一種新型野外太陽能LED無影燈的設計與研制

胡軍智，杜生明，徐新民，徐海琴，曹鐵軍，殷朝慶

1.解放軍第323醫院 醫學工程科，陜西 西安 710054；2.蘭州軍區機關第二門診部，甘肅 蘭州 730000

當火災、地震、洪水、雪災、海嘯等自然災害發生時，或者戰爭爆發，在野外無油、無電等惡劣、復雜的環境中，而又有許多傷病員亟待在無影燈下施行手術，設計或研制一種無影燈手術燈能在上述環境中使用，對降低死亡率，提高治愈率有著十分重要的意義。而傳統的室內手術燈卻有體積大、質量重、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雜環境中醫療救治中手術需要。

1 設計與研制的目標

設計一款高效、節能、實用、便攜、太陽能LED無影燈，可完全克服傳統的鹵鎢燈無影燈的諸多缺點，既能在野外無電、無油等復雜環境中靈活使用，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、綠色優質能源的新型手術燈。

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電，經轉換后供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，抗沖擊能力比傳統手術燈都要強。為能夠在野外環境中機動靈活地使用，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較輕的材料。這樣的設計結構輕巧、架設簡單，組合方便、便攜搬運。而且采用光伏供電和常規供電相結合，可全方位、全天候長時間工作，更加適應現代戰爭復雜環境的野戰手術的實際需要，更能適合現代非軍事救援中的醫療保障。

2 設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無影燈系統分為6個單元：太陽能電池板單元、市電220V或發電機單元、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，光生伏特效應產生DC12V，經太陽能與市電充電切換裝置，再經過系統控制器對專用蓄電池組單元進行充電，專用蓄電池經過一定時間儲能完成后，再經過系統控制器對LED無影燈放電，使其工作。② 當有220V市電或發電機情況下，不必展開太陽能電池板箱，由市電或發電機單元直接輸出的AC220V，經AC/DC變換后產生的DC12V，DC12V對專用蓄電池進行充電儲能，充電完成后供LED無影燈使用。不管是由太陽能電池板經光照產生電流對專用蓄電池充電，還是由220V市電經轉換后對蓄電池充電，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，滿足野戰外科手術的實際需要。

2.1 系統控制及LED燈驅動的選定與設計

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

LED燈驅動器主要采用凌力爾特公司的具有60V、高壓側電流檢測DC/DC轉換器LT3755。該驅動器主要驅動大電流大功率的LED，輸入電壓范圍為4.5~40V，LT3755使用外部N溝道MOSFET，可以輸入標稱DC12V，來驅動多達14個串聯1A的LED，提供超過 50W 的功率。該驅動器具高壓側電流檢測，在升壓模式可以實現高于94%的效率，從而無需任何外部散熱措施。LT3755 采用True Color PWM調光，以高達 3000:1的調光范圍實現恒定LED色彩[1]。根據野外環境光線的局限及野戰外科手術光斑的需求，采用CTRL引腳進行模擬調光（可提供10:1調光的范圍），由于在FB引腳上以地為基準的電壓用作幾項LED保護功能的輸入，LT3755轉換器作為恒定電流源工作，這樣可以進一步延長LED燈的使用壽命。

2.2 太陽能與市電充電切換裝置的設計

太陽能與市電切換裝置選用雙向二選一模擬開關74CH4503，低電平控制，當低電平輸入時，整個系統由太陽能供電，由陽光照射太陽能電池板光生伏特效應，產生電流為專用蓄電池充電，蓄電池充電完成后，輸出DC12V驅動LT3755驅動器，點亮LED無影燈；當高電平輸入時，整個由市電供電，AC220V經AC/DC變換為DC12V，對專用蓄電池充電，充電完成后，驅動LT3755驅動器，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，發生光生伏特效應產生電流。基本作用是將豐富的光能轉化為常用的電能，以供其他設備使用。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電系統中最重要的部件之一，其轉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換效率為15%左右，最高的達到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的[3]。太陽能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。

太陽能電池板的優劣主要由開路電壓和短路電流這兩項指標來衡量根據LED燈的功率大小、性價比以及實際的需求。根據該LED無影燈系統功率大小和總體設計要求，選用規格為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,并聯連接共同輸出。

