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[導(dǎo)讀]礦燈是煤礦礦工必備的井下照明燈具,在礦工井下作業(yè)中起到十分重要的作用,被稱(chēng)為“礦工的眼睛”。

    礦燈是煤礦礦工必備的井下照明燈具,在礦工井下作業(yè)中起到十分重要的作用,被稱(chēng)為“礦工的眼睛”。礦燈屬于特殊型防爆產(chǎn)品,其安全性能和質(zhì)量與煤礦安全生產(chǎn)息息相關(guān)。近年來(lái),由于礦燈使用管理不善以及電源內(nèi)部設(shè)計(jì)問(wèn)題而誘發(fā)的瓦斯煤塵爆炸事故屢屢發(fā)生,造成重大損失和惡劣的社會(huì)影響,這使得國(guó)家對(duì)礦燈的安全問(wèn)題越發(fā)重視,并從電源、材料、通信等多個(gè)方面來(lái)考慮和研究安全問(wèn)題。

  國(guó)家煤礦安全委員會(huì)針對(duì)礦燈安全制定了一些標(biāo)準(zhǔn)和要求,主要包括:1. 礦燈的設(shè)計(jì)電路中所有的電壓必須小于8V,包括輸入電壓、輸出電壓和變換所需的中間電壓。2. 礦燈的燈必須是主副兩組,而且是完全獨(dú)立控制的。主燈用于大部分時(shí)間的照明應(yīng)用,電流較大且要求工作時(shí)間不低于11小時(shí),副燈在主燈不能工作時(shí)而輔助工作,一般電流較小且要求時(shí)間不低

  于30小時(shí)。3. 特殊的應(yīng)用環(huán)境要求所有的控制電路不能在工作時(shí)產(chǎn)生電弧或者電火花,以避免瓦斯爆炸。

  礦燈用的電池最早是鉛酸電池,但由于體積大、重量大、容量小,鉛酸電池很快就退出了這個(gè)舞臺(tái)。接著,鋰離子電池的快速發(fā)展以及鋰離子電池相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸電池在體積和容量上的優(yōu)勢(shì),使得大部分的礦燈生產(chǎn)和設(shè)計(jì)廠商都選用鋰離子電池作為礦燈的電源。這種普通的鋰電池大多采用鈷酸鋰和錳酸鋰作為正極材料,在短路和撞擊時(shí)有可能發(fā)生冒火和爆炸,在過(guò)充和濫放時(shí)會(huì)由于電池?zé)後尫呕驘崾Э囟痣姵厝紵?/P>

  近年來(lái)一種新興的磷酸鐵鋰電池迅速成長(zhǎng)起來(lái)。磷酸鐵鋰電池采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料,是通過(guò)濫用測(cè)試的真正安全電池。LiFePO4耐高溫、遇熱不分解,在電池過(guò)充或短路的情況下物理和化學(xué)特性非常穩(wěn)定。當(dāng)電池濫用時(shí),LiFePO4不會(huì)因熱釋放或熱失控而引起電池燃燒。電池在3A 5V下過(guò)充,電池溫度不會(huì)超過(guò)55℃,非常安全。當(dāng)進(jìn)行熱箱測(cè)試時(shí),在加溫到130℃的5~8小時(shí)的過(guò)程中,電池溫度幾乎與箱溫一致,不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部短路。當(dāng)被擠壓與針刺時(shí),溫度不會(huì)超過(guò)110℃。具有橄欖石型結(jié)構(gòu)的LiFePO4能滿(mǎn)足高安全、高容量、高功率鋰電池的需要。LiFePO4無(wú)毒、環(huán)境友好、原料豐富、比容量高、充放電平穩(wěn)、循環(huán)性能好、熱穩(wěn)定性高、安全可靠,采用該材料制造的鋰離子電池非常適用于對(duì)安全性、循環(huán)壽命、功率特性、使用成本有很高要求的電池應(yīng)用領(lǐng)域。

  普通的鈷酸鋰和錳酸鋰電池的額定電壓范圍是3.6V~4.2V,而礦燈采用的單芯片白光LED的導(dǎo)通電壓是3.8V(200mA電流),所以LED驅(qū)動(dòng)器必須采用升降壓模式來(lái)滿(mǎn)足導(dǎo)通電壓要求。圖1是礦燈用白光LED的常用驅(qū)動(dòng)方案。由于升降壓驅(qū)動(dòng)電路主要受升壓電路的影響,所以很難實(shí)現(xiàn)很高的效率,而且該方案比較復(fù)雜、成本較高。

