WYD2000型野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路的改進(jìn)

梁津國 胡紅波

WYD2000型野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路的改進(jìn)

梁津國①胡紅波②

1 野戰(zhàn)手術(shù)燈改進(jìn)目的

為達(dá)到野戰(zhàn)手術(shù)燈的現(xiàn)實(shí)使用要求，對其充放電電路進(jìn)行改造是有必要的。隨著科技發(fā)展，電路元件向著集成化、小型化發(fā)展，在新設(shè)計(jì)電路中，主要采用集成元件作為其控制元件[4-5]。同時(shí)，由于戰(zhàn)用醫(yī)療儀器對環(huán)境的要求越來越高，且集成元件功能越來越多，為增加野戰(zhàn)手術(shù)燈的實(shí)用用途提供了可能。經(jīng)過對前期資料收集和調(diào)研，評估改進(jìn)后的電路應(yīng)具備以下7種功能。

(1)交流電源電壓使用范圍在110～240 V。滿足戰(zhàn)場環(huán)境電源的不穩(wěn)定性，有利于援外及維和部隊(duì)等在不同國家使用。

(2)電源板設(shè)計(jì)具有對大容量鋰電池充電、過充電以及過放電保護(hù)功能，并對LED光源實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)。

(3)取消外接直流電源的插座與備用線，避免錯(cuò)誤連接導(dǎo)致電源板燒壞的情況發(fā)生。

(4)具有輸入電流控制，可安全預(yù)充已過度放電的電池，關(guān)斷電流＜0.1 μA。

(5)可調(diào)節(jié)參照電壓和充電電流，并由控制環(huán)路監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視整個(gè)充電電流，自動(dòng)減小充電電流以防止過載。

(6)內(nèi)置安全定時(shí)器以調(diào)整充電時(shí)間，自動(dòng)結(jié)束充電。

(7)具備溫度監(jiān)控功能，防止溫度過高損害電池。

WYD2000野戰(zhàn)手術(shù)燈的現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)與改進(jìn)后的技術(shù)指標(biāo)及功能對比見表1。

表1 野戰(zhàn)手術(shù)燈改進(jìn)前后性能對比

2 改進(jìn)內(nèi)容

2.1 充電流程設(shè)計(jì)

當(dāng)野戰(zhàn)手術(shù)燈接入外接電源時(shí)，電路自行進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)，此時(shí)電路將以一個(gè)較大的快充電流對電池進(jìn)行充電，同時(shí)檢測電池電壓和溫度，如果溫度在允許范圍內(nèi)且電壓高于低壓門限，則電路維持恒流快充電狀態(tài)，即電池恒流充電[6]。如果在快充電計(jì)時(shí)器終止前電壓仍未達(dá)到極限值，則充電終止。

在恒壓滿充電狀態(tài)時(shí)，電池為恒壓充電。充電電流下降至150 mA或計(jì)時(shí)器終止，進(jìn)入充電完成(TOPOFF)狀態(tài)。此時(shí)電池繼續(xù)以恒壓充電直至計(jì)時(shí)器終止，進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)[7]。在結(jié)束狀態(tài)下，充電終止，直至電池電壓降至低于重充電門限，此時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，開始新的充電循環(huán)[8]。

在以上任何狀態(tài)下，如果電池溫度超過極限值，充電暫停，計(jì)時(shí)器延緩直至電池溫度回到允許值內(nèi)，充放電電路的運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路運(yùn)行流程圖

2.2 控制芯片選擇

MAX1758是Maxim公司(美國美信)出品的開關(guān)型鋰電池充電器，最多可充4個(gè)鋰電池。標(biāo)準(zhǔn)充電電流精確度達(dá)±10%，標(biāo)準(zhǔn)充電電壓誤差＜±8%，內(nèi)置定時(shí)器可控制充電時(shí)間防止過充，具有輸入電流控制。充電前檢測電池的電壓，若電池電壓＞2.5 V，按正常方式充電；若電池電壓＜2.5 V，則用小電流充電，達(dá)到2.5 V后再以正常方式充電，這種預(yù)充電的方式稱為預(yù)處理，一定程度上可以對鋰電池進(jìn)行修復(fù)。

MAX1758可調(diào)節(jié)參照電壓和充電電流，并由控制環(huán)路監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視整個(gè)充電電流，自動(dòng)減小充電電流以防止過載。通過外置可調(diào)電熱調(diào)節(jié)器監(jiān)測電池溫度，防止超過允許的充電溫度范圍(-40 ℃～+85 ℃)[9]。

2.3 電路搭建

系統(tǒng)包括前置整流部分、輸出電流調(diào)節(jié)部分、充電時(shí)間設(shè)定部分、溫度控制部分以及輸出整流部分。前置整流部分采用穩(wěn)壓二極管和電容來穩(wěn)定電壓并濾除交流干擾。輸出電流的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)MAX1758的相應(yīng)引腳電壓完成，可以通過內(nèi)置電流感應(yīng)電阻檢測待充電電池兩端電壓來選擇充電電流大小。通過外置電容(C4、C5)決定MAX1758內(nèi)置計(jì)時(shí)器TIMER 1和TIMER 2的最大時(shí)限，其中TIMER 1用于設(shè)置預(yù)充、充滿、TOP-OFF的時(shí)限；TIMER 2用于設(shè)置快充時(shí)限。當(dāng)圖中電容為1 nF時(shí)，預(yù)充、充滿、TOP-OFF和快充時(shí)限分別為7.5 min、90 min、45 min和90 min。溫度控制部分是由外置可調(diào)電熱調(diào)節(jié)器監(jiān)測電池溫度，防止超過允許的充電溫度范圍。輸出整流采用并聯(lián)的電解電容對充電電流進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了電路旁路、去耦和濾波等作用，電路圖如圖2所示。

