基于光纤照明技术的新型矿灯的设计及实现*

谈卫 刘陈 郑重 侯珏 徐云路

(华中科技大学光电子科学与工程学院，武汉 430074;华中科技大学武汉光电国家实验室 (筹)，武汉 430074)

1 引言

近年来，我国煤矿安全事故频发，大多数是由于瓦斯接触电火花而引起的。经调查，其中又有相当部分是由矿工随身携带使用的矿灯引起的 (大概在30%左右)，主要原因有矿灯本身的设计存在缺陷，导线、电源等部分防绝缘材料不达标，引起电火花，接触瓦斯后引起爆炸［1，2］;另外还有稳定性差，寿命短，适用性差等多种不利。

光纤照明既是近年来光纤应用技术的新发展，也是照明技术的新宠。它有端点发光和体发光两种应用方式。对于前者，其基本原理是通过聚光装置把光源发出的光耦合进塑料光纤中，通过光纤对光进行传输，再用一定的二次配光系统变换成符合具体照明环境要求的光。塑料光纤具有不导电、不发热、材质柔软、可弯曲等优点，因而在工业、科研中得到广泛应用［3］。

针对传统矿灯的这些缺陷和对照明技术的发展趋势的综合分析，本文提出了一种基于光纤照明技术［4］的新型光纤-LED矿灯设计方案并实现了其原理样灯，在供能电源盒端采用与驱动电路一体化设计的高效率发光二极管 (LED)光源，利用灵活性好、传输效率高、价格合理的塑料光纤耦合输出光，并传送至矿工帽端的无源照明灯具，实现矿工照明灯。这种方案一方面巧妙地将照明光源电路与照明灯具分离，克服了传统矿灯易漏电的弊端;另一方面传输光纤及照明灯具体积小、重量轻，克服了传统矿灯舒适性差的缺陷。该设计是光纤照明技术在矿灯设计上的具体应用，具有十分广阔的应用价值，同时具有十分重要的社会意义。

2 系统框架设计

图1显示了新型矿灯的整体结构。从外形结构上看，该矿灯由防爆盒、传输光纤和照明灯具三部分构成。从功能技术上看，该矿灯由供电电路、光纤-LED耦合装置、传输光纤和灯具二次配光系统四部分组成，供电电路包含锂电池充电电路、LED驱动电路和控制电路。与传统LED矿灯不同，本设计将锂电池、充电电路、驱动电路及光纤-LED耦合装置集中置于防爆盒内，防爆盒外部分只进行光的传输和二次变换，实现了照明光源与照明灯具分离的创新设计、照明光源与驱动电路一体化的创新设计。下面就电路部分、光纤-LED耦合装置、传输光纤、灯具二次配光系统4个部分分别予以介绍。

图1 新型光纤-LED矿灯原理图

3 详细设计

3.1 电路部分的设计

按照2004年国家发展和改革委员会颁布的 《中华人民共和国煤炭行业标准—KL型矿灯》，蓄电池容量在13Ah时，LED额定电压3.7V，功率应不小于0.4W，距离灯头1m处最大照度在电灯开始时大于1400lx，11h之后大于900lx。锂电池具有体积小、重量轻、能量比高、寿命长、无污染等优点［4］，故本设计选用锂电池 (组)作为蓄电池。目前，白光LED工作电压在3V至4V之间，额定电压3.6V［5］，符合国家标准，同时为满足照度要求，本设计选择多只LED并联。为保证矿灯光照度大于1000lx时光通量不低于 25lm［5］，总光通量应考虑20%左右的富裕量。本光纤-LED锂电池矿灯选用三只1W白光LED单体为光源，单个LED工作电压3.1V至3.7V，工作电流350mA。电路部分采用1块充电电路板给大容量锂电池 (组)充电，锂电池给驱动板供电，再驱动三只1W LED并接受控制电路的控制，总体框图如图2。

图2 新型矿灯电路部分总体框图

(1)驱动电路

LED的亮度正比于驱动电流，故稳定的照明要求采用恒流驱动的方式［6］。本设计是基于凌特公司生产的LTC3215芯片的电路，如图3(a)所示。LTC3215是专门用于驱动大功率LED的芯片，它具有2.9～4.4V的宽电压输入范围，与现在比较流行的锂电池输入电压相匹配，脉冲输出电流最大可达700mA，连续输出电流最大350mA，静态功耗低至2.5uA，LED开路、短路保护和过热保护的特点［7］。可以通过编程电阻Rset精确设定芯片输出电流，输出电流与电阻关系为I=3990/R(R单位 kΩ，I单位mA)，LED工作电流为 350mA，计算 Rset=11.4kΩ，取标准值11.5kΩ。本驱动电路的特点是可实现恒流输出、工作稳定、且具有高达90%的效率，而且外围器件少，电路简单。

