一种野战医用LED无影灯的太阳能供电系统的设计

周文光，魏培德，许新建，孔悦

解放军第174医院 ，福建 厦门 361003

一种野战医用LED无影灯的太阳能供电系统的设计

周文光，魏培德，许新建，孔悦

解放军第174医院 ，福建 厦门 361003

目的 为野战医用LED无影灯设计一种太阳能供电系统。方法 采用特定高效太阳能电池板设计一种以ne555为控制芯片、以78M09为稳压芯片的太阳能控制器，包括输入电流调节电路、自适应三段式充电模式电路、稳定放电电路、监测电路等，并与蓄电池组成太阳能供电系统，为野战无影灯供电。结果 经过测试，本系统能够在无市电的野外环境满足LED无影灯6～8h的供电。结论 LED无影灯能够充分利用太阳能供电，实现了供电方式多样化，使其自身功能维持能力增强。

太阳能供电系统；LED无影灯；太阳能电池；野战医疗手术

1 研究背景

野战医用LED无影灯在野战医疗手术中发挥着不可代替的作用，长期在野外使用，对供电系统有着特殊的要求[1]。传统的野战医用LED无影灯主要依靠市电供电或者通过蓄电池供电，在野外无市电、无油等恶劣复杂的环境中，供电经常不足，并且目前蓄电池还存在着放电不稳定、过放电、输出电流不稳、寿命低等缺点[2]。

针对上述情况，设计一种基于ne555控制芯片的太阳能控制器（图1）。选择光电转化率高的太阳能电池板和容量大的蓄电池组成太阳能供电系统为LED无影灯供电[3]。这样由太阳能电池板输出的电流通过太阳能控制器进行调节，加入多级充、放电保护，对蓄电池充电采用自适应三段充电模式，对蓄电池的电量进行实时监测，稳定蓄电池输出电流、防止蓄电池过放电。整个LED无影灯供电系统不依赖市电，在野外依靠阳光就可为LED无影灯提供能源，保障无影灯利用多能源展开工作。

图1 太阳能控制器电路结构框图

2 系统总体设计和实现

本系统设计由4部分组成：太阳能控制器设计、太阳能供电系统设计、太阳能供电系统参数设计[4]和太阳能供电系统在LED无影灯上的运用测试。

设计目标：保证太阳能转化率高，太阳能控制器输出电压稳定，离开市电能使LED无影灯工作时间足够长，整个发电系统应方便拆卸和安装，便于携带。

2.1 太阳能控制器设计

设计目标：太阳能控制器对太阳能电池板输出的电流进行调节，保证对蓄电池有3种自适应充电模式，并且能对蓄电池电量监测；放电时可以稳定蓄电池输出电流，并且防止蓄电池过放电，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。具体工作电路图，见图2。

对太阳能电池板输出的电流进行调节，主要是通过ne555芯片进行控制。ne555芯片作为脉宽调制器，太阳能电池板输出的电流通过电阻转化为电压信号，再通过变阻器输入ne555的THOLD端。ne555根据输入的信号控制输出负脉冲来实现对太阳能电池板输出电流的调节。

太阳能控制器的3种自适应充电模式电路，通过另一块ne555芯片作为延时发生器来控制充电电压[4]。刚开始充电时，通过78M09稳压芯片输出9V电压，再通过R10和稳压管D4提供稳定的电压给增强型MOS管的栅极和源级，使源级输出的电流就保持不变，此时开始恒流限压充电。当蓄电池电压上升到一定电压后，通过ne555芯片发出的负脉冲信号使光耦导通，增强型MOS进入饱和区，并且充电电流基本保持不变，此时就进入恒压限流充电，当蓄电池电压和稳压后的电压基本相等时进入涓充。

蓄电池给负载供电是通过电容C1、C2对输入电压进行稳压，并通过ne555芯片的OUT 端接D1进行监测，防止蓄电池的过放电。

2.2 太阳能供电系统设计

设计目标：整个供电系统连接简单、安装快速、便于携带，并且能够输出蓄电池所需的充电电压。

太阳能供电系统主要包括太阳能电池板、太阳能控制器、储能组件、输出稳压板等[5]主要部分（图3）。

图3 太阳能供电系统框图

太阳能供电系统的工作原理：通过太阳电池组件产生一定的电动势，组件以串、并联形式组成太阳能电池方阵，以保证方阵电压达到系统输入电压的要求[6]，再通过太阳能控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。

