內含充放電控制與保護系統的半導體照明礦用帽燈設計

關(guān)鍵詞：半導體照明；聚合物鋰離子電池；礦燈

１　概述

為了減小礦用帽燈的體積和重量，近年來(lái)開(kāi)始采用鋰離子電池為其供電。在電池組內加裝過(guò)充電、過(guò)放電和短路保護電路后，不僅保護了鋰離子電池，而且在開(kāi)燈、關(guān)燈甚至外部短路時(shí)，都不會(huì )產(chǎn)生火花，實(shí)現了本質(zhì)上的安全工作。

在這種新型礦燈的實(shí)際推廣應用過(guò)程中，發(fā)現了許多較嚴重的問(wèn)題。首先，鋰離子電池的安全性較差，盡管加入了保護電路，但是仍出現了電池組燃燒和爆炸的嚴重事故。另外，礦燈改用鋰離子電池后，原有的充電架不能對鋰電池礦燈充電，礦山必須更換充電架，造成巨大的資源浪費。其次，由于鋰離子電池價(jià)格較高，礦燈采用的８Ａｈ鋰電池組價(jià)格在１３０元左右，礦燈的零售價(jià)為２５０多元，為現有鉛酸電池礦燈的３～４倍。因此大量普及這種新型礦燈的難度很大。

為了使礦燈實(shí)現革命化的飛躍，必須實(shí)現以下幾項技術(shù)創(chuàng )新。首先，應采用亮度高、用電省的半導體照明燈。目前國外半導體照明燈已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國內近年來(lái)也有重大突破。能夠滿(mǎn)足礦燈要求的半導體照明燈工作電流約為２００～３５０ｍＡ，僅為目前礦燈用白熾燈泡工作電流的３０％～５０％，這樣不僅可以節約７０％～５０％的電能，更重要的是可以選用容量更小的蓄電池。滿(mǎn)足１１小時(shí)照明要求的電池容量可由８Ａｈ減小到４Ａｈ，這樣鋰電池組的價(jià)格可由目前的１３０元降到６０多元。另外，在帽燈內部加入充放電控制和保護系統，使其能夠利用現有的充電架充電，節省投資，并且還提高了礦燈的安全性能。同時(shí)為了提高鋰電池的安全性能，可以采用安全性能較好的聚合物鋰電池，也可改革鋰離子電池的極板材料或生產(chǎn)工藝。

２　半導體照明燈及其應用

２．１ 半導體照明燈及其散熱技術(shù)

半導體照明燈具有高效、節能、環(huán)保、壽命長(cháng)、易維護等顯著(zhù)特點(diǎn)，是國際上公認的最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的新型固態(tài)冷光源。我國科技部已將“半導體照明產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)”列入“十五”國家科技攻關(guān)計劃重大項目。

功率型半導體照明燈是一種新型照明用冷光源，目前發(fā)光效率已達２５～３５ ｌｍ／ｗ，最高可達６０ ｌｍ／ｗ，遠遠高于白熾燈，和鹵鎢燈相當。這種冷光源照明燈非?？煽?，壽命可達５萬(wàn)小時(shí)，可用１２年以上。亮度為普通發(fā)光管的１０～２０倍。市售功率型半導體照明燈的正向壓降多為３～３．８Ｖ，由于低壓供電，因此無(wú)電弧產(chǎn)生，安全性較好。根據要求亮度的不同，功率型半導體照明燈的正向電流可達１５０ｍＡ～１０００ ｍＡ。用于礦用帽燈的１Ｗ半導體照明燈的工作電流僅為３５０ｍＡ，只有目前白熾燈的１／２。按礦工每天照明１０小時(shí)計算，每只礦燈一天節約能量為３５０ｍＡ１０ｈ＝３５００ｍＡｈ。帽燈工作電壓為４Ｖ，因此每只帽燈每天節約的電能為：４Ｖ３５００ｍＡｈ＝１４Ｗｈ。全國５００萬(wàn)礦工每天節約的電能將達到１４Ｗｈ５００００００＝７００００ｋＷｈ。

不久的將來(lái)，半導體照明燈的發(fā)光效率可達１００～２００ ｌｍ／ｗ，這種器件使用壽命很長(cháng)，一旦安裝無(wú)需更換，因此不僅大大節省能源，還可節省維修費用。這種新型光源無(wú)玻璃外殼，無(wú)燈絲，內部不含有害物質(zhì)―汞，因此不會(huì )像日光燈那樣因破損、裂縫、粉碎而污染環(huán)境，同時(shí)這種新型光源的色彩非常柔和，不含紫外線(xiàn)和紅外輻射。半導體照明燈取代現有照明燈進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)后，人們將進(jìn)入安全、綠色的光明世界。

半導體照明礦燈的工作電流約為３５０ｍＡ，兩端承受的電壓約為３．３Ｖ，因此大約有１Ｗ功耗。為了確保安全工作并盡量減小體積，必須外加星形散熱器。散熱器由鋁板制成，應將極陰極引線(xiàn)與散熱器連在一起，這樣使可以有效地散去半導體照明燈產(chǎn)生的熱量。

２．２ 半導體照明燈驅動(dòng)電源一體化集成技術(shù)