图3 1WLED的驱动电路 (a);锂电池的充电电路 (b)

(2)充电电路

锂电池充电电路采用凌特公司的LTC4059芯片设计的电路，如图3(b)所示。LTC4059是一款专门用于锂电池充电的智能芯片，能适应3.75V～8V的输入电压变化，能够根据充电电池的电压，自动选择涡旋充电，恒流充电，恒压充电等模式，最大充电电流可达900mA，静态功耗低至10uA。可以通过编程电阻 RPROG设定充电电流，关系式为 IBAT=1000×VPROG/RPROG，式中 VPROG=1.21V，IBAT=900mA时，RPROG=1.34KΩ。本充电电路的特点是:外围元器件非常少，简单方便;输入电压3.75V～8V，便于利用常用的5VDC电压供电，在此电路基础上还可增加充电提示与告警电路。

(3)控制电路

控制电路的主要功能是实现在三盏灯全亮、1(或2)盏灯亮、三盏灯全灭的切换，即矿灯标准中规定的主辅灯的功能。控制电路的实现方法多种多样，本文给出一种利用四刀双掷 (4P2T)开关设计的控制电路，如图4。图中标有①③③的部件代表相应编号的驱动电路和LED的串联整体，黑白圆圈代表开关引脚。

图4 新型矿灯的控制电路

3.2 光纤-LED耦合装置的设计

新型矿灯的设计在体现其安全性的同时，也要关注其整体能量利用率的高低，而能量利用率主要体现在LED单体发出的光耦合进光纤的效率。这里设计了特殊的光纤-LED耦合装置以提高光耦合效率，其基本结构由金属底座、反光碗、透镜、卡槽、和固定螺栓组成，光纤一端伸入卡槽 (图5(a))，LED单体置于金属底座上 (图5(b))。三个 LED单体成“品”字形结构排列于金属底座上，通过固定螺栓固定;为了提高耦合效率，每个LED金属基热沉上安装反光碗，LED芯片位于反光碗焦点位置，反光碗与LED芯片均位于卡槽内部，透镜置于反光碗上，通过反光碗与卡槽内壁固定，卡槽直径与光纤直径相同，光纤穿过卡槽，其前端面位于透镜焦点。其中，反光碗用于收集LED芯片发出的光线并对其进行准直，透镜将准直后的近似平行光聚焦进光纤［8］，以提高耦合效率，卡槽与螺栓共同起固定作用并使光纤与LED单体达到同轴连接的效果。

图5 光纤-LED耦合装置 (a);LED排列图 (b)

利用光学模拟软件 TracePro，对矿灯中单个光纤-LED耦合装置进行了模拟仿真。将此部分三维模型导入TracePro，建立配光模型，定义各表面属性和LED芯片各表面光通量等参数，即可进行模拟仿真。设置LED芯片为1mm×1mm×0.1mm的大小，除背面外其余5面均为琅勃光源，设置发光面总出射光线为50000条，总光通量为90lm(按面积分配至芯片每一表面)，反光碗内表面为全反镜。图6为光线追踪结果［9］。从图中可看，带有反光碗和透镜的LED发射出的光大部分都能进入光纤传输，只有少部分发散出去，因而具有很高的耦合效率。

图6 耦合部分光线追踪图

3.3 传输光纤

防爆盒中出射的照明光需经光纤传至灯头部分，要求光纤具有高的收光能力、低的损耗、适合与光源耦合的直径和较好的可弯曲性，以实现照明光的柔性传输。本设计选择塑料光纤 (POF)，利用其芯径大、柔韧性好、数值孔径大、可塑性强、重量轻、价格低廉等优点［10，11］，提高光耦合效率的同时，加强了矿灯的实用性、经济性。每个LED单体分别用一根光纤经过光纤-LED耦合装置进行耦合，三条光纤捆绑并列从防爆盒内引导照明光至灯头，由灯头配光系统进行二次处理，使出射光斑大小合适，照度均匀。光纤的收光能力由其数值孔径 (NA)和芯径 (a)决定，NA和芯径越大，收光能力越强，光耦合效率越高;光纤的传光性能有其损耗特性决定。芯径的选择需考虑所选LED单体直径的大小，对于1mm×1mm×0.1mm左右的LED单体，可以选择直径为3mm，NA为0.5的塑料光纤。

