周文光，魏培德，許新建，孔悅

解放軍第174醫(yī)院 ，福建 廈門(mén) 361003

一種野戰(zhàn)醫(yī)用LED無(wú)影燈的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周文光，魏培德，許新建，孔悅

解放軍第174醫(yī)院 ，福建 廈門(mén) 361003

目的 為野戰(zhàn)醫(yī)用LED無(wú)影燈設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。方法 采用特定高效太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)一種以ne555為控制芯片、以78M09為穩(wěn)壓芯片的太陽(yáng)能控制器，包括輸入電流調(diào)節(jié)電路、自適應(yīng)三段式充電模式電路、穩(wěn)定放電電路、監(jiān)測(cè)電路等，并與蓄電池組成太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，為野戰(zhàn)無(wú)影燈供電。結(jié)果 經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠在無(wú)市電的野外環(huán)境滿(mǎn)足LED無(wú)影燈6～8h的供電。結(jié)論 LED無(wú)影燈能夠充分利用太陽(yáng)能供電，實(shí)現(xiàn)了供電方式多樣化，使其自身功能維持能力增強(qiáng)。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)；LED無(wú)影燈；太陽(yáng)能電池；野戰(zhàn)醫(yī)療手術(shù)

1 研究背景

野戰(zhàn)醫(yī)用LED無(wú)影燈在野戰(zhàn)醫(yī)療手術(shù)中發(fā)揮著不可代替的作用，長(zhǎng)期在野外使用，對(duì)供電系統(tǒng)有著特殊的要求[1]。傳統(tǒng)的野戰(zhàn)醫(yī)用LED無(wú)影燈主要依靠市電供電或者通過(guò)蓄電池供電，在野外無(wú)市電、無(wú)油等惡劣復(fù)雜的環(huán)境中，供電經(jīng)常不足，并且目前蓄電池還存在著放電不穩(wěn)定、過(guò)放電、輸出電流不穩(wěn)、壽命低等缺點(diǎn)[2]。

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一種基于ne555控制芯片的太陽(yáng)能控制器（圖1）。選擇光電轉(zhuǎn)化率高的太陽(yáng)能電池板和容量大的蓄電池組成太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為L(zhǎng)ED無(wú)影燈供電[3]。這樣由太陽(yáng)能電池板輸出的電流通過(guò)太陽(yáng)能控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，加入多級(jí)充、放電保護(hù)，對(duì)蓄電池充電采用自適應(yīng)三段充電模式，對(duì)蓄電池的電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，穩(wěn)定蓄電池輸出電流、防止蓄電池過(guò)放電。整個(gè)LED無(wú)影燈供電系統(tǒng)不依賴(lài)市電，在野外依靠陽(yáng)光就可為L(zhǎng)ED無(wú)影燈提供能源，保障無(wú)影燈利用多能源展開(kāi)工作。

圖1 太陽(yáng)能控制器電路結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由4部分組成：太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[4]和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在LED無(wú)影燈上的運(yùn)用測(cè)試。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：保證太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率高，太陽(yáng)能控制器輸出電壓穩(wěn)定，離開(kāi)市電能使LED無(wú)影燈工作時(shí)間足夠長(zhǎng)，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)方便拆卸和安裝，便于攜帶。

2.1 太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：太陽(yáng)能控制器對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證對(duì)蓄電池有3種自適應(yīng)充電模式，并且能對(duì)蓄電池電量監(jiān)測(cè)；放電時(shí)可以穩(wěn)定蓄電池輸出電流，并且防止蓄電池過(guò)放電，對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。具體工作電路圖，見(jiàn)圖2。

對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要是通過(guò)ne555芯片進(jìn)行控制。ne555芯片作為脈寬調(diào)制器，太陽(yáng)能電池板輸出的電流通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過(guò)變阻器輸入ne555的THOLD端。ne555根據(jù)輸入的信號(hào)控制輸出負(fù)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出電流的調(diào)節(jié)。