功率型半導體照明燈可以采用固定電壓驅動(dòng)，也可采用恒流源驅動(dòng)。采用固定電壓驅動(dòng)時(shí)，由于半導體照明燈的正向壓降不完全相同，所產(chǎn)生的亮度將有較大差異，因此該系統采用恒流源驅動(dòng)。滿(mǎn)足礦燈要求的半導體照明燈恒流驅動(dòng)電路如圖１所示。電阻Ｒ８和二極管ＶＤ２組成基準電壓電路，基準電壓經(jīng)Ｒ６、Ｒ７分壓后，加到運放ＩＣ１的同相輸入端，Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３并聯(lián)電阻組成電流采樣電路。采樣電壓加到運放的反相輸入端，與基準電壓比較輸出誤差電壓。誤差電壓經(jīng)放大后驅動(dòng)ＭＯＳＦＥＴ１，從而使半導體照明燈ＶＤ１發(fā)光。當流過(guò)半導體照明燈的電流發(fā)生變化時(shí)，電流采樣電壓就發(fā)生變化，運放輸入誤差電壓和運放輸出電壓也隨之變化，從而使半導體照明燈的電流恒定不變。為了便于大規模生產(chǎn)，該驅動(dòng)電路采用表面貼裝封裝元件。今后還將采用二次集成技術(shù)，進(jìn)一步提高工作可靠性和生產(chǎn)效率。圖１中的Ｓ１為礦燈開(kāi)關(guān)，不需要照明時(shí)該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，恒流驅動(dòng)電路的電源中斷，不消耗電池能量。

２．３ 二次光學(xué)配光設計

礦工采煤時(shí)，礦燈必須具有一定的照射角度和照射距離，為了達到此目的，可在半導體照明燈外部加上聚光罩，為獲得更遠的照射距離和較好的照射角度，對原有礦燈的光反射器進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

３　鋰電池充電控制系統

聚合物鋰電池具有體積小、重量輕、安全性能較好等優(yōu)點(diǎn)，但是充電要求與原來(lái)礦燈充電架的特性差別較大。為了利用原有充電架對鋰電池礦燈進(jìn)行充電，該礦燈燈頭內加裝了電源負極控制的線(xiàn)性充電系統，如圖２所示。

根據礦燈充電架?chē)覙藴?，充電架輸出電壓應穩定在５Ｖ０．１Ｖ。采用半導體照明燈后，最大工作電流只有３５０ｍＡ，達到１１小時(shí)照明時(shí)間所需的電池容量只有４Ａｈ。因此采用２／１０Ｃ充電速率時(shí)，充電電流只有８００ｍＡ。選用額定工作電流為５Ａ的ＭＯＳＦＥＴ作串聯(lián)調整元件，由于工作過(guò)程中串聯(lián)調整元件的最大壓降較小，因此不加散熱器，串聯(lián)調整元件也不會(huì )損壞。

該充電控制器主要由電壓電流基準、限流電路、電壓調整電路等部分組成。該系統可由礦燈充電架上的５Ｖ電源進(jìn)行供電。

電阻Ｒ６和二極管ＶＤ１組成電流基準電路，二極管ＶＤ１兩端電壓加到運放ＩＣ１Ｂ的同相輸入端，電阻Ｒ１２由三只電阻并聯(lián)，組成電流取樣電路，充電電流在電流取樣電阻Ｒ１２兩端的壓降加到運放ＩＣ１Ｂ的反相輸入端，并與基準電壓比較，其差值經(jīng)放大后，又經(jīng)ＩＣ１Ａ驅動(dòng)串聯(lián)調整管ＭＯＳＦＥＴ１，將鋰電池的充電電流穩定在８００ｍＡ。當鋰電池接近充足電時(shí)，電壓調整回路使充電電路輸出４．２Ｖ恒定充電電壓。電壓調整電路由ＩＣ１Ｂ等元件組成的電壓基準電路、Ｒ１和ＶＤ３組成的電壓采樣電路、ＩＣ１Ａ和ＭＯＳＦＥＴ１組成的調整電路等部分組成。采樣電壓和基準電壓經(jīng)運放ＩＣ１Ａ比較并放大后，驅動(dòng)串聯(lián)調整元件，使鋰電池的充電電壓穩定在４．２Ｖ，這樣可有效防止鋰電池因過(guò)充電而損壞。

４　過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流保護電路

礦燈鋰電池保護電路如圖３所示。該電路主要由鋰電池保護專(zhuān)用集成電路ＤＷ０１，充、放電控制ＭＯＳＦＥＴ１（內含兩只Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ）等部分組成，單體鋰電池接在Ｂ＋和Ｂ－之間，電池組從Ｐ＋和Ｐ－輸出電壓。充電時(shí)，充電器輸出電壓接在Ｐ＋和Ｐ－之間，電流從Ｐ＋到單體電池的Ｂ＋和Ｂ－，再經(jīng)過(guò)充電控制ＭＯＳＦＥＴ到Ｐ－。在充電過(guò)程中，當單體電池的電壓超過(guò)４．３５Ｖ時(shí)，專(zhuān)用集成電路ＤＷ０１的ＯＣ腳輸出信號使充電控制ＭＯＳＦＥＴ關(guān)斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過(guò)充電而損壞。放電過(guò)程中，當單體電池的電壓降到２．３０Ｖ時(shí)，ＤＷ０１的ＯＤ腳輸出信號使放電控制ＭＯＳＦＥＴ關(guān)斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過(guò)放電而損壞，ＤＷ０１的ＣＳ腳為電流檢測腳，輸出短路時(shí)，充放電控制ＭＯＳＦＥＴ的導通壓降劇增，ＣＳ腳電壓迅速升高，ＤＷ０１輸出信號使充放電控制ＭＯＳＦＥＴ迅速關(guān)斷，從而實(shí)現過(guò)電流或短路保護。