圖2 野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路圖

3 電路測試結(jié)果

在實(shí)際電路搭建完畢后，利用鋰電池組、溫度計(jì)以及數(shù)字萬用表對電路進(jìn)行了測試。主要測試項(xiàng)目有電路的輸出電壓、輸出電流、電池電壓以及截止充電電流等，具體的測試結(jié)果見表2。

表2 野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路參數(shù)測試表

表中最大輸出電壓、最大輸出電流以及關(guān)斷電流三項(xiàng)均由數(shù)字萬用表測出，測試結(jié)果來源取5次測試平均值。最高允許充電溫度的測試是用電子溫度計(jì)，數(shù)字萬用表檢測[10]。測試原理根據(jù)充電電路在溫度過高時(shí)減少充電電流，在提高溫度時(shí)觀察數(shù)字萬用表顯示的充電電流，當(dāng)充電電流改變過大時(shí)，即可認(rèn)為此時(shí)的溫度為充電電路的最大允許充電溫度。最低允許充電溫度由于條件限制(無法實(shí)現(xiàn)-40 ℃的環(huán)境條件)，未進(jìn)行檢測，同時(shí)，還對充電電路的充放電性能進(jìn)行了檢測，其測試結(jié)果見表3。

4 小結(jié)

WYD2000型野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路的改進(jìn)作為手術(shù)燈改造的一部分，能夠?yàn)槠鋬?chǔ)能模塊的管理提供較為實(shí)用的參考。改進(jìn)后，在原有電路的基礎(chǔ)上增加

表3 野戰(zhàn)手術(shù)燈充放電電路性能測試表

了相應(yīng)的保護(hù)功能，同時(shí)，管理芯片體積和重量均有減少，為電路模塊的小型化創(chuàng)造了條件。但充放電電路還存在不足：①由于元件篩選的原因，未找到合適的雙列直插元件，故對電路的整齊性有一定影響，且布線較復(fù)雜，也會(huì)對電路的測試構(gòu)成一定的干擾；②在實(shí)際應(yīng)用中，可以增加電量顯示模塊，方便電池的使用和維護(hù)[11]。隨著實(shí)際使用，將進(jìn)一步針對性的進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。

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[11]李傳軍，謝迅雷，滕越.提高野戰(zhàn)手術(shù)燈的性能及其存儲(chǔ)效益[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(8)：108，114.黃德生，柴欣，王宏春，等.新型野戰(zhàn)醫(yī)療裝備的應(yīng)用體會(huì)及問題探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(10)：107-107，115.胡軍智，徐新民，杜生明，等.國內(nèi)野戰(zhàn)型太陽能LEO無影手術(shù)燈的發(fā)展現(xiàn)狀[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(10)：111-112.牛黎明.鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28(4)：11-13.朱興喜，史兆榮，湯黎明，等.野外便攜式高頻止血器鋰離子電池充電電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2012，9(8)：7-11.王非，劉昊，田曉明.手持終端設(shè)備中的鋰電池充電技術(shù)[J].電子器件，2004，27(4)：755-758.陳建清，沈漢鑫，繆傳杰，等.一種能量轉(zhuǎn)移型鋰電池組均衡充電電路的設(shè)計(jì)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，49(6)：812-814.胡清琮，陳琛，王菁，等.基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，42(4)：632-635.鄭宏軍，黎昕，孟祥國，等.MAX1758構(gòu)成鋰離子電池充電控制器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2004，31(5)：41-43.王洪輝，庹先國，余小平，等.基于單芯片的鋰電池/組充電器設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2009，33(2)：127-129.陽瑞新，鄧華軍，鄧集萱.一款基于鋰離子電池移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2013(20)：53-53.

野戰(zhàn)手術(shù)燈；充電電路；預(yù)充電；溫度監(jiān)控

梁津國,男,(1980- ),碩士，主管技師。解放軍第187醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事軍隊(duì)衛(wèi)生裝備管理和維修工作。

2016-11-01

①解放軍第187醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 海南 海口 571159

②廣州軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所 廣東 廣州 510080

1672-8270(2017)05-0155-03

R197.39

B

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.043

2000年設(shè)計(jì)定型的WYD2000野戰(zhàn)手術(shù)燈主要適用于戰(zhàn)地、搶險(xiǎn)救災(zāi)等突發(fā)事件以及衛(wèi)生單位應(yīng)急手術(shù)照明，其具有光源穩(wěn)定，實(shí)用性廣等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著電子和原材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及部隊(duì)使用、維修人員反映的意見和建議，該型手術(shù)燈在電源部分尚存在的缺點(diǎn)是：電路系統(tǒng)方面電源線路板的直流外接插口容易發(fā)生誤操作燒壞電源板；電源電壓使用范圍窄，援外情況下無法適應(yīng)交流電110 V的國家和地區(qū)，尤其在野外電壓和頻率不穩(wěn)情況下手術(shù)照明效果欠佳[2]。電池方面采用鉛酸電池，其重量較重、容量較小，可供電時(shí)間短，對維護(hù)保養(yǎng)要求較高，需要定期充放電，且在濕度大、鹽度高以及氣候悶熱的南部，在未保養(yǎng)的情況下更易老化漏液[3]。