一种新型野外太阳能LED无影灯的设计与研制

胡军智，杜生明，徐新民，徐海琴，曹铁军，殷朝庆

1.解放军第323医院 医学工程科，陕西 西安 710054；2.兰州军区机关第二门诊部，甘肃 兰州 730000

当火灾、地震、洪水、雪灾、海啸等自然灾害发生时，或者战争爆发，在野外无油、无电等恶劣、复杂的环境中，而又有许多伤病员亟待在无影灯下施行手术，设计或研制一种无影灯手术灯能在上述环境中使用，对降低死亡率，提高治愈率有着十分重要的意义。而传统的室内手术灯却有体积大、质量重、单一供电（仅用市电）、又不能随意拆卸组合等诸方面缺点，根本不能满足上述复杂环境中医疗救治中手术需要。

1 设计与研制的目标

设计一款高效、节能、实用、便携、太阳能LED无影灯，可完全克服传统的卤钨灯无影灯的诸多缺点，既能在野外无电、无油等复杂环境中灵活使用，又能在220V市电下正常工作。既能拆卸组合、又能固定使用，而且是一种充分利用新能源、绿色优质能源的新型手术灯。

在野外无电、无油等可利用资源十分缺乏的情况下，充分利用大自然中丰富的太阳能来发电，经转换后供LED无影灯使用。该灯采用一种大功率的高亮度白光发光二极管（以下简称LED）作为基本点光源，按阵列排成多组光束，可使照射区域清晰度高、无影效果好、能耗低，照射时间长，抗冲击能力比传统手术灯都要强。为能够在野外环境中机动灵活地使用，整个无影灯的体积不宜制作得太大，故采用既能展开又能收拢的太阳能电池板，不用时可收拢装箱；还采用能够折叠的无影灯灯架、且折叠灯架选用材质较轻的材料。这样的设计结构轻巧、架设简单，组合方便、便携搬运。而且采用光伏供电和常规供电相结合，可全方位、全天候长时间工作，更加适应现代战争复杂环境的野战手术的实际需要，更能适合现代非军事救援中的医疗保障。

2 设计与研制的基本工作原理

图1 太阳能LED无影灯原理方框图

如图1所示，该太阳能LED无影灯系统分为6个单元：太阳能电池板单元、市电220V或发电机单元、太阳能与市电充电切换装置、控制电路单元、专用蓄电池组单元、LED无影灯单元。

该太阳能LED无影灯的基本工作原理：① 在白天或阳光充足时，通过阳光照射太阳能电池板，光生伏特效应产生DC12V，经太阳能与市电充电切换装置，再经过系统控制器对专用蓄电池组单元进行充电，专用蓄电池经过一定时间储能完成后，再经过系统控制器对LED无影灯放电，使其工作。② 当有220V市电或发电机情况下，不必展开太阳能电池板箱，由市电或发电机单元直接输出的AC220V，经AC/DC变换后产生的DC12V，DC12V对专用蓄电池进行充电储能，充电完成后供LED无影灯使用。不管是由太阳能电池板经光照产生电流对专用蓄电池充电，还是由220V市电经转换后对蓄电池充电，只要专用蓄电池储能足够，就能供LED无影灯正常工作。换句话说，不论天晴下雨，该灯就可以全方位、全天候工作，满足野战外科手术的实际需要。

2.1 系统控制及LED灯驱动的选定与设计

系统控制单元选用SDRC-10I太阳能专用控制器为整个LED无影灯系统的核心。该控制器专为太阳能直流供电系统、太阳能直流照明系统而设计，并使用了智能化的单片机。利用蓄电池放电特性修正的准确放电自动控制。采用一键式轻触开关，完成所有操作及设置。利用E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，提高控制准确率，具有高精度温度补偿。采用了串联式PWM充电主电路，使充电效率较非PWM高3%~6%，增加了用电时间，过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命。

