新型半導(dǎo)體照明鋰電池礦用帽燈

為了減小體積和重量，近年來礦用帽燈開始采用鋰離子電池。在電池組內(nèi)加裝過充電、過放電和短路保護電路后，不僅保護鋰離子電池，而且開燈、關(guān)燈甚至外部短路時，都不會產(chǎn)生火花，實現(xiàn)了本質(zhì)安全工作。

在實際推廣應(yīng)用中，這種新型礦燈暴露出許多較嚴重的問題。主要表現(xiàn)在鋰離子電池的安全性能較差，盡管加入了保護電路，但仍出現(xiàn)了電池組燃燒和爆炸的嚴重事故。此外，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。另外，鋰離子電池的價格較高，礦燈用的8 Ah鋰電池組的價格在90元左右，礦燈的零售價為250多元，為現(xiàn)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。

為了使礦燈實現(xiàn)革命化的飛躍，必須完成以下幾項技術(shù)創(chuàng)新。首先，應(yīng)采用亮度高、用電省的半導(dǎo)體照明燈。目前國外半導(dǎo)體照明燈已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)最近也有重大突破。能夠滿足礦燈要求的半導(dǎo)體照明燈所需工作電流約為200 mA～350mA，僅為目前礦燈用白熾燈泡的30％～50％，這樣不僅可以節(jié)約70％～50％的電能，更重要的是可以選用容量更小的蓄電池。滿足11小時照明要求的鋰電池容量可由8 Ah減小到4 Ah，這樣鋰電池組的價格可由目前的90元降到50多元。另外，在帽燈內(nèi)部必須加入充放電控制和保護電路，使其能夠利用現(xiàn)有的充電架充電，節(jié)省投資，并且提高礦燈的安全性能。同時為了提高鋰電池的安全性能，可以采用安全性能極好的磷酸鐵鋰合電池。

2 半導(dǎo)體照明燈(WLED)及其應(yīng)用

很早以前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體PN結(jié)通過正向電流時，部分少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合后，會以光量子形式釋放出能量。根據(jù)這種現(xiàn)象研制的二極管稱為半導(dǎo)體發(fā)光二極管。實驗表明，半導(dǎo)體材料不同，雜質(zhì)濃度不同，發(fā)光二極管(LED)發(fā)出光線的顏色也不同。照明所需要的白色光是由多種單色光合成的復(fù)合光。目前制造白色發(fā)光管(WLED)大多采用兩種方案：一種方案是將藍光LED和黃光熒光粉封裝在一起。熒光粉受到藍光照射后會發(fā)出黃光，藍光與黃光混合形成白光。另一種方案是將藍光和黃光LED或藍光、綠光和紅光LED封裝在一起，幾種單色光混合后產(chǎn)生白光。

半導(dǎo)體照明燈(WLED)的功耗約為白熾燈的10％，白熾燈的壽命不超過2 000小時，WLED的壽命可達10萬小時。WLED堅固不易破碎，因此可靠性好，維護成本低。WLED光譜中不含紅外光和紫外光，沒有任何輻射污染，不產(chǎn)生任何頻閃，可有效避免視覺疲勞，是目前最理想的綠色照明燈具。隨著WLED的廣泛應(yīng)用和性能的不斷提升，必將引起一場新的照明技術(shù)革命。

功率型半導(dǎo)體照明燈的正向壓降多為3 V～3.8V，由于低壓供電，因此無電弧產(chǎn)生，安全性較好。礦用帽燈用的1 W半導(dǎo)體照明燈的工作電流約200mA，僅為目前白熾燈的1／5。按礦工每天照明10小時計算。每只礦燈一天節(jié)約能量為800 mA×10 h=8000mAh。帽燈工作電壓為4 V，因此每只帽燈每天節(jié)約的電能為：4 V×8 000 mAh=32 Wh。全國500萬礦工每天節(jié)約的電能將達到32 Wh×5 000 000=160000 kWh。

3 半導(dǎo)體照明燈驅(qū)動電源

功率型半導(dǎo)體照明燈可以采用固定電壓驅(qū)動，也可采用恒流源驅(qū)動。采用固定電壓驅(qū)動時，由于半導(dǎo)體照明燈的正向壓降不完全相同，所以亮度將產(chǎn)生較大差異。本系統(tǒng)采用恒流源驅(qū)動。滿足礦燈要求的半導(dǎo)體照明燈恒流驅(qū)動電路如圖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LM358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，誤差電壓經(jīng)放大后，驅(qū)動MOSFET1，從而使半導(dǎo)體照明燈VD1發(fā)光。當流過半導(dǎo)體照明燈的電流發(fā)生變化時，電流采樣電壓發(fā)生變化，運放輸入誤差電壓變化，運放輸出電壓變化，從而使半導(dǎo)體照明燈的電流恒定不變。為了便于大規(guī)模生產(chǎn)，該驅(qū)動電路采用表面貼裝元件制作。以后還將采用二次集成技術(shù)，進一步提高工作可靠性和生產(chǎn)效率。S1為礦燈開關(guān)，不需要照明時，該開關(guān)斷開，恒流驅(qū)動電路的電源中斷，不消耗電池的能量。

4 鋰電池充電控制電路

鋰電池具有體積小、重量輕、安全性能較好等優(yōu)點，但是充電要求與原來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充電，在礦燈燈頭內(nèi)加裝了電源負極控制的線性充電系統(tǒng)，如圖2所示。

根據(jù)礦燈充電架國家標準，充電架輸出電壓應(yīng)穩(wěn)定在5 V±O.1 V。采用半導(dǎo)體照明燈后，最大工作電流只有350 mA，達到ll小時照明時間所需電池的容量只有4 Ah。這樣采用2／10C充電速率時，充電電流只有800 mA。選用額定工作電流為5 A的MOSFET。作串聯(lián)調(diào)整元件，工作過程中串聯(lián)調(diào)整元件最大壓降較小，不加散熱器，串聯(lián)調(diào)整元件也不會損壞。該充電控制器主要由電壓電流基準、限流電路、電壓調(diào)整電路等部分組成。該系統(tǒng)可由礦燈架上的5 V電源供電。

電阻R106和二極管VD101組成電流基準電路。二極管VD101兩端電壓加到運放IC1B的同相輸入端，電阻R112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R112兩端的壓降加到運放IC1B的反相輸入端，與基準電壓比較，其差值經(jīng)放大后，又經(jīng)IC1A驅(qū)動串聯(lián)調(diào)整管MOS-FET1，將鋰電池的充電電流穩(wěn)定在800 mA。當鋰電池接近充足電時，電壓調(diào)整回路使充電電路輸出4.2 V恒定充電電壓。電壓調(diào)整電路由IC1B等元件組成的電壓基準電路、R101和VD103組成的電壓采樣電路。IC1A和MOSFET1組成的調(diào)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(qū)動串聯(lián)調(diào)整元件，使鋰電池的充電電壓穩(wěn)定在4.2 V，這樣可有效地防止鋰電池因過充電而損壞。

5 過充、過放、過流保護電路

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用集成電路DW01，充、放電控制MOSFET(內(nèi)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，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)過充電控制MOSFET到P-。充電過程中，當單體電池的電壓超過4.35 V時，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充電而損壞。放電過程中，當單體電池的電壓降到2.30V時，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放電而損壞，DW01的CS腳為電流檢測腳，輸出短路時，充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增，CS腳電壓迅速升高，DW1輸出信號使充放電控制MOS-FET迅速關(guān)斷，從而實現(xiàn)過電流或短路保護。