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新型半导体照明锂电池矿用帽灯

发布时间:2019-11-24 02:38:20

新型半导体照明锂电池矿用帽灯

为了减小体积和重量,近年来矿用帽灯开始采用锂离子电池。在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路后,不仅保护锂离子电池,而且开灯、关灯甚至外部短路时,都不会产生火花,实现了本质安全工作。

在实际推广应用中,这种新型矿灯暴露出许多较严重的问题。主要表现在锂离子电池的安全性能较差,尽管加入了保护电路,但仍出现了电池组燃烧和爆炸的严重事故。此外,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。另外,锂离子电池的价格较高,矿灯用的8 Ah锂电池组的价格在90元左右,矿灯的零售价为250多元,为现有铅酸电池矿灯的3~4倍。因此大量普及这种新型矿灯的难度很大。

为了使矿灯实现革命化的飞跃,必须完成以下几项技术创新。首先,应采用亮度高、用电省的半导体照明灯。目前国外半导体照明灯已实现产业化生产,国内最近也有重大突破。能够满足矿灯要求的半导体照明灯所需工作电流约为200 mA~350mA,仅为目前矿灯用白炽灯泡的30%~50%,这样不仅可以节约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小时照明要求的锂电池容量可由8 Ah减小到4 Ah,这样锂电池组的价格可由目前的90元降到50多元。另外,在帽灯内部必须加入充放电控制和保护电路,使其能够利用现有的充电架充电,节省投资,并且提高矿灯的安全性能。同时为了提高锂电池的安全性能,可以采用安全性能极好的磷酸铁锂合电池。

2 半导体照明灯(WLED)及其应用

很早以前,科学家就发现半导体PN结通过正向电流时,部分少数载流子与多数载流子复合后,会以光量子形式释放出能量。根据这种现象研制的二极管称为半导体发光二极管。实验表明,半导体材料不同,杂质浓度不同,发光二极管(LED)发出光线的颜色也不同。照明所需要的白色光是由多种单色光合成的复合光。目前制造白色发光管(WLED)大多采用两种方案:一种方案是将蓝光LED和黄光荧光粉封装在一起。荧光粉受到蓝光照射后会发出黄光,蓝光与黄光混合形成白光。另一种方案是将蓝光和黄光LED或蓝光、绿光和红光LED封装在一起,几种单色光混合后产生白光。

半导体照明灯(WLED)的功耗约为白炽灯的10%,白炽灯的寿命不超过2 000小时,WLED的寿命可达10万小时。WLED坚固不易破碎,因此可靠性好,维护成本低。WLED光谱中不含红外光和紫外光,没有任何辐射污染,不产生任何频闪,可有效避免视觉疲劳,是目前最理想的绿色照明灯具。随着WLED的广泛应用和性能的不断提升,必将引起一场新的照明技术革命。

功率型半导体照明灯的正向压降多为3 V~3.8V,由于低压供电,因此无电弧产生,安全性较好。矿用帽灯用的1 W半导体照明灯的工作电流约200mA,仅为目前白炽灯的1/5。按矿工每天照明10小时计算。每只矿灯一天节约能量为800 mA×10 h=8000mAh。帽灯工作电压为4 V,因此每只帽灯每天节约的电能为:4 V×8 000 mAh=32 Wh。全国500万矿工每天节约的电能将达到32 Wh×5 000 000=160000 kWh。

3 半导体照明灯驱动电源

功率型半导体照明灯可以采用固定电压驱动,也可采用恒流源驱动。采用固定电压驱动时,由于半导体照明灯的正向压降不完全相同,所以亮度将产生较大差异。本系统采用恒流源驱动。满足矿灯要求的半导体照明灯恒流驱动电路如图1所示。电阻R8和二极管VD2组成基准电压电路,基准电压经R6、R7分压后,加到运放LM358的同相输入端,R1、R2、R3并联电阻组成电流采样电路。采样电压加到运放的反相输入端,与基准电压比较,误差电压经放大后,驱动MOSFET1,从而使半导体照明灯VD1发光。当流过半导体照明灯的电流发生变化时,电流采样电压发生变化,运放输入误差电压变化,运放输出电压变化,从而使半导体照明灯的电流恒定不变。为了便于大规模生产,该驱动电路采用表面贴装元件制作。以后还将采用二次集成技术,进一步提高工作可靠性和生产效率。S1为矿灯开关,不需要照明时,该开关断开,恒流驱动电路的电源中断,不消耗电池的能量。

4 锂电池充电控制电路

锂电池具有体积小、重量轻、安全性能较好等优点,但是充电要求与原来矿灯充电架的特性差别较大。为了利用原有充电架对锂电池矿灯充电,在矿灯灯头内加装了电源负极控制的线性充电系统,如图2所示。

根据矿灯充电架国家标准,充电架输出电压应稳定在5 V±O.1 V。采用半导体照明灯后,最大工作电流只有350 mA,达到ll小时照明时间所需电池的容量只有4 Ah。这样采用2/10C充电速率时,充电电流只有800 mA。选用额定工作电流为5 A的MOSFET。作串联调整元件,工作过程中串联调整元件最大压降较小,不加散热器,串联调整元件也不会损坏。该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。该系统可由矿灯架上的5 V电源供电。

电阻R106和二极管VD101组成电流基准电路。二极管VD101两端电压加到运放IC1B的同相输入端,电阻R112由三只电阻并联,组成电流取样电路。充电电流在电流取样电阻R112两端的压降加到运放IC1B的反相输入端,与基准电压比较,其差值经放大后,又经IC1A驱动串联调整管MOS-FET1,将锂电池的充电电流稳定在800 mA。当锂电池接近充足电时,电压调整回路使充电电路输出4.2 V恒定充电电压。电压调整电路由IC1B等元件组成的电压基准电路、R101和VD103组成的电压采样电路。IC1A和MOSFET1组成的调整电路等部分组成。采样电压和基准电压经运放IC1A比较并放大后。驱动串联调整元件,使锂电池的充电电压稳定在4.2 V,这样可有效地防止锂电池因过充电而损坏。

5 过充、过放、过流保护电路

矿灯锂电池保护电路如图3所示。该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW01,充、放电控制MOSFET(内含两只N沟道MOSFET)等部分组成,单体锂电池接在B+和B-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-。充电过程中,当单体电池的电压超过4.35 V时,DW01的OC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2.30V时,DW01的OD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,DW01的CS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,CS脚电压迅速升高,DW1输出信号使充放电控制MOS-FET迅速关断,从而实现过电流或短路保护。

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