CN200993318Y - 大功率led光源矿用帽灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大功率LED光源矿用帽灯，灯头通过矿缆与电池盒连接，光源模组安装在线路板模块上，光源模组的周围为反射碗，反射碗的前口与出光透镜连接，线路板模块的中心设置有LED主光源芯片，在LED主光源的四周设置有LED辅助白光光源芯片和LED辅助红光光源芯片，主光源芯片位于辅助光源所组成圆周的圆心位置，辅助光源芯片之间相互并联，主光源芯片与辅助光源芯片共用一个负极，主光源芯片与辅助光源芯片的开启与关闭通过控制开关实现与电源的切换。该矿用帽灯连续工作时间长、照度大，光线集中、寿命长、安全可靠、节省能源、性能佳、功能全，尤其适应于易燃易爆环境中的安全照明及抢险救灾等照明。

Description

大功率LED光源矿用帽灯

技术领域

本实用新型涉及矿用灯具，尤其涉及采用高亮度的发光二极管(LED)作为照明光源的大功率LED光源矿用帽灯，属于半导体照明技术领域。

背景技术

近年来，为了减小矿用帽灯的体积和重量，采用锂离子电池作为电源为其供电。在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路，可以保护锂离子电池，而且在开灯、关灯甚至外部短路时，都不会产生火花，实现了安全工作。

但在实际应用过程中，暴露了许多较严重的问题。首先，锂离子电池的安全性较差，尽管加入了保护电路，但是仍出现了电池组燃烧和爆炸的严重事故。另外，矿灯改用锂离子电池后，原有的充电架不能对锂电池矿灯充电，矿山必须更换充电架，造成巨大的资源浪费。其次，由于锂离子电池价格较高，矿灯采用的8Ah锂电池组价格在130元左右，矿灯的零售价为250多元，是铅酸电池矿灯的3～4倍。因此给广泛普及应用带来了难度。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种以体积小、寿命长、发光效率高、可靠性佳、可控性良好的高亮度发光二极管(LED)作为照明光源的大功率LED光源矿用帽灯，适合在煤矿井下、隧道工程及其它需要长时间、高强度照明的恶劣环境下使用。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

大功率LED光源矿用帽灯，包括灯头、矿缆、电池和电池盒，电池置于电池盒内，灯头通过矿缆与电池盒连接，所述灯头包括光源模组、线路板模块、反射碗、出光透镜及壳体，光源模组安装在线路板模块上，光源模组的周围为反射碗，反射碗的前口与出光透镜连接，其特征在于：所述线路板模块的中心设置有LED主光源芯片，在LED主光源的四周设置有LED辅助白光光源芯片和LED辅助红光光源芯片，LED主光源芯片位于LED辅助光源所组成的圆周圆心位置，LED辅助光源芯片之间相互并联，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片共用一个负极，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片的开启与关闭通过控制开关实现与电源的切换。

进一步地，上述的大功率LED光源矿用帽灯，所述LED辅助白光光源芯片为3颗，所述LED辅助红光光源芯片也为3颗。

更进一步地，上述的大功率LED光源矿用帽灯，所述线路板模块包括表层、中间层和底层，表层上排列有圆形阵点，每个阵点内设置有LED晶粒，在表层与中间层的接触面并对应于每个阵点位置设有焊盘，LED晶粒固定在焊盘上，LED晶粒的外表面涂有保护胶，其周围为反射碗；在底层上安装有控制驱动电路及元件，底层电路板底面设有散热器，中间涂敷导热胶。

更进一步地，上述的大功率LED光源矿用帽灯，反射碗呈圆形或者锥形，其内壁镀有金属镍或银或其它合金材料。所述线路板模块上设置有横向通孔；所述通孔的内部填充有金属铜或者导热材料。所述LED晶粒外表面涂的保护胶为硅胶或者环氧树脂胶。

再进一步地，上述的大功率LED光源矿用帽灯，所述壳体的材质为铝质或者合金材料，壳体内腔的底部呈平面结构。

再进一步地，上述的大功率LED光源矿用帽灯，所述电池为钴酸锂电池，在单体电池之间设置有保护电阻和通气阀，在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路。

