新型半导体照明锂电池矿用帽灯

1 概述

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。