一種新型野外太陽能LED無影燈的設(shè)計與研制

胡軍智，杜生明，徐新民，徐海琴，曹鐵軍，殷朝慶

1.解放軍第323醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，陜西 西安 710054；2.蘭州軍區(qū)機(jī)關(guān)第二門診部，甘肅 蘭州 730000

當(dāng)火災(zāi)、地震、洪水、雪災(zāi)、海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生時，或者戰(zhàn)爭爆發(fā)，在野外無油、無電等惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中，而又有許多傷病員亟待在無影燈下施行手術(shù)，設(shè)計或研制一種無影燈手術(shù)燈能在上述環(huán)境中使用，對降低死亡率，提高治愈率有著十分重要的意義。而傳統(tǒng)的室內(nèi)手術(shù)燈卻有體積大、質(zhì)量重、單一供電（僅用市電）、又不能隨意拆卸組合等諸方面缺點，根本不能滿足上述復(fù)雜環(huán)境中醫(yī)療救治中手術(shù)需要。

1 設(shè)計與研制的目標(biāo)

設(shè)計一款高效、節(jié)能、實用、便攜、太陽能LED無影燈，可完全克服傳統(tǒng)的鹵鎢燈無影燈的諸多缺點，既能在野外無電、無油等復(fù)雜環(huán)境中靈活使用，又能在220V市電下正常工作。既能拆卸組合、又能固定使用，而且是一種充分利用新能源、綠色優(yōu)質(zhì)能源的新型手術(shù)燈。

在野外無電、無油等可利用資源十分缺乏的情況下，充分利用大自然中豐富的太陽能來發(fā)電，經(jīng)轉(zhuǎn)換后供LED無影燈使用。該燈采用一種大功率的高亮度白光發(fā)光二極管（以下簡稱LED）作為基本點光源，按陣列排成多組光束，可使照射區(qū)域清晰度高、無影效果好、能耗低，照射時間長，抗沖擊能力比傳統(tǒng)手術(shù)燈都要強。為能夠在野外環(huán)境中機(jī)動靈活地使用，整個無影燈的體積不宜制作得太大，故采用既能展開又能收攏的太陽能電池板，不用時可收攏裝箱；還采用能夠折疊的無影燈燈架、且折疊燈架選用材質(zhì)較輕的材料。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)簡單，組合方便、便攜搬運。而且采用光伏供電和常規(guī)供電相結(jié)合，可全方位、全天候長時間工作，更加適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭復(fù)雜環(huán)境的野戰(zhàn)手術(shù)的實際需要，更能適合現(xiàn)代非軍事救援中的醫(yī)療保障。

2 設(shè)計與研制的基本工作原理

圖1 太陽能LED無影燈原理方框圖

如圖1所示，該太陽能LED無影燈系統(tǒng)分為6個單元：太陽能電池板單元、市電220V或發(fā)電機(jī)單元、太陽能與市電充電切換裝置、控制電路單元、專用蓄電池組單元、LED無影燈單元。

該太陽能LED無影燈的基本工作原理：① 在白天或陽光充足時，通過陽光照射太陽能電池板，光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生DC12V，經(jīng)太陽能與市電充電切換裝置，再經(jīng)過系統(tǒng)控制器對專用蓄電池組單元進(jìn)行充電，專用蓄電池經(jīng)過一定時間儲能完成后，再經(jīng)過系統(tǒng)控制器對LED無影燈放電，使其工作。② 當(dāng)有220V市電或發(fā)電機(jī)情況下，不必展開太陽能電池板箱，由市電或發(fā)電機(jī)單元直接輸出的AC220V，經(jīng)AC/DC變換后產(chǎn)生的DC12V，DC12V對專用蓄電池進(jìn)行充電儲能，充電完成后供LED無影燈使用。不管是由太陽能電池板經(jīng)光照產(chǎn)生電流對專用蓄電池充電，還是由220V市電經(jīng)轉(zhuǎn)換后對蓄電池充電，只要專用蓄電池儲能足夠，就能供LED無影燈正常工作。換句話說，不論天晴下雨，該燈就可以全方位、全天候工作，滿足野戰(zhàn)外科手術(shù)的實際需要。