本实用新型技术方案的实质性特点和进步主要体现在：

①安全性、可靠性高，由于LED为冷光源，不会产生电火花，确保矿用帽灯在可燃烧气体环境下使用安全，同时具有过电压、过电流保护功能，使用更为可靠；灯头与蓄电池为一体化结构，具有全封闭、防水、防爆性能；

②本实用新型设置主灯和辅灯，主灯不工作时可起动辅灯工作，当主灯超出工作时间或发生意外时，可起动辅灯超常时间工作，为保证生产、实施救护赢得充分时间；

③节能、环保，采用大功率LED光源、锂离子电池为电源，耗电量小，在保证光照强度的前提下，满足矿灯要求的LED照明光源工作电流约为350～700mA，可节约70％～50％的电能，充电电流远远小于铅酸电池矿灯；摒弃了传统酸碱矿灯的酸碱溶液，有效地保护了人身不受侵害、设备不受腐蚀、环境不受污梁，是理想的绿色环保型照明灯具；

④质量轻、体积小、经久耐用免维护、亮灯时间长，质量≤450g，比传统酸碱矿灯减少了90％，有效降低了井下工人的劳动强度，亮灯时间达11h以上，使用效率高。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型的结构示意图；

图2：本实用新型的灯头的结构剖视图；

图3：本实用新型的电路图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	表层	2	中间层	3	底层

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						4	通孔	5	LED晶粒	6	保护胶
7	反射碗	8	出光透镜	9	散热器
						10	壳体	11	灯头	12	矿缆
13	开关	14	控制板	15	电池盒
						16	电池

具体实施方式

本实用新型提供一种以体积小、寿命长、发光效率高、可靠性佳、可控性良好的高亮度发光二极管(LED)作为照明光源的大功率LED光源矿用帽灯，实现了矿灯革命化的飞跃，满足矿灯要求的LED照明光源工作电流约为200～350mA，仅为目前矿灯用白炽灯泡工作电流的30％～50％，不仅可以节约70％～50％的电能，更重要的是可以选用容量更小的蓄电池。满足11小时照明要求的电池容量可由8Ah减小到4Ah。另外，在帽灯内部加入充放电控制和保护系统，使其能够利用现有的充电架充电，节省投资，并且还提高了矿灯的安全性能。LED是发光效率最高的器件，在工作过程中其最高温度仅为60度左右，而瓦斯爆炸时所需要的温度最低在400℃以上，LED冷光源不会引起井下任何可燃性气体产生爆炸，因此，选用LED冷光源作为矿灯光源是绝对安全的。

如图1所示，大功率LED光源矿用帽灯，包括灯头11、矿缆12、控制板14、电池16和电池盒15，电池16置于电池盒15内，灯头11通过矿缆12与电池盒15连接，灯头包括光源模组、线路板模块、反射碗7、出光透镜8及壳体10，光源模组安装在线路板模块上，光源模组的周围为反射碗7，反射碗7的前口与出光透镜8连接，线路板模块的中心设置有LED主光源芯片，在LED主光源的四周设置有3颗LED辅助白光光源芯片和3颗LED辅助红光光源芯片，LED主光源芯片位于LED辅助光源所组成的圆周圆心位置，LED辅助光源芯片之间相互并联，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片共用一个负极，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片的开启与关闭通过控制开关13实现与电源的切换。电池16为钴酸锂电池，在单体电池之间设置有保护电阻和通气阀，在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路。

如图2所示的灯头结构，线路板模块包括表层1、中间层2和底层3，表层1上排列有圆形阵点，每个阵点内设置有LED晶粒5，在表层1与中间层2的接触面并对应于每个阵点位置设有焊盘，LED晶粒5固定在焊盘上，LED晶粒的外表面涂有保护胶6，保护胶6优选硅胶或者环氧树脂胶，其周围为反射碗7，反射碗7呈圆形或者锥形，其内壁镀有金属镍或银或其它合金材料；在底层3上安装有控制驱动电路及元件，底层电路板底面设有散热器9，中间涂敷导热胶。线路板上设置有横向通孔4；通孔4的内部填充有金属铜或者导热材料。壳体10的材质为铝质或者合金材料，壳体内腔的底部呈平面结构。

