基于光纤照明技术的新型矿灯的设计及实现
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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பைடு நூலகம்，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 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
图 5 光纤-LED 耦合装置 （ a） ； LED 排列图 （ b） 1—金属底座 2—反光碗 3—LED 单体
* 基金项目： 国家大学生创新性实验项目 （ 项目编号 0109182003）
第 21 卷第 3 期
谈卫等： 基于光纤照明技术的新型矿灯的设计及实现
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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。
2010 年 6 月 第 21 卷 第 3 期
照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
Jun. 2010 Vol. 21 No. 3
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）
摘 要： 针对目前传统矿灯 设 计 上 不 可 避 免 的 安 全 缺 陷 ， 本 文 提 出 一 种 基 于 光 纤 照 明 技 术 的 新 型 矿 灯 ———光 纤LED 矿灯并给出了其原理样灯。论文描述了传统矿灯的不 足 和 本 设 计 的 总 体 结 构； 设 计 了 矿 灯 的 驱 动 电 路、充 电 电路、控制电路、LED 与光纤的耦合装置及灯具二次配光系统； 并利用光学模拟软件 TracePro，对矿灯中光耦合装 置及灯头配光系统进行了模拟仿真； 论文总结了本设计的创新之处和优势及其应用前景。 关键词： 矿灯； 光纤照明技术； 塑料光纤 （ POF） ； 大功率 LED 驱动电路； 光纤-LED 耦合
Key words： minerlamp； fiber optic technology； POF； driving circuit of high power LED； coupling of fiber optic and LED
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
Design and Realization of New Miner's Lamp Based on Fiber Optic Technology
Tan Wei Liu Chen Zheng Zhong Hou Jue Xu Yunlu
（ College of Optoelectronic Science ＆ Engineering，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074； Wuhan National Lab for Optoelectronics，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074）
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
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。
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照明工程学报
2010 年 6 月
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 1 新型光纤-LED 矿灯原理图 1 —防爆盒 2—光纤-LED 耦合装置 3—LED 封装实体 4—光纤 5—灯具
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。
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。
Abstract
For the inevitable security flaws in the design of the traditional miner's lamp，a new type of miner's lamp based on fiber optic technology was designed and its principle model lamp was given. The deficiencies of traditional miner's lamp and the framework of the new type design were described. The driving circuit， charging circuit，controlling circuit，LED and optical fiber coupling device between fiber optic and LED， and secondary optical design of the new miner's lamp were designed. And also， by using the software TracePro，the coupling device and the secondary optical design for the new lamp were simulated. At the end，the important innovations and advantages of the design as well as its application prospects were summarized.
图 1 显示了新型矿灯的整体结构。从外形结构 上பைடு நூலகம்，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 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
图 5 光纤-LED 耦合装置 （ a） ； LED 排列图 （ b） 1—金属底座 2—反光碗 3—LED 单体
* 基金项目： 国家大学生创新性实验项目 （ 项目编号 0109182003）
第 21 卷第 3 期
谈卫等： 基于光纤照明技术的新型矿灯的设计及实现
89
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。
2010 年 6 月 第 21 卷 第 3 期
照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
Jun. 2010 Vol. 21 No. 3
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）
摘 要： 针对目前传统矿灯 设 计 上 不 可 避 免 的 安 全 缺 陷 ， 本 文 提 出 一 种 基 于 光 纤 照 明 技 术 的 新 型 矿 灯 ———光 纤LED 矿灯并给出了其原理样灯。论文描述了传统矿灯的不 足 和 本 设 计 的 总 体 结 构； 设 计 了 矿 灯 的 驱 动 电 路、充 电 电路、控制电路、LED 与光纤的耦合装置及灯具二次配光系统； 并利用光学模拟软件 TracePro，对矿灯中光耦合装 置及灯头配光系统进行了模拟仿真； 论文总结了本设计的创新之处和优势及其应用前景。 关键词： 矿灯； 光纤照明技术； 塑料光纤 （ POF） ； 大功率 LED 驱动电路； 光纤-LED 耦合
Key words： minerlamp； fiber optic technology； POF； driving circuit of high power LED； coupling of fiber optic and LED
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
Design and Realization of New Miner's Lamp Based on Fiber Optic Technology
Tan Wei Liu Chen Zheng Zhong Hou Jue Xu Yunlu
（ College of Optoelectronic Science ＆ Engineering，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074； Wuhan National Lab for Optoelectronics，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074）
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
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。
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照明工程学报
2010 年 6 月
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 1 新型光纤-LED 矿灯原理图 1 —防爆盒 2—光纤-LED 耦合装置 3—LED 封装实体 4—光纤 5—灯具
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。
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。
Abstract
For the inevitable security flaws in the design of the traditional miner's lamp，a new type of miner's lamp based on fiber optic technology was designed and its principle model lamp was given. The deficiencies of traditional miner's lamp and the framework of the new type design were described. The driving circuit， charging circuit，controlling circuit，LED and optical fiber coupling device between fiber optic and LED， and secondary optical design of the new miner's lamp were designed. And also， by using the software TracePro，the coupling device and the secondary optical design for the new lamp were simulated. At the end，the important innovations and advantages of the design as well as its application prospects were summarized.