2.1 系統(tǒng)控制及LED燈驅(qū)動的選定與設(shè)計

系統(tǒng)控制單元選用SDRC-10I太陽能專用控制器為整個LED無影燈系統(tǒng)的核心。該控制器專為太陽能直流供電系統(tǒng)、太陽能直流照明系統(tǒng)而設(shè)計，并使用了智能化的單片機(jī)。利用蓄電池放電特性修正的準(zhǔn)確放電自動控制。采用一鍵式輕觸開關(guān)，完成所有操作及設(shè)置。利用E方存儲器記錄各工作控制點，使設(shè)置數(shù)字化，提高控制準(zhǔn)確率，具有高精度溫度補償。采用了串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電效率較非PWM高3%~6%，增加了用電時間，過放恢復(fù)的提升充電，正常的直充，浮充自動控制方式使系統(tǒng)由更長的使用壽命。

LED燈驅(qū)動器主要采用凌力爾特公司的具有60V、高壓側(cè)電流檢測DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3755。該驅(qū)動器主要驅(qū)動大電流大功率的LED，輸入電壓范圍為4.5~40V，LT3755使用外部N溝道MOSFET，可以輸入標(biāo)稱DC12V，來驅(qū)動多達(dá)14個串聯(lián)1A的LED，提供超過 50W 的功率。該驅(qū)動器具高壓側(cè)電流檢測，在升壓模式可以實現(xiàn)高于94%的效率，從而無需任何外部散熱措施。LT3755 采用True Color PWM調(diào)光，以高達(dá) 3000:1的調(diào)光范圍實現(xiàn)恒定LED色彩[1]。根據(jù)野外環(huán)境光線的局限及野戰(zhàn)外科手術(shù)光斑的需求，采用CTRL引腳進(jìn)行模擬調(diào)光（可提供10:1調(diào)光的范圍），由于在FB引腳上以地為基準(zhǔn)的電壓用作幾項LED保護(hù)功能的輸入，LT3755轉(zhuǎn)換器作為恒定電流源工作，這樣可以進(jìn)一步延長LED燈的使用壽命。

2.2 太陽能與市電充電切換裝置的設(shè)計

太陽能與市電切換裝置選用雙向二選一模擬開關(guān)74CH4503，低電平控制，當(dāng)?shù)碗娖捷斎霑r，整個系統(tǒng)由太陽能供電，由陽光照射太陽能電池板光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生電流為專用蓄電池充電，蓄電池充電完成后，輸出DC12V驅(qū)動LT3755驅(qū)動器，點亮LED無影燈；當(dāng)高電平輸入時，整個由市電供電，AC220V經(jīng)AC/DC變換為DC12V，對專用蓄電池充電，充電完成后，驅(qū)動LT3755驅(qū)動器，使LED無影燈正常工作。

2.3 太陽能電池板的選定

太陽能電池板基本原理是通過太陽光線照射太陽能電池板，發(fā)生光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電流?；咀饔檬菍⒇S富的光能轉(zhuǎn)化為常用的電能，以供其他設(shè)備使用。從其制作的主要材料看，它的分類包括晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池，其中晶硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池；薄膜太陽能電池又分為多元化合物太陽能電池和非晶硅太陽能電池。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素[2]。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的[3]。太陽能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。

太陽能電池板的優(yōu)劣主要由開路電壓和短路電流這兩項指標(biāo)來衡量根據(jù)LED燈的功率大小、性價比以及實際的需求。根據(jù)該LED無影燈系統(tǒng)功率大小和總體設(shè)計要求，選用規(guī)格為30W/12V(最大開路電壓為21.42V、短路電流為1.93A)的單晶硅太陽電池板三塊,并聯(lián)連接共同輸出。

2.4 無影燈光源的設(shè)計

LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，它與傳統(tǒng)的鹵鎢燈作為無影燈光源相比，具有效率高、光色純、能耗小、壽命長、冷光源、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，LED是二十一世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ墓庠碵4]。研究資料表明，由于LED是冷光源，半導(dǎo)體照明自身對環(huán)境沒有污染，與白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電效率可以達(dá)到70%以上。在同樣亮度下，耗電量僅為普通白熾燈的1/10，熒光燈管的1/2。如果用LED取代目前傳統(tǒng)照明的50%，每年我國節(jié)省的電量就相當(dāng)于一個三峽電站發(fā)電量的總和，其節(jié)能效益十分可觀，目前，我國已經(jīng)將LED等的研制和推廣放到了一個非常重要的位置[5,6]。所以，在能源極度匱乏和環(huán)境及其復(fù)雜的未來戰(zhàn)爭中，采用節(jié)能、環(huán)保、高效的LED作為無影燈或探照燈的光源是最佳選擇。