  圖1:礦燈用白光LED的常用驅(qū)動(dòng)方案。

  新興的磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍是2.5V~3.4V,因此只需單一的升壓電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。Sipex公司的SP6648是一款采用同步整流技術(shù)的升壓型DC/DC調(diào)節(jié)器,可以從0.7V~4.5V升壓到需要的電壓值,可提供最大400mA的電流。對(duì)于LED,建議采用恒流驅(qū)動(dòng)方式以滿(mǎn)足亮度一致和高效率,圖2a為應(yīng)用電路圖。

  當(dāng)SW2閉合,SW1斷開(kāi)時(shí),主燈D2亮,以維持高亮度、長(zhǎng)時(shí)間的照明,恒定輸出電流等于IOUT=1.25V/R2。

  當(dāng)SW2斷開(kāi),SW1閉合,或者當(dāng)U1出現(xiàn)問(wèn)題不能點(diǎn)亮?xí)r,副燈開(kāi)始工作,在15mA的電流下保證足夠長(zhǎng)的照明時(shí)間。由于副燈D1的電流很小(為15mA),導(dǎo)通電壓很低(大約為3V),所以可以直接由電池驅(qū)動(dòng)而無(wú)需額外的升壓電路。

  將開(kāi)關(guān)SW1、SW2連接到地,以免控制電源線(xiàn)而可能產(chǎn)生電弧或者電火花。R3和R4被用來(lái)設(shè)置電池欠壓保護(hù)閾值,VLOWBATT=0.61×(R3+R4)/R4。R1可以限制流過(guò)L1的峰值電流,以控制輸出電路,Ipeak=1,600/Rlim。C1和C2則由原來(lái)的鉭電容改為無(wú)極性的陶瓷電容,因?yàn)橛袠O性鉭電容在發(fā)生短路時(shí)有可能產(chǎn)生火花或者燃燒,這在礦燈應(yīng)用中是堅(jiān)決杜絕的。

  但是圖2a電路也有不足之處。1.25V的FB引腳電壓在R2上將產(chǎn)生較大的損耗(約為1.25V×200mA=0.25W),從而降低整個(gè)方案的效率。圖2b對(duì)圖2a電路進(jìn)行了改進(jìn)。

  圖2:(a) 基于SP6648的礦燈用白光LED驅(qū)動(dòng)電路圖;(b) 對(duì)圖2電路進(jìn)行改進(jìn)后可以提高整個(gè)方案的效率。

  圖2b電路在FB引腳上增加了1N4148二極管,使得R2上的損耗減少到(1.25V-0.6V)×200mA=0.13W,這使得整體方案的效率大大提高。具體的效率曲線(xiàn)如圖3所示,在磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍內(nèi),平均效率達(dá)到90%。

  圖3:圖2b電路的效率曲線(xiàn)。

  圖2a的輸出端采用了陶瓷電容,由于陶瓷電容的ESR非常低,輸出電壓調(diào)制不能太穩(wěn)定,從而導(dǎo)致紋波變大。為減小輸出紋波以保護(hù)LED并延長(zhǎng)使用壽命,圖2b在輸出電容C2旁串聯(lián)一個(gè)0.1Ω的小阻值電阻(ESR太高會(huì)導(dǎo)致效率降低,因此該電阻的阻值不能太大),使輸出紋波從原來(lái)的100mV減小到50mV,如圖4所示。當(dāng)然也可以在LED上并聯(lián)一個(gè)220pF的旁路電容來(lái)改善輸出紋波。

  圖4:在輸出電容C2旁串聯(lián)一個(gè)0.1Ω的小阻值電阻,使輸出紋波從原來(lái)的100mV減小到50mV。

  最后考慮升壓電路的過(guò)壓保護(hù)問(wèn)題。當(dāng)LED開(kāi)路時(shí),SP6648輸出電壓固定在3.3V,因此無(wú)需擔(dān)心過(guò)壓超過(guò)8V的礦燈限制,也不用增加過(guò)壓保護(hù)電路??傊?,SP6648是一款可以提供最大400mA電流的同步升壓芯片,具有高達(dá)92%的效率,它僅需很少的外圍元器件,便能以較低成本滿(mǎn)足礦燈應(yīng)用的要求。

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