LED灯驱动器主要采用凌力尔特公司的具有60V、高压侧电流检测DC/DC转换器LT3755。该驱动器主要驱动大电流大功率的LED，输入电压范围为4.5~40V，LT3755使用外部N沟道MOSFET，可以输入标称DC12V，来驱动多达14个串联1A的LED，提供超过 50W 的功率。该驱动器具高压侧电流检测，在升压模式可以实现高于94%的效率，从而无需任何外部散热措施。LT3755 采用True Color PWM调光，以高达 3000:1的调光范围实现恒定LED色彩[1]。根据野外环境光线的局限及野战外科手术光斑的需求，采用CTRL引脚进行模拟调光（可提供10:1调光的范围），由于在FB引脚上以地为基准的电压用作几项LED保护功能的输入，LT3755转换器作为恒定电流源工作，这样可以进一步延长LED灯的使用寿命。

2.2 太阳能与市电充电切换装置的设计

太阳能与市电切换装置选用双向二选一模拟开关74CH4503，低电平控制，当低电平输入时，整个系统由太阳能供电，由阳光照射太阳能电池板光生伏特效应，产生电流为专用蓄电池充电，蓄电池充电完成后，输出DC12V驱动LT3755驱动器，点亮LED无影灯；当高电平输入时，整个由市电供电，AC220V经AC/DC变换为DC12V，对专用蓄电池充电，充电完成后，驱动LT3755驱动器，使LED无影灯正常工作。

2.3 太阳能电池板的选定

太阳能电池板基本原理是通过太阳光线照射太阳能电池板，发生光生伏特效应产生电流。基本作用是将丰富的光能转化为常用的电能，以供其他设备使用。从其制作的主要材料看，它的分类包括晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，其中晶硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池；薄膜太阳能电池又分为多元化合物太阳能电池和非晶硅太阳能电池。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素[2]。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的[3]。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。

太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量根据LED灯的功率大小、性价比以及实际的需求。根据该LED无影灯系统功率大小和总体设计要求，选用规格为30W/12V(最大开路电压为21.42V、短路电流为1.93A)的单晶硅太阳电池板三块,并联连接共同输出。

2.4 无影灯光源的设计

LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它与传统的卤钨灯作为无影灯光源相比，具有效率高、光色纯、能耗小、寿命长、冷光源、节能环保等诸多优点，LED是二十一世纪最有发展潜力的光源[4]。研究资料表明，由于LED是冷光源，半导体照明自身对环境没有污染，与白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到70%以上。在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯管的1/2。如果用LED取代目前传统照明的50%，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观，目前，我国已经将LED等的研制和推广放到了一个非常重要的位置[5,6]。所以，在能源极度匮乏和环境及其复杂的未来战争中，采用节能、环保、高效的LED作为无影灯或探照灯的光源是最佳选择。

我们选用光通量为110Lm功率为1W的暖白色光LED作为点光源，由10~12只LED按阵列排成园型组成一个灯组，通过简单计算，4个LED灯组构成整个无影手术灯。考虑到野战环境中携行、搬运等原因，由DC12V提供电源使用，选用Linear公司LT3755DC/DC转换器作为该LED无影灯的恒流源驱动电路[7]。驱动器为全密闭模块封装结构，适合在高湿度、高粉尘、强震动、对防爆有一定要求等环境下使用，尤其适合野外使用。

从驱动技术和发光管的特性来看，多只LED灯组应该优先使用串联方案。通过对整个样灯进行电气强度实验(电压1500V)及突波实验，实验结果是，先把10~12只1W的LED串联，既使电路中有一只烧坏(一般为短路),也不会影响该串联电路上的其它LED的正常发光；再把每串联电路进行并联，才能达到安全可靠、更能延长整个LED无影灯的寿命。