3.4 灯具二次配光系统的设计

矿灯的照明质量主要体现在光斑大小、照度均匀度［12］和系统光利用效率等方面，一般要求光斑半径在120mm左右、照度较均匀，光利用率高则有利于省电。本设计中，照明光经三根塑料光纤传导至灯具部分，根据θ=arcsin(NA)［3］计算得，光纤输出的光线的发散全角为2θ=60°(NA=0.5)，在距离灯具一米处光斑半径达≈0.58m，此时光斑大小和照度均不合要求。因此，必须设计配光系统对出射光线进行处理，使光斑大小合适，照度均匀。这里采用锥形反光腔和菲涅尔透镜的组合作为配光系统，光纤出射端面置于透镜焦点处，并设计了机械螺旋装置来控制透镜与光纤出射端面的距离，进而调节光斑大小。与传统矿灯相比，本设计灯具不含驱动电路和光源，因而可以使灯具体积更小、重量更轻。

图7给出了此种组合的示意图 (a)和利用TracePro仿真得出的距光纤出射端面1m处的测试面上的照度图 (b)。其中，锥形腔底部小孔半径1.5mm，顶部半径10.5mm，腔长为15mm，菲涅尔透镜采用 PMMA材料制作，口径21mm，厚度1.5mm，环距0.5mm，其余设置同耦合部分。若定义光斑半径为光斑内照度值不小于中心照度值20%的区域的半径，定义光利用效率为测试面接收到的光通量与LED芯片发出的光通量之比，则上面的仿真结果为:光利用效率为42.94%，光斑半径约为140mm，照度较均匀，基本符合对矿灯照明质量的要求。

图7 锥形反光腔加菲涅尔透镜作为灯具配光系统时的示意图 (a)和照度图 (b)

最后，图8给出了本设计的原理性实物样灯。

图8 新型矿灯的原理性样灯

4 结论

本设计将光纤照明技术应用于矿灯的设计，获得了传统矿灯所没有的一些突出优点。将所有与电相关的“有源”LED光源及供电电路和与电无关的“无源”光纤照明灯具隔离分置，将供电电池、LED驱动电路全部封装在防爆盒中，实现带电部分封闭处理，这种照明光源与照明灯具分离的设计和照明光源与驱动电路一体化的设计有效地防止了各种潜在的漏电风险，保证了光源的稳定性，从而克服了传统矿灯不可避免的安全隐患。同时，灯具二次配光系统的创新设计，缩小了传统矿灯照明灯具的体积，减轻了质量，使矿工作业更舒适。这种新型矿灯代表了未来矿井灯的发展方向，属于新一代矿井作业照明工具。

［1］刘宏儒.新型LED锂电矿灯给煤矿安全带来的隐患［J］.煤矿安全，2007，(01).

［2］何瑞科，马新尚.新型节能矿灯——锂电池 LED矿灯［J］.陕西煤炭，2006(04).

［3］刘德明，孙军强，鲁平，严敏.光纤光学 ［M］.北京:科学出版社，2008:22～22.

［4］庚晋，徐晓星.发展中的光纤照明技术 ［J］.光机电信息，2003(02).

［5］臧财运.LED在矿灯应用的技术探讨 ［J］.煤矿机电，2004，(05).

［6］黄建华，侯建国，史斌宁，舒俊波.一种节能型LED驱动电路的设计 ［J］.照明工程学报，2008，19(3).

［7］于毅诚.大电流白色 LED驱动器 LTC3215［J］.电子世界，2005，(12).

［8］高伟霞，孙长伟，常晶晶，于荣金.光纤太阳光照明系统中聚光装置的设计 ［J］.应用光学，2008，29(5).

［9］胡海蕾，赖爱光，谢树森.基于道路照明的LED阵列光照度分布研究 ［J］.照明工程学报，2009，20(1).

［10］刘天山.塑料光纤 (POF)的发展及其应用 ［J］.应用光学，2004，25(3):5～8.

［11］江源.端发光聚合物光纤在照明装饰上的应用 ［J］.中国照明电器，2005(08).

［12］陈强，江源，潘贤.聚合物光纤照明用灯头设计 ［J］.玻璃纤维，2006(01).