一種野戰(zhàn)醫(yī)用LED無影燈的太陽能供電系統(tǒng)的設計

周文光，魏培德，許新建，孔悅

解放軍第174醫(yī)院 ，福建 廈門 361003

一種野戰(zhàn)醫(yī)用LED無影燈的太陽能供電系統(tǒng)的設計

周文光，魏培德，許新建，孔悅

解放軍第174醫(yī)院 ，福建 廈門 361003

目的 為野戰(zhàn)醫(yī)用LED無影燈設計一種太陽能供電系統(tǒng)。方法 采用特定高效太陽能電池板設計一種以ne555為控制芯片、以78M09為穩(wěn)壓芯片的太陽能控制器，包括輸入電流調(diào)節(jié)電路、自適應三段式充電模式電路、穩(wěn)定放電電路、監(jiān)測電路等，并與蓄電池組成太陽能供電系統(tǒng)，為野戰(zhàn)無影燈供電。結果 經(jīng)過測試，本系統(tǒng)能夠在無市電的野外環(huán)境滿足LED無影燈6～8h的供電。結論 LED無影燈能夠充分利用太陽能供電，實現(xiàn)了供電方式多樣化，使其自身功能維持能力增強。

太陽能供電系統(tǒng)；LED無影燈；太陽能電池；野戰(zhàn)醫(yī)療手術

1 研究背景

野戰(zhàn)醫(yī)用LED無影燈在野戰(zhàn)醫(yī)療手術中發(fā)揮著不可代替的作用，長期在野外使用，對供電系統(tǒng)有著特殊的要求[1]。傳統(tǒng)的野戰(zhàn)醫(yī)用LED無影燈主要依靠市電供電或者通過蓄電池供電，在野外無市電、無油等惡劣復雜的環(huán)境中，供電經(jīng)常不足，并且目前蓄電池還存在著放電不穩(wěn)定、過放電、輸出電流不穩(wěn)、壽命低等缺點[2]。

針對上述情況，設計一種基于ne555控制芯片的太陽能控制器（圖1）。選擇光電轉化率高的太陽能電池板和容量大的蓄電池組成太陽能供電系統(tǒng)為LED無影燈供電[3]。這樣由太陽能電池板輸出的電流通過太陽能控制器進行調(diào)節(jié)，加入多級充、放電保護，對蓄電池充電采用自適應三段充電模式，對蓄電池的電量進行實時監(jiān)測，穩(wěn)定蓄電池輸出電流、防止蓄電池過放電。整個LED無影燈供電系統(tǒng)不依賴市電，在野外依靠陽光就可為LED無影燈提供能源，保障無影燈利用多能源展開工作。

圖1 太陽能控制器電路結構框圖

2 系統(tǒng)總體設計和實現(xiàn)

本系統(tǒng)設計由4部分組成：太陽能控制器設計、太陽能供電系統(tǒng)設計、太陽能供電系統(tǒng)參數(shù)設計[4]和太陽能供電系統(tǒng)在LED無影燈上的運用測試。

設計目標：保證太陽能轉化率高，太陽能控制器輸出電壓穩(wěn)定，離開市電能使LED無影燈工作時間足夠長，整個發(fā)電系統(tǒng)應方便拆卸和安裝，便于攜帶。

2.1 太陽能控制器設計

設計目標：太陽能控制器對太陽能電池板輸出的電流進行調(diào)節(jié)，保證對蓄電池有3種自適應充電模式，并且能對蓄電池電量監(jiān)測；放電時可以穩(wěn)定蓄電池輸出電流，并且防止蓄電池過放電，對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。具體工作電路圖，見圖2。

對太陽能電池板輸出的電流進行調(diào)節(jié)，主要是通過ne555芯片進行控制。ne555芯片作為脈寬調(diào)制器，太陽能電池板輸出的電流通過電阻轉化為電壓信號，再通過變阻器輸入ne555的THOLD端。ne555根據(jù)輸入的信號控制輸出負脈沖來實現(xiàn)對太陽能電池板輸出電流的調(diào)節(jié)。

太陽能控制器的3種自適應充電模式電路，通過另一塊ne555芯片作為延時發(fā)生器來控制充電電壓[4]。剛開始充電時，通過78M09穩(wěn)壓芯片輸出9V電壓，再通過R10和穩(wěn)壓管D4提供穩(wěn)定的電壓給增強型MOS管的柵極和源級，使源級輸出的電流就保持不變，此時開始恒流限壓充電。當蓄電池電壓上升到一定電壓后，通過ne555芯片發(fā)出的負脈沖信號使光耦導通，增強型MOS進入飽和區(qū)，并且充電電流基本保持不變，此時就進入恒壓限流充電，當蓄電池電壓和穩(wěn)壓后的電壓基本相等時進入涓充。

蓄電池給負載供電是通過電容C1、C2對輸入電壓進行穩(wěn)壓，并通過ne555芯片的OUT 端接D1進行監(jiān)測，防止蓄電池的過放電。

2.2 太陽能供電系統(tǒng)設計

設計目標：整個供電系統(tǒng)連接簡單、安裝快速、便于攜帶，并且能夠輸出蓄電池所需的充電電壓。

太陽能供電系統(tǒng)主要包括太陽能電池板、太陽能控制器、儲能組件、輸出穩(wěn)壓板等[5]主要部分（圖3）。

圖3 太陽能供電系統(tǒng)框圖

太陽能供電系統(tǒng)的工作原理：通過太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢，組件以串、并聯(lián)形式組成太陽能電池方陣，以保證方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求[6]，再通過太陽能控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來。