我們選用光通量為110Lm功率為1W的暖白色光LED作為點光源，由10~12只LED按陣列排成園型組成一個燈組，通過簡單計算，4個LED燈組構(gòu)成整個無影手術(shù)燈?？紤]到野戰(zhàn)環(huán)境中攜行、搬運等原因，由DC12V提供電源使用，選用Linear公司LT3755DC/DC轉(zhuǎn)換器作為該LED無影燈的恒流源驅(qū)動電路[7]。驅(qū)動器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度、高粉塵、強震動、對防爆有一定要求等環(huán)境下使用，尤其適合野外使用。

從驅(qū)動技術(shù)和發(fā)光管的特性來看，多只LED燈組應(yīng)該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。通過對整個樣燈進(jìn)行電氣強度實驗(電壓1500V)及突波實驗，實驗結(jié)果是，先把10~12只1W的LED串聯(lián)，既使電路中有一只燒壞(一般為短路),也不會影響該串聯(lián)電路上的其它LED的正常發(fā)光；再把每串聯(lián)電路進(jìn)行并聯(lián)，才能達(dá)到安全可靠、更能延長整個LED無影燈的壽命。

2.5 專用蓄電池的選定

普通鉛酸電池有滲漏液，腐蝕物品、污染環(huán)境、耐深放電小、容易爆炸等缺點。而以氣相二氧化硅和多種添加劑為電解質(zhì)的膠體電解質(zhì)蓄電池，電解反應(yīng)時呈凝膠狀態(tài)，不流動、無泄露，可立式或臥式擺放，又采用進(jìn)口的膠體電池專用波紋式PVC隔板，其隔板孔率大，電阻低，電解反應(yīng)在密封環(huán)境中完成，使電池全密封、無電解液的溢出和酸霧的析出，對環(huán)境和設(shè)備無污染，同時具有耐腐蝕性能好，浮充壓低，浮充電流小，可靠性能突出（12V全系列電池均具有濾氣防爆片裝置，電池外部遇到明火無引爆），電池使用溫度范圍廣（-30~50℃）[8,9]，根據(jù)LED無影燈實際使用需求，選用了12V100AH膠體蓄電池。

2.6 太陽能電池板箱的制作與LED燈架的設(shè)計

根據(jù)該LED無影燈的具體情況，我們將太陽能電池板箱做成既能展開，又可以折疊的箱子，將上述3塊規(guī)格為30W/12V的太陽能光伏板分別嵌入該箱的上蓋、底部、和抽屜上。使用時，展開上蓋，拉開抽屜，調(diào)整其傾角，使三塊太陽能電池板盡量與太陽光線垂直，以達(dá)到光生伏特電流最大。不用時，關(guān)上抽屜，扣上上蓋子，可以攜行。

該LED燈架做成傘狀燈架的折疊架，傘狀燈架是通過推動中央的托盤達(dá)到燈架的展開與收攏，LED燈組可軟連接在各支架頂端，來實現(xiàn)聚焦、無影等技術(shù)。采用鋁合金的折疊架，材質(zhì)較輕,安全可靠。既能固定在單獨成型，獨立使用，又能架設(shè)或附著在車側(cè)板或樹干上；材質(zhì)輕，折疊靈活，科學(xué)安全，便于戰(zhàn)時、野外攜行、搬運，容易架設(shè)，便于推廣。該燈架涉及到的關(guān)節(jié)活動范圍應(yīng)附合《中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0102~0103-93》中5.2、5.4之相關(guān)規(guī)定。LED燈折疊架主要部件具體如圖2所示：

圖2 LED折疊燈架主要部件

3 結(jié)束語

經(jīng)過實驗該LED無影燈的光照度特性、色溫、光斑及相應(yīng)其它參數(shù)均附合《中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0102~0103-93》中 5.9、5.10、6.4.5、6.4.6、6.4.7之相關(guān)規(guī)定，能滿足手術(shù)無影燈的要求[10,11]。該LED無影燈的研制必將提高戰(zhàn)傷救治時效，縮短野外搶救時間，降低死亡率，提高傷病員的治愈率，對我軍在現(xiàn)代未來戰(zhàn)爭中提高部隊的戰(zhàn)斗力的意義深遠(yuǎn)。該LED無影燈能夠全方位、全天候長時間工作，必將對我國抗震、搶險、抗洪等各種救災(zāi)中的醫(yī)療救援產(chǎn)生深厚影響。

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