太阳能电池板的选择：大小为50cm×60cm（2块）、重量为10kg（每块），容易携带；连接线采用卡式接口，方便快速安装。太阳能电池板展收图，见图4。

图2 太阳能控制器电路图

图4 太阳能电池板展收图

2.3 系统参数设计

整个太阳能供电系统，采用的2块太阳能电池板输出电压都为18V，并联使用。在阴天情况下输出电压可达36V；在晴天情况下输出电压可达44V。储能元件采用2个12V17AH的蓄电池，这样可确保充电电压的稳定。

测试时，首先把两个蓄电池进行充分放电，然后接好太阳能控制器、太阳能电池板等元件。分别在晴天和阴天两种环境下进行充电（图5），并对其输出功率、充电时间等参数进行记录并评定（图6）。

图5 太阳充电系统测试图

图6 充电时间和蓄电池电压对应图

在整个供电系统应用试验中，从图6可以看出蓄电池充满电，在晴天时需要8h左右，在阴天需要16h左右。这样在野外环境下充电1～2d就可以满足LED无影灯的基本使用。

本次试验使用的LED无影灯的功率为50W，2个串联蓄电池均为12V/17AH。充满电后的电压为25.9V，蓄电池的功率为电压与容量的乘积，则充完电后电池组输出的功率为W=25.9×17=440W,可以给无影灯供电8h，远远满足野外手术的要求[9]。

2.4 太阳能供电系统在LED无影灯的运用测试

传统野战手术无影灯一般选用真空玻璃器件类灯为发光源[7-8]，能源消耗很大、能效比较差，使得传统野战手术无影灯无法长时间离开市电。LED手术无影灯不仅各项参数都优于传统手术无影灯，且电能耗消耗也大幅度减少，这使得太阳能供电系统可以运用于LED手术无影灯。

本试验采用的LED无影灯有28颗大功率LED点光源聚焦，最大功耗为50W，太阳能供电系统充电的蓄电池可以供电8h，完全可以满足LED手术无影灯的供电需求。

3 小结

经过测试，整个供电系统能够以较高的效率充电[9]，并且经过太阳能充电后能够满足LED无影灯供电的要求。但系统受天气变化的影响比较大，如果连续几天下雨，太阳能供电系统就无法补充电源[10]。另外，太阳能电池板本身的转化率也是决定充电系统的关键指标，研制转化率更高的太阳能电池板和采用容量更大、更轻的蓄电池来提升整个太阳能充电系统是我们今后努力的方向。

[1] 胡智军,徐新民.国内野战型太阳能LED无影灯手术的发展现状[J].医疗卫生装备,2010,31(10):111-112.

[2] 胡智军,杜生明,徐新民,等.一种新型野外太阳能LED无影灯的设计与研制[J].中国医疗设备,2010,25(9):27-29.

[3] 胡智军,徐新民.一种光伏型野战LED无影灯的研制[J].医疗卫生装备,2010,31(9):81-83.

[4] 周志敏,纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2010:32-35.

[5] 周文光,魏培德,沙益夫,等.野战LED手术无影灯的光路设计[J].中国医疗设备,2011,26(12):31-34.

[6] 施钰川.太阳能原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,2009:36-39.

[7] 崔容强,赵春江,吴达.并网太阳能光伏发电系统[M].北京:化学工业出版社,2007:66-68.

[8] 李传军,谢迅雷,滕越.提高野战手术灯的性能及其存储效益[J].医疗卫生装备,2010,31(8):108.

[9] (印)派特.风能与太阳能发电系统:设计、分析与运行[M].姜齐荣,张春朋,等.译.2版.北京:机械工业出版社,2009.

[10] 胡志新,虞耀君.太阳能空调热水一体化技术开发研究[J].九江学院学报,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

南京军区2007年度科技创新项目资助课题（07M062）。实用新型专利：发光二极管手术无影灯（ZL200620114526.3）。

本文作者：周文光，主任技师，主要从事医疗设备的维修、质量控制、使用管理等方面的研究工作。

孔悦，护理部主任， 副主任护师。

作者邮箱：zhouwgsun@126.com