2.4 無影燈光源的設計

LED是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體，它與傳統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、節能環保等諸多優點，LED是二十一世紀最有發展潛力的光源[4]。研究資料表明，由于LED是冷光源，半導體照明自身對環境沒有污染，與白熾燈、熒光燈相比，節電效率可以達到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取代目前傳統照明的50%，每年我國節省的電量就相當于一個三峽電站發電量的總和，其節能效益十分可觀，目前，我國已經將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境及其復雜的未來戰爭中，采用節能、環保、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燈組構成整個無影手術燈。考慮到野戰環境中攜行、搬運等原因，由DC12V提供電源使用，選用Linear公司LT3755DC/DC轉換器作為該LED無影燈的恒流源驅動電路[7]。驅動器為全密閉模塊封裝結構，適合在高濕度、高粉塵、強震動、對防爆有一定要求等環境下使用，尤其適合野外使用。

從驅動技術和發光管的特性來看，多只LED燈組應該優先使用串聯方案。通過對整個樣燈進行電氣強度實驗(電壓1500V)及突波實驗，實驗結果是，先把10~12只1W的LED串聯，既使電路中有一只燒壞(一般為短路),也不會影響該串聯電路上的其它LED的正常發光；再把每串聯電路進行并聯，才能達到安全可靠、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的膠體電解質蓄電池，電解反應時呈凝膠狀態，不流動、無泄露，可立式或臥式擺放，又采用進口的膠體電池專用波紋式PVC隔板，其隔板孔率大，電阻低，電解反應在密封環境中完成，使電池全密封、無電解液的溢出和酸霧的析出，對環境和設備無污染，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燈架的設計

根據該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，調整其傾角，使三塊太陽能電池板盡量與太陽光線垂直，以達到光生伏特電流最大。不用時，關上抽屜，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，來實現聚焦、無影等技術。采用鋁合金的折疊架，材質較輕,安全可靠。既能固定在單獨成型，獨立使用，又能架設或附著在車側板或樹干上；材質輕，折疊靈活，科學安全，便于戰時、野外攜行、搬運，容易架設，便于推廣。該燈架涉及到的關節活動范圍應附合《中華人民共和國醫藥行業標準YY 0102~0103-93》中5.2、5.4之相關規定。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 結束語

經過實驗該LED無影燈的光照度特性、色溫、光斑及相應其它參數均附合《中華人民共和國醫藥行業標準YY 0102~0103-93》中 5.9、5.10、6.4.5、6.4.6、6.4.7之相關規定，能滿足手術無影燈的要求[10,11]。該LED無影燈的研制必將提高戰傷救治時效，縮短野外搶救時間，降低死亡率，提高傷病員的治愈率，對我軍在現代未來戰爭中提高部隊的戰斗力的意義深遠。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、抗洪等各種救災中的醫療救援產生深厚影響。

[1]Linear.Linear LT3755大電流LED控制方案[EB/OL].(2008-07-25)[2010-05-26].http://www.cnledw.com/solution/detail-9754.htm.

[2]量子效率.太陽能電池板的作用及種類[EB/OL].(2007-01-18)[2010-05-26].http://www.coema.org.cn/bbs/dv_rss_xhtml_101_16406_1_1_count9.html.

[3]趙玉文,舒杰.中國光伏產業發展現狀與規劃建議[EB/OL].(2008-07-03)[2010-05-26].http://www.newenergy.org.cn/html/0087/730818631_2.html.

[4]閆德立,高金環,高兆豐,等.高亮發光二極管壽命評價[J].半導體技術,2009(10): 978-979.

[5]周生洪,王列軍,韋傳正,等.LED照明技術探討[J].科技資訊,2009(28):242.

[6]吳淑梅,霍彥明.LED光源的應用及前景[J].燈與照明,2008,32(3):24-26.

[7]譚功偉.發光二極管(LED)在汽車燈具上的應用[J].光源與照明,2009(2):5-7.

[8]王景川,從志賢,孫學禮.關于膠體和貧液密封鉛酸蓄電池的討論[J].蓄電池,1997(2):29-30.

[9]陳紅雨,朱紹勇,梁少鶯.硅溶膠與氣相二氧化硅配制膠體電解質的研究[J].蓄電池,2002,39(1):9.

[10]周文光,等.一種新型發光二極管手術無影燈的研制[J].中國醫療設備,2009(11):17-19.

[11]朱根娣,劉敏娟.新型LED手術無影燈的光照度特性的研究[J].中國醫療器械雜志,2009,33(3):183.