本实用新型的电路原理如图3所示，该电路主要由锂电池保护专用集成电路IC11，充、放电控制MOSFET1(内含两只N沟道MOSFET)等部分组成，单体锂电池接在BT+和BT-之间，电池组从P+和P-输出电压。充电时，充电器输出电压接在P+和P-之间，电流从P+到单体电池的B+和B-，再经过充电控制MOSFET到P-。在充电过程中，当单体电池的电压超过4.2V时，专用集成电路IC11的3脚输出信号使充电控制MOSFET关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。放电过程中，当单体电池的电压降到2.7V时，IC11的2脚输出信号使放电控制MOSFET关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，IC11的4脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通压降剧增，4脚电压迅速升高，IC11输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护。

LED照明光源具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点，本实用新型将LED晶粒直接封装于线路板上，实现固定发光晶粒、连接线路和散热的目的。光源由一组白光主光源和两组辅助光源组成，两组辅助光源由一组白光和红光光源组成，根据需求可用多颗LED组合使用，也可单颗1～3w的LED独立组成光源，为确保安全工作、减小体积，可加星形散热器，散热器由铝板制成，将阴极引线与散热器连在一起，这样可以有效地散去LED光源产生的热量。灯头11通过矿缆12与电池盒15连接，当出现紧急情况时，使用人员打开开关按钮13，控制电路会启动辅助红光光源，发出红光告警；在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路，不仅保护了锂离子电池，而且在开灯、关灯甚至外部短路时，都不会产生火花，实现了本质上的安全工作。

线路板模块可以为三层或更多层板结构，其中表层部分1为出光传热层，表层均匀制作若干个圆形或椭圆形状的碗杯，碗壁镀银、镍等金属进行反光和传热；表层带有反射碗，碗底与中间层的线路有导热接触。中间层部分的线路起固定晶粒和焊接金属连接线作用。中间层2为晶粒粘贴层，晶粒利用银胶、铟金或其它合金固定于碗杯底部区域正中部位，通过金属丝与线路进行电气连接。芯片工作时所产生的热量通过镀有金属的碗杯和晶粒固定的焊盘过孔传出。中间层线路与表层及底层线路之间通过金属过孔4相连，还可以将部分热量散发出去。底层部分3是控制线路层，可以对每个发光点进行控制。LED点阵晶粒控制和驱动的集成电路及元件贴装在底层印刷电路板上，再焊接必要的电路连接件，作为控制和扩展用。

反光碗杯7用硅胶或环氧树胶脂进行封胶，碗底的晶粒发光经过硅胶或环氧树脂导出后经过碗壁反光和聚光得到一个发光点。保护胶6的表面再用模具进行二次透镜成型，以获得最佳出光角度和效果。矿工采煤时，矿灯必须具有一定的照射角度和照射距离，因此在LED照明光源外部加上聚光罩，可获得更远的照射距离和较好的照射角度。

大功率LED矿用帽灯采用高质量的钴酸锂电池，并在单体蓄电池之间设置了PTC保护电阻和通气阀，在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路，不仅保护了锂离子电池，而且在开灯、关灯甚至外部短路时，都不会产生火花，实现了本质上的安全工作。矿缆线12采用通过MA认证的阻燃型产品，矿灯的外部裸露件按照GB3836.1-2000中要求的FV2级进行阻燃性设计。塑料外壳(包括灯头壳、电池壳)都具有防静电措施(在塑料外壳加工时加入一定比例的导电材料)，以防止静电荷大量积累而发生危险，保证了使用的安全性。

本实用新型大功率LED矿用帽灯采用高集成化、高精度的充电控制电路实现了对充电全过程的动态控制，可自动实现预充电、恒流充电等模式的切换。完全按照锂电池的标准充电规则进行充电，有效提高了电池的使用寿命。锂电池充电控制系统，聚合物锂电池具有体积小、重量轻、安全性能好等优点。为了利用原有充电架对锂电池矿灯进行充电，矿灯灯头内加装了电源负极控制的线性充电系统。充电控制器主要由电压电流基准、限流电路、电压调整电路等部分组成。矿灯充电架上的5V电源进行供电。

另外，过充电、过放电、过电流保护电路，保证了电池的使用寿命。锂电池在使用过程中正常的电压范围为2.8～4.2V之间，超过该范围会缩短电池的使用寿命。本矿灯在充电时，当电池电压达到4.2V时就会关闭充电电流，防止继续充电造成电池过充，影响电池寿命。在电池电压低于3V时关断电源，有效防止了电池过放电，保证了电池的使用寿命。