2.5 专用蓄电池的选定

普通铅酸电池有渗漏液，腐蚀物品、污染环境、耐深放电小、容易爆炸等缺点。而以气相二氧化硅和多种添加剂为电解质的胶体电解质蓄电池，电解反应时呈凝胶状态，不流动、无泄露，可立式或卧式摆放，又采用进口的胶体电池专用波纹式PVC隔板，其隔板孔率大，电阻低，电解反应在密封环境中完成，使电池全密封、无电解液的溢出和酸雾的析出，对环境和设备无污染，同时具有耐腐蚀性能好，浮充压低，浮充电流小，可靠性能突出（12V全系列电池均具有滤气防爆片装置，电池外部遇到明火无引爆），电池使用温度范围广（-30~50℃）[8,9]，根据LED无影灯实际使用需求，选用了12V100AH胶体蓄电池。

2.6 太阳能电池板箱的制作与LED灯架的设计

根据该LED无影灯的具体情况，我们将太阳能电池板箱做成既能展开，又可以折叠的箱子，将上述3块规格为30W/12V的太阳能光伏板分别嵌入该箱的上盖、底部、和抽屉上。使用时，展开上盖，拉开抽屉，调整其倾角，使三块太阳能电池板尽量与太阳光线垂直，以达到光生伏特电流最大。不用时，关上抽屉，扣上上盖子，可以携行。

该LED灯架做成伞状灯架的折叠架，伞状灯架是通过推动中央的托盘达到灯架的展开与收拢，LED灯组可软连接在各支架顶端，来实现聚焦、无影等技术。采用铝合金的折叠架，材质较轻,安全可靠。既能固定在单独成型，独立使用，又能架设或附着在车侧板或树干上；材质轻，折叠灵活，科学安全，便于战时、野外携行、搬运，容易架设，便于推广。该灯架涉及到的关节活动范围应附合《中华人民共和国医药行业标准YY 0102~0103-93》中5.2、5.4之相关规定。LED灯折叠架主要部件具体如图2所示：

图2 LED折叠灯架主要部件

3 结束语

经过实验该LED无影灯的光照度特性、色温、光斑及相应其它参数均附合《中华人民共和国医药行业标准YY 0102~0103-93》中 5.9、5.10、6.4.5、6.4.6、6.4.7之相关规定，能满足手术无影灯的要求[10,11]。该LED无影灯的研制必将提高战伤救治时效，缩短野外抢救时间，降低死亡率，提高伤病员的治愈率，对我军在现代未来战争中提高部队的战斗力的意义深远。该LED无影灯能够全方位、全天候长时间工作，必将对我国抗震、抢险、抗洪等各种救灾中的医疗救援产生深厚影响。

[1]Linear.Linear LT3755大电流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.太阳能电池板的作用及种类[EB/OL].(2007-01-18)[2010-05-26].http://www.coema.org.cn/bbs/dv_rss_xhtml_101_16406_1_1_count9.html.

[3]赵玉文,舒杰.中国光伏产业发展现状与规划建议[EB/OL].(2008-07-03)[2010-05-26].http://www.newenergy.org.cn/html/0087/730818631_2.html.

[4]闫德立,高金环,高兆丰,等.高亮发光二极管寿命评价[J].半导体技术,2009(10): 978-979.

[5]周生洪,王列军,韦传正,等.LED照明技术探讨[J].科技资讯,2009(28):242.

[6]吴淑梅,霍彦明.LED光源的应用及前景[J].灯与照明,2008,32(3):24-26.

[7]谭功伟.发光二极管(LED)在汽车灯具上的应用[J].光源与照明,2009(2):5-7.

[8]王景川,从志贤,孙学礼.关于胶体和贫液密封铅酸蓄电池的讨论[J].蓄电池,1997(2):29-30.

[9]陈红雨,朱绍勇,梁少莺.硅溶胶与气相二氧化硅配制胶体电解质的研究[J].蓄电池,2002,39(1):9.

[10]周文光,等.一种新型发光二极管手术无影灯的研制[J].中国医疗设备,2009(11):17-19.

[11]朱根娣,刘敏娟.新型LED手术无影灯的光照度特性的研究[J].中国医疗器械杂志,2009,33(3):183.