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(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，陜西 西安 710054；2.蘭州軍區(qū)機(jī)關(guān)第二門(mén)診部，甘肅 蘭州 730000

當(dāng)火災(zāi)、地震、洪水、雪災(zāi)、海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，或者戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，在野外無(wú)油、無(wú)電等惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中，而又有許多傷病員亟待在無(wú)影燈下施行手術(shù)，設(shè)計(jì)或研制一種無(wú)影燈手術(shù)燈能在上述環(huán)境中使用，對(duì)降低死亡率，提高治愈率有著十分重要的意義。而傳統(tǒng)的室內(nèi)手術(shù)燈卻有體積大、質(zhì)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(diǎn)，根本不能滿(mǎn)足上述復(fù)雜環(huán)境中醫(yī)療救治中手術(shù)需要。

1 設(shè)計(jì)與研制的目標(biāo)

設(shè)計(jì)一款高效、節(jié)能、實(shí)用、便攜、太陽(yáng)能LED無(wú)影燈，可完全克服傳統(tǒng)的鹵鎢燈無(wú)影燈的諸多缺點(diǎn)，既能在野外無(wú)電、無(wú)油等復(fù)雜環(huán)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(yōu)質(zhì)能源的新型手術(shù)燈。

在野外無(wú)電、無(wú)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(yáng)能來(lái)發(fā)電，經(jīng)轉(zhuǎn)換后供LED無(wú)影燈使用。該燈采用一種大功率的高亮度白光發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LED）作為基本點(diǎn)光源，按陣列排成多組光束，可使照射區(qū)域清晰度高、無(wú)影效果好、能耗低，照射時(shí)間長(zhǎng)，抗沖擊能力比傳統(tǒng)手術(shù)燈都要強(qiáng)。為能夠在野外環(huán)境中機(jī)動(dòng)靈活地使用，整個(gè)無(wú)影燈的體積不宜制作得太大，故采用既能展開(kāi)又能收攏的太陽(yáng)能電池板，不用時(shí)可收攏裝箱；還采用能夠折疊的無(wú)影燈燈架、且折疊燈架選用材質(zhì)較輕的材料。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)簡(jiǎn)單，組合方便、便攜搬運(yùn)。而且采用光伏供電和常規(guī)供電相結(jié)合，可全方位、全天候長(zhǎng)時(shí)間工作，更加適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜環(huán)境的野戰(zhàn)手術(shù)的實(shí)際需要，更能適合現(xiàn)代非軍事救援中的醫(yī)療保障。

2 設(shè)計(jì)與研制的基本工作原理

圖1 太陽(yáng)能LED無(wú)影燈原理方框圖

如圖1所示，該太陽(yáng)能LED無(wú)影燈系統(tǒng)分為6個(gè)單元：太陽(yáng)能電池板單元、市電220V或發(fā)電機(jī)單元、太陽(yáng)能與市電充電切換裝置、控制電路單元、專(zhuān)用蓄電池組單元、LED無(wú)影燈單元。

該太陽(yáng)能LED無(wú)影燈的基本工作原理：① 在白天或陽(yáng)光充足時(shí)，通過(guò)陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板，光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生DC12V，經(jīng)太陽(yáng)能與市電充電切換裝置，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)控制器對(duì)專(zhuān)用蓄電池組單元進(jìn)行充電，專(zhuān)用蓄電池經(jīng)過(guò)一定時(shí)間儲(chǔ)能完成后，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)控制器對(duì)LED無(wú)影燈放電，使其工作。② 當(dāng)有220V市電或發(fā)電機(jī)情況下，不必展開(kāi)太陽(yáng)能電池板箱，由市電或發(fā)電機(jī)單元直接輸出的AC220V，經(jīng)AC/DC變換后產(chǎn)生的DC12V，DC12V對(duì)專(zhuān)用蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能，充電完成后供LED無(wú)影燈使用。不管是由太陽(yáng)能電池板經(jīng)光照產(chǎn)生電流對(duì)專(zhuān)用蓄電池充電，還是由220V市電經(jīng)轉(zhuǎn)換后對(duì)蓄電池充電，只要專(zhuān)用蓄電池儲(chǔ)能足夠，就能供LED無(wú)影燈正常工作。換句話(huà)說(shuō)，不論天晴下雨，該燈就可以全方位、全天候工作，滿(mǎn)足野戰(zhàn)外科手術(shù)的實(shí)際需要。