太陽能電池板的選擇：大小為50cm×60cm（2塊）、重量為10kg（每塊），容易攜帶；連接線采用卡式接口，方便快速安裝。太陽能電池板展收圖，見圖4。

圖2 太陽能控制器電路圖

圖4 太陽能電池板展收圖

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設計

整個太陽能供電系統(tǒng)，采用的2塊太陽能電池板輸出電壓都為18V，并聯(lián)使用。在陰天情況下輸出電壓可達36V；在晴天情況下輸出電壓可達44V。儲能元件采用2個12V17AH的蓄電池，這樣可確保充電電壓的穩(wěn)定。

測試時，首先把兩個蓄電池進行充分放電，然后接好太陽能控制器、太陽能電池板等元件。分別在晴天和陰天兩種環(huán)境下進行充電（圖5），并對其輸出功率、充電時間等參數(shù)進行記錄并評定（圖6）。

圖5 太陽充電系統(tǒng)測試圖

圖6 充電時間和蓄電池電壓對應圖

在整個供電系統(tǒng)應用試驗中，從圖6可以看出蓄電池充滿電，在晴天時需要8h左右，在陰天需要16h左右。這樣在野外環(huán)境下充電1～2d就可以滿足LED無影燈的基本使用。

本次試驗使用的LED無影燈的功率為50W，2個串聯(lián)蓄電池均為12V/17AH。充滿電后的電壓為25.9V，蓄電池的功率為電壓與容量的乘積，則充完電后電池組輸出的功率為W=25.9×17=440W,可以給無影燈供電8h，遠遠滿足野外手術的要求[9]。

2.4 太陽能供電系統(tǒng)在LED無影燈的運用測試

傳統(tǒng)野戰(zhàn)手術無影燈一般選用真空玻璃器件類燈為發(fā)光源[7-8]，能源消耗很大、能效比較差，使得傳統(tǒng)野戰(zhàn)手術無影燈無法長時間離開市電。LED手術無影燈不僅各項參數(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)手術無影燈，且電能耗消耗也大幅度減少，這使得太陽能供電系統(tǒng)可以運用于LED手術無影燈。

本試驗采用的LED無影燈有28顆大功率LED點光源聚焦，最大功耗為50W，太陽能供電系統(tǒng)充電的蓄電池可以供電8h，完全可以滿足LED手術無影燈的供電需求。

3 小結

經(jīng)過測試，整個供電系統(tǒng)能夠以較高的效率充電[9]，并且經(jīng)過太陽能充電后能夠滿足LED無影燈供電的要求。但系統(tǒng)受天氣變化的影響比較大，如果連續(xù)幾天下雨，太陽能供電系統(tǒng)就無法補充電源[10]。另外，太陽能電池板本身的轉化率也是決定充電系統(tǒng)的關鍵指標，研制轉化率更高的太陽能電池板和采用容量更大、更輕的蓄電池來提升整個太陽能充電系統(tǒng)是我們今后努力的方向。

[1] 胡智軍,徐新民.國內(nèi)野戰(zhàn)型太陽能LED無影燈手術的發(fā)展現(xiàn)狀[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(10):111-112.

[2] 胡智軍,杜生明,徐新民,等.一種新型野外太陽能LED無影燈的設計與研制[J].中國醫(yī)療設備,2010,25(9):27-29.

[3] 胡智軍,徐新民.一種光伏型野戰(zhàn)LED無影燈的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(9):81-83.

[4] 周志敏,紀愛華.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:32-35.

[5] 周文光,魏培德,沙益夫,等.野戰(zhàn)LED手術無影燈的光路設計[J].中國醫(yī)療設備,2011,26(12):31-34.

[6] 施鈺川.太陽能原理與技術[M].西安:西安交通大學出版社,2009:36-39.

[7] 崔容強,趙春江,吳達.并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007:66-68.

[8] 李傳軍,謝迅雷,滕越.提高野戰(zhàn)手術燈的性能及其存儲效益[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(8):108.

[9] (印)派特.風能與太陽能發(fā)電系統(tǒng):設計、分析與運行[M].姜齊榮,張春朋,等.譯.2版.北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[10] 胡志新,虞耀君.太陽能空調(diào)熱水一體化技術開發(fā)研究[J].九江學院學報,2006,(1):5-7.

Research of Solar Power Supply System on LED Shadowless Lamp in Field Operation

ZHOU Wen-guang, WEI Pei-de, XU Xin-jian, KONG Yue
The 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

Objective To develop a solar power supply system on LED shadowless lamp in field operation. Methods Use a specific efficient solar arrays to design a solar controller with ne555 as control chip and 78M09 as stable pressure chip, including current adjustment circuit、adaptive three-pattern charging circuit、stability discharging circuit、monitoring circuit and so on. With the battery ,they will compose the power supply system to supply power for the shadowless lamp. Results After practice testing, the Solar power supply system can provide 6 to 8 hours' power supply for LED shadowless lamp in the field without the electricity. Conclusion Using solar energy supply fully, the shadowless lamp has advantages of uninterrupted power supply and great maintenance ability.

solar power supply system; LED shadowless lamp ;solar battery ; field operation

TM914.4；TM923.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.003

1674-1633(2012)02-0016-03

2011-08-23

南京軍區(qū)2007年度科技創(chuàng)新項目資助課題（07M062）。實用新型專利：發(fā)光二極管手術無影燈（ZL200620114526.3）。

本文作者：周文光，主任技師，主要從事醫(yī)療設備的維修、質(zhì)量控制、使用管理等方面的研究工作。

孔悅，護理部主任， 副主任護師。

作者郵箱：zhouwgsun@126.com