口徑21mm，厚度1.5mm，環(huán)距0.5mm，其余設(shè)置同耦合部分。若定義光斑半徑為光斑內(nèi)照度值不小于中心照度值20%的區(qū)域的半徑，定義光利用效率為測試面接收到的光通量與LED芯片發(fā)出的光通量之比，則上面的仿真結(jié)果為:光利用效率為42.94%，光斑半徑約為140mm，照度較均勻，基本符合對礦燈照明質(zhì)量的要求。

圖7 錐形反光腔加菲涅爾透鏡作為燈具配光系統(tǒng)時的示意圖 (a)和照度圖 (b)

最后，圖8給出了本設(shè)計的原理性實(shí)物樣燈。

圖8 新型礦燈的原理性樣燈

4 結(jié)論

本設(shè)計將光纖照明技術(shù)應(yīng)用于礦燈的設(shè)計，獲得了傳統(tǒng)礦燈所沒有的一些突出優(yōu)點(diǎn)。將所有與電相關(guān)的“有源”LED光源及供電電路和與電無關(guān)的“無源”光纖照明燈具隔離分置，將供電電池、LED驅(qū)動電路全部封裝在防爆盒中，實(shí)現(xiàn)帶電部分封閉處理，這種照明光源與照明燈具分離的設(shè)計和照明光源與驅(qū)動電路一體化的設(shè)計有效地防止了各種潛在的漏電風(fēng)險，保證了光源的穩(wěn)定性，從而克服了傳統(tǒng)礦燈不可避免的安全隱患。同時，燈具二次配光系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計，縮小了傳統(tǒng)礦燈照明燈具的體積，減輕了質(zhì)量，使礦工作業(yè)更舒適。這種新型礦燈代表了未來礦井燈的發(fā)展方向，屬于新一代礦井作業(yè)照明工具。

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