2.1 系統(tǒng)控制及LED燈驅(qū)動(dòng)的選定與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制單元選用SDRC-10I太陽(yáng)能專(zhuān)用控制器為整個(gè)LED無(wú)影燈系統(tǒng)的核心。該控制器專(zhuān)為太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能直流照明系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，并使用了智能化的單片機(jī)。利用蓄電池放電特性修正的準(zhǔn)確放電自動(dòng)控制。采用一鍵式輕觸開(kāi)關(guān)，完成所有操作及設(shè)置。利用E方存儲(chǔ)器記錄各工作控制點(diǎn)，使設(shè)置數(shù)字化，提高控制準(zhǔn)確率，具有高精度溫度補(bǔ)償。采用了串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電效率較非PWM高3%~6%，增加了用電時(shí)間，過(guò)放恢復(fù)的提升充電，正常的直充，浮充自動(dòng)控制方式使系統(tǒng)由更長(zhǎng)的使用壽命。

LED燈驅(qū)動(dòng)器主要采用凌力爾特公司的具有60V、高壓側(cè)電流檢測(cè)DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3755。該驅(qū)動(dòng)器主要驅(qū)動(dòng)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(biāo)稱(chēng)DC12V，來(lái)驅(qū)動(dòng)多達(dá)14個(gè)串聯(lián)1A的LED，提供超過(guò) 50W 的功率。該驅(qū)動(dòng)器具高壓側(cè)電流檢測(cè)，在升壓模式可以實(shí)現(xiàn)高于94%的效率，從而無(wú)需任何外部散熱措施。LT3755 采用True Color PWM調(diào)光，以高達(dá) 3000:1的調(diào)光范圍實(shí)現(xiàn)恒定LED色彩[1]。根據(jù)野外環(huán)境光線的局限及野戰(zhàn)外科手術(shù)光斑的需求，采用CTRL引腳進(jìn)行模擬調(diào)光（可提供10:1調(diào)光的范圍），由于在FB引腳上以地為基準(zhǔn)的電壓用作幾項(xiàng)LED保護(hù)功能的輸入，LT3755轉(zhuǎn)換器作為恒定電流源工作，這樣可以進(jìn)一步延長(zhǎng)LED燈的使用壽命。

2.2 太陽(yáng)能與市電充電切換裝置的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能與市電切換裝置選用雙向二選一模擬開(kāi)關(guān)74CH4503，低電平控制，當(dāng)?shù)碗娖捷斎霑r(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由太陽(yáng)能供電，由陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生電流為專(zhuān)用蓄電池充電，蓄電池充電完成后，輸出DC12V驅(qū)動(dòng)LT3755驅(qū)動(dòng)器，點(diǎn)亮LED無(wú)影燈；當(dāng)高電平輸入時(shí)，整個(gè)由市電供電，AC220V經(jīng)AC/DC變換為DC12V，對(duì)專(zhuān)用蓄電池充電，充電完成后，驅(qū)動(dòng)LT3755驅(qū)動(dòng)器，使LED無(wú)影燈正常工作。

2.3 太陽(yáng)能電池板的選定

太陽(yáng)能電池板基本原理是通過(guò)太陽(yáng)光線照射太陽(yáng)能電池板，發(fā)生光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電流?；咀饔檬菍⒇S富的光能轉(zhuǎn)化為常用的電能，以供其他設(shè)備使用。從其制作的主要材料看，它的分類(lèi)包括晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池，其中晶硅太陽(yáng)能電池又分為單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池；薄膜太陽(yáng)能電池又分為多元化合物太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽(yáng)電池是否具有使用價(jià)值的重要因素[2]。目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，這是目前所有種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的[3]。太陽(yáng)能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。

太陽(yáng)能電池板的優(yōu)劣主要由開(kāi)路電壓和短路電流這兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量根據(jù)LED燈的功率大小、性?xún)r(jià)比以及實(shí)際的需求。根據(jù)該LED無(wú)影燈系統(tǒng)功率大小和總體設(shè)計(jì)要求，選用規(guī)格為30W/12V(最大開(kāi)路電壓為21.42V、短路電流為1.93A)的單晶硅太陽(yáng)電池板三塊,并聯(lián)連接共同輸出。

2.4 無(wú)影燈光源的設(shè)計(jì)

LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體，它與傳統(tǒng)的鹵鎢燈作為無(wú)影燈光源相比，具有效率高、光色純、能耗小、壽命長(zhǎng)、冷光源、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，LED是二十一世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ墓庠碵4]。研究資料表明，由于LED是冷光源，半導(dǎo)體照明自身對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，與白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電效率可以達(dá)到70%以上。在同樣亮度下，耗電量?jī)H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(tǒng)照明的50%，每年我國(guó)節(jié)省的電量就相當(dāng)于一個(gè)三峽電站發(fā)電量的總和，其節(jié)能效益十分可觀，目前，我國(guó)已經(jīng)將LED等的研制和推廣放到了一個(gè)非常重要的位置[5,6]。所以，在能源極度匱乏和環(huán)境及其復(fù)雜的未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，采用節(jié)能、環(huán)保、高效的LED作為無(wú)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(diǎn)光源，由10~12只LED按陣列排成園型組成一個(gè)燈組，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，4個(gè)LED燈組構(gòu)成整個(gè)無(wú)影手術(shù)燈?？紤]到野戰(zhàn)環(huán)境中攜行、搬運(yùn)等原因，由DC12V提供電源使用，選用Linear公司LT3755DC/DC轉(zhuǎn)換器作為該LED無(wú)影燈的恒流源驅(qū)動(dòng)電路[7]。驅(qū)動(dòng)器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu)，適合在高濕度、高粉塵、強(qiáng)震動(dòng)、對(duì)防爆有一定要求等環(huán)境下使用，尤其適合野外使用。

從驅(qū)動(dòng)技術(shù)和發(fā)光管的特性來(lái)看，多只LED燈組應(yīng)該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。通過(guò)對(duì)整個(gè)樣燈進(jìn)行電氣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(電壓1500V)及突波實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，先把10~12只1W的LED串聯(lián)，既使電路中有一只燒壞(一般為短路),也不會(huì)影響該串聯(lián)電路上的其它LED的正常發(fā)光；再把每串聯(lián)電路進(jìn)行并聯(lián)，才能達(dá)到安全可靠、更能延長(zhǎng)整個(gè)LED無(wú)影燈的壽命。

2.5 專(zhuān)用蓄電池的選定

普通鉛酸電池有滲漏液，腐蝕物品、污染環(huán)境、耐深放電小、容易爆炸等缺點(diǎn)。而以氣相二氧化硅和多種添加劑為電解質(zhì)的膠體電解質(zhì)蓄電池，電解反應(yīng)時(shí)呈凝膠狀態(tài)，不流動(dòng)、無(wú)泄露，可立式或臥式擺放，又采用進(jìn)口的膠體電池專(zhuān)用波紋式PVC隔板，其隔板孔率大，電阻低，電解反應(yīng)在密封環(huán)境中完成，使電池全密封、無(wú)電解液的溢出和酸霧的析出，對(duì)環(huán)境和設(shè)備無(wú)污染，同時(shí)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(wú)引爆），電池使用溫度范圍廣（-30~50℃）[8,9]，根據(jù)LED無(wú)影燈實(shí)際使用需求，選用了12V100AH膠體蓄電池。

2.6 太陽(yáng)能電池板箱的制作與LED燈架的設(shè)計(jì)

根據(jù)該LED無(wú)影燈的具體情況，我們將太陽(yáng)能電池板箱做成既能展開(kāi)，又可以折疊的箱子，將上述3塊規(guī)格為30W/12V的太陽(yáng)能光伏板分別嵌入該箱的上蓋、底部、和抽屜上。使用時(shí)，展開(kāi)上蓋，拉開(kāi)抽屜，調(diào)整其傾角，使三塊太陽(yáng)能電池板盡量與太陽(yáng)光線垂直，以達(dá)到光生伏特電流最大。不用時(shí)，關(guān)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(guò)推動(dòng)中央的托盤(pán)達(dá)到燈架的展開(kāi)與收攏，LED燈組可軟連接在各支架頂端，來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦、無(wú)影等技術(shù)。采用鋁合金的折疊架，材質(zhì)較輕,安全可靠。既能固定在單獨(dú)成型，獨(dú)立使用，又能架設(shè)或附著在車(chē)側(cè)板或樹(shù)干上；材質(zhì)輕，折疊靈活，科學(xué)安全，便于戰(zhàn)時(shí)、野外攜行、搬運(yùn)，容易架設(shè)，便于推廣。該燈架涉及到的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍應(yīng)附合《中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0102~0103-93》中5.2、5.4之相關(guān)規(guī)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(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)該LED無(wú)影燈的光照度特性、色溫、光斑及相應(yīng)其它參數(shù)均附合《中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0102~0103-93》中 5.9、5.10、6.4.5、6.4.6、6.4.7之相關(guān)規(guī)定，能滿(mǎn)足手術(shù)無(wú)影燈的要求[10,11]。該LED無(wú)影燈的研制必將提高戰(zhàn)傷救治時(shí)效，縮短野外搶救時(shí)間，降低死亡率，提高傷病員的治愈率，對(duì)我軍在現(xiàn)代未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力的意義深遠(yuǎn)。該LED無(wú)影燈能夠全方位、全天候長(zhǎng)時(shí)間工作，必將對(duì)我國(guó)抗震、搶險(xiǎn)、抗洪等各種救災(zāi)中的醫(yī)療救援產(chǎn)生深厚影響。

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