内含充放电控制与保护系统的半导体照明矿用帽灯设计
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３５０ｍＡ１０ｈ＝３５００ｍＡｈ。帽灯工作电压为４Ｖ，因此每只帽灯每天节约的电能为：４Ｖ３５００ｍＡｈ＝１４Ｗｈ。全国５００万矿工每天节约的电能将达到１４Ｗｈ５００００００＝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５Ｖ０．１Ｖ。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。
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