需说明的是，功率型LED照明光源发光效率为25～45lm/w，最高可达100lm/w，远远高于白炽灯。寿命可达5万小时，可用12年以上。亮度为普通发光管的10～20倍。正向压降多为3～3.8v，由于低压供电，因此无电弧产生，安全性较好。根据亮度的不同，用于矿用帽灯的1w的LED照明光源的工作电流仅为350mA，只有白炽灯的1/2。按矿工每天照明10小时计算，每只矿灯一天节约能量为350mA×10h＝3500mAh。帽灯工作电压为4V，因此每只帽灯每天节约的电能为：4V×3500mAh＝14Wh。全国500万矿工每天节约的电能达到14Wh×5000000＝70000KWh。

在实际使用中，经检测，本实用新型大功率LED矿用帽灯与传统矿用帽灯相比，其各项性能指标如下：

项目名称	本实用新型	现有技术
			光源	LED光源	白炽灯光源
耗电功率(w)	1～3	5～10
			每盏耗电(度)	0.1	0.2
全年电费(元)	25	55
			差价比	1	3
平均寿命比	五万	一千
			发热	LED由电能直接换成光源，产生的热极低，几乎不发热。	由电能产生热进而转换为光能，是一种灯丝燃烧现象，会产生极高的热。
安全性	低压通电，维修十分安全。	灯泡容易破裂，若因过载而烧毁则需更换整颗灯泡，高压通电较具危险性。
			影响	发热量极低，具有环保效应。	热的产生，造成灯罩因热变色、老化，使得光线透过灯罩被衰减，颜色产生色差。

显然，从实施应用表明，本实用新型大功率LED矿用帽灯连续工作时间长、照度大，光线集中、寿命长、安全可靠、节省能源、性能佳、功能全，可广泛适用于煤矿、石油、化工、铁路、运输、电力、隧道、探险、旅游等行业，特别适应于易燃易爆环境中的安全照明及抢险救灾照明。应用前景美好，社会经济效应显著。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (9)

1.大功率LED光源矿用帽灯，包括灯头(11)、矿缆(12)、电池(16)和电池盒(15)，电池(16)置于电池盒(15)内，灯头(11)通过矿缆(12)与电池盒(15)连接，所述灯头包括光源模组、线路板模块、反射碗(7)、出光透镜(8)及壳体(10)，光源模组安装在线路板模块上，光源模组的周围为反射碗(7)，反射碗(7)的前口与出光透镜(8)连接，其特征在于：所述线路板模块的中心设置有LED主光源芯片，在LED主光源的四周设置有LED辅助白光光源芯片和LED辅助红光光源芯片，LED主光源芯片位于LED辅助光源所组成的圆周圆心位置，LED辅助光源芯片之间相互并联，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片共用一个负极，LED主光源芯片与LED辅助光源芯片的开启与关闭通过控制开关(13)实现与电源的切换。

2.根据权利要求1所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述LED辅助白光光源芯片为3颗，所述LED辅助红光光源芯片也为3颗。

3.根据权利要求1所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述线路板模块包括表层(1)、中间层(2)和底层(3)，表层(1)上排列有圆形阵点，每个阵点内设置有LED晶粒(5)，在表层(1)与中间层(2)的接触面并对应于每个阵点位置设有焊盘，LED晶粒(5)固定在焊盘上，LED晶粒的外表面涂有保护胶(6)，其周围为反射碗(7)；在底层(3)上安装有控制驱动电路及元件，底层电路板底面设有散热器(9)，中间涂敷导热胶。

4.根据权利要求1或3所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：反射碗(7)呈圆形或者锥形，其内壁镀有金属镍或银或其它合金材料。

5.根据权利要求1或3所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述线路板模块上设置有横向通孔(4)。

6.根据权利要求5所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述通孔(4)的内部填充有金属铜或者导热材料。

7.根据权利要求3所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述LED晶粒外表面涂的保护胶(6)为硅胶或者环氧树脂胶。

8.根据权利要求1所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述壳体(10)的材质为铝质或者合金材料，壳体内腔的底部呈平面结构。

9.根据权利要求1所述的大功率LED光源矿用帽灯，其特征在于：所述电池(16)为钴酸锂电池，在单体电池之间设置有保护电阻和通气阀，在电池组内加装有过充电、过放电和短路保护电路。

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