内含充放电控制与保护系统的半导体照明矿用帽灯设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:文中介绍了一种内含充电控制与保护系统的半导体照明矿用帽灯。着重讲解了半导体照明技术及恒流驱动电路,并给出了聚合物锂离子电池组专用保护电路。 关键词:半导体照明;聚合物锂离子电池;矿灯 1 概述 为了减小矿用帽灯的体积和重量,近年来开始采用锂离子电池为其供电。在电池组内加装过充电、过放电和短路保护电路后,不仅保护了锂离子电池,而且在开灯、关灯甚至外部短路时,都不会产生火花,实现了本质上的安全工作。 在这种新型矿灯的实际推广应用过程中, 发现了许多较严重的问题。首先,锂离子电池的安全性较差,尽管加入了保护电路,但是仍出现了电池组燃烧和爆炸的严重事故。另外,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。其次,由于锂离子电池价格较高,矿灯采用的8Ah锂电池组价格在130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,必须实现以下几项技术创新。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,国内近年来也有重大突破。能够满足矿灯要求的半导体照明灯工作电流约为200~350mA,仅为目前矿灯用白炽灯泡工作电流的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小时照明要求的电池容量可由8Ah减小到4Ah,这样锂电池组的价格可由目前的130元降到60多元。另外,在帽灯内部加入充放电控制和保护系统,使其能够利用现有的充电架充电,节省投资,并且还提高了矿灯的安全性能。同时为了提高锂电池的安全性能,可以采用安全性能较好的聚合物锂电池,也可改革锂离子电池的极板材料或生产工艺。 2 半导体照明灯及其应用 2.1 半导体照明灯及其散热技术 半导体照明灯具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点,是国际上公认的最有可能进入普通照明领域的新型固态冷光源。我国科技部已将“半导体照明产业化技术开发”列入“十五”国家科技攻关计划重大项目。 功率型半导体照明灯是一种新型照明用冷光源,目前发光效率已达25~35 lm/w,最高可达60 lm/w,远远高于白炽灯,和卤钨灯相当。这种冷光源照明灯非常可靠,寿命可达5万小时,可用12年以上。亮度为普通发光管的10~20倍。市售功率型半导体照明灯的正向压降多为3~3.8V,由于低压供电,因此无电弧产生,安全性较好。根据要求亮度的不同,功率型半导体照明灯的正向电流可达150mA~1000 mA。用于矿用帽灯的1W半导体照明灯的工作电流仅为350mA,只有目前白炽灯的1/2。按矿工每天照明10小时计算,每只矿灯一天节约能量为350mA%26;#215;10h=3500mAh。帽灯工作电压为4V,因此每只帽灯每天节约的电能为:4V%26;#215;3500mAh=14Wh。全国500万矿工每天节约的电能将达到14Wh%26;#215;5000000=70000kWh。 不久的将来,半导体照明灯的发光效率可达100~200 lm/w,这种器件使用寿命很长,一旦安装无需更换,因此不仅大大节省能源,还可节省维修费用。这种新型光源无玻璃外壳,无灯丝,内部不含有害物质—汞,因此不会像日光灯那样因破损、裂缝、粉碎而污染环境,同时这种新型光源的色彩非常柔和,不含紫外线和红外辐射。半导体照明灯取代现有照明灯进入千家万户后,人们将进入安全、绿色的光明世界。 半导体照明矿灯的工作电流约为350mA,两端承受的电压约为3.3V,因此大约有1W功耗。为了确保安全工作并尽量减小体积,必须外加星形散热器。散热器由铝板制成,应将极阴极引线与散热器连在一起,这样使可以有效地散去半导体照明灯产生的热量。 2.2 半导体照明灯驱动电源一体化集成技术 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,所产生的亮度将有较大差异,因此该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IC1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,与基准电压比较输出误差电压。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,电流采样电压就发生变化,运放输入误差电压和运放输出电压也随之变化,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封装元件。今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。图1中的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,不消耗电池能量。 2.3 二次光学配光设计 矿工采煤时,矿灯必须具有一定的照射角度和照射距离,为了达到此目的,可在半导体照明灯外部加上聚光罩,为获得更远的照射距离和较好的照射角度,对原有矿灯的光反射器进行了技术改进。 3 锂电池充电控制系统 聚合物锂电池具有体积小、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进行充电,该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5V%26;#177;0.1V。采用半导体照明灯后,最大工作电流只有350mA,达到11小时照明时间所需的电池容量只有4Ah。因此采用2/10C充电速率时,充电电流只有800mA。 选用额定工作电流为5A的MOSFET作串联调整元件,由于工作过程中串联调整元件的最大压降较小,因此不加散热器,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。该系统可由矿灯充电架上的5V电源进行供电。 电阻R6和二极管VD1组成电流基准电路,二极管VD1两端电压加到运放IC1B的同相输入端,电阻R12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R12两端的压降加到运放IC1B的反相输入端,并与基准电压比较,其差值经放大后,又经IC1A驱动串联调整管MOSFET1,将锂电池的充电电流稳定在800mA。当锂电池接近充足电时,电压调整回路使充电电路输出4.2V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、R1和VD3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4.2V,这样可有效防止锂电池因过充电而损坏。 4 过充电、过放电、过电流保护电路 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MOSFET1(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-。在充电过程中,当单体电池的电压超过4.35V时,专用集成电路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,DW01输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断,从而实现过电流或短路保护。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/12160.html
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