新型半导体照明锂电池矿用帽灯
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:404
| 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。
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