太陽(yáng)能控制器的3種自適應(yīng)充電模式電路，通過(guò)另一塊ne555芯片作為延時(shí)發(fā)生器來(lái)控制充電電壓[4]。剛開(kāi)始充電時(shí)，通過(guò)78M09穩(wěn)壓芯片輸出9V電壓，再通過(guò)R10和穩(wěn)壓管D4提供穩(wěn)定的電壓給增強(qiáng)型MOS管的柵極和源級(jí)，使源級(jí)輸出的電流就保持不變，此時(shí)開(kāi)始恒流限壓充電。當(dāng)蓄電池電壓上升到一定電壓后，通過(guò)ne555芯片發(fā)出的負(fù)脈沖信號(hào)使光耦導(dǎo)通，增強(qiáng)型MOS進(jìn)入飽和區(qū)，并且充電電流基本保持不變，此時(shí)就進(jìn)入恒壓限流充電，當(dāng)蓄電池電壓和穩(wěn)壓后的電壓基本相等時(shí)進(jìn)入涓充。

蓄電池給負(fù)載供電是通過(guò)電容C1、C2對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，并通過(guò)ne555芯片的OUT 端接D1進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止蓄電池的過(guò)放電。

2.2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：整個(gè)供電系統(tǒng)連接簡(jiǎn)單、安裝快速、便于攜帶，并且能夠輸出蓄電池所需的充電電壓。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、儲(chǔ)能組件、輸出穩(wěn)壓板等[5]主要部分（圖3）。

圖3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)框圖

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的工作原理：通過(guò)太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，組件以串、并聯(lián)形式組成太陽(yáng)能電池方陣，以保證方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求[6]，再通過(guò)太陽(yáng)能控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能貯存起來(lái)。

太陽(yáng)能電池板的選擇：大小為50cm×60cm（2塊）、重量為10kg（每塊），容易攜帶；連接線(xiàn)采用卡式接口，方便快速安裝。太陽(yáng)能電池板展收?qǐng)D，見(jiàn)圖4。

圖2 太陽(yáng)能控制器電路圖

圖4 太陽(yáng)能電池板展收?qǐng)D

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

整個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，采用的2塊太陽(yáng)能電池板輸出電壓都為18V，并聯(lián)使用。在陰天情況下輸出電壓可達(dá)36V；在晴天情況下輸出電壓可達(dá)44V。儲(chǔ)能元件采用2個(gè)12V17AH的蓄電池，這樣可確保充電電壓的穩(wěn)定。

測(cè)試時(shí)，首先把兩個(gè)蓄電池進(jìn)行充分放電，然后接好太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能電池板等元件。分別在晴天和陰天兩種環(huán)境下進(jìn)行充電（圖5），并對(duì)其輸出功率、充電時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行記錄并評(píng)定（圖6）。

圖5 太陽(yáng)充電系統(tǒng)測(cè)試圖

圖6 充電時(shí)間和蓄電池電壓對(duì)應(yīng)圖

在整個(gè)供電系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)中，從圖6可以看出蓄電池充滿(mǎn)電，在晴天時(shí)需要8h左右，在陰天需要16h左右。這樣在野外環(huán)境下充電1～2d就可以滿(mǎn)足LED無(wú)影燈的基本使用。

本次試驗(yàn)使用的LED無(wú)影燈的功率為50W，2個(gè)串聯(lián)蓄電池均為12V/17AH。充滿(mǎn)電后的電壓為25.9V，蓄電池的功率為電壓與容量的乘積，則充完電后電池組輸出的功率為W=25.9×17=440W,可以給無(wú)影燈供電8h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足野外手術(shù)的要求[9]。

2.4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在LED無(wú)影燈的運(yùn)用測(cè)試

傳統(tǒng)野戰(zhàn)手術(shù)無(wú)影燈一般選用真空玻璃器件類(lèi)燈為發(fā)光源[7-8]，能源消耗很大、能效比較差，使得傳統(tǒng)野戰(zhàn)手術(shù)無(wú)影燈無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)市電。LED手術(shù)無(wú)影燈不僅各項(xiàng)參數(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)影燈，且電能耗消耗也大幅度減少，這使得太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可以運(yùn)用于LED手術(shù)無(wú)影燈。

本試驗(yàn)采用的LED無(wú)影燈有28顆大功率LED點(diǎn)光源聚焦，最大功耗為50W，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)充電的蓄電池可以供電8h，完全可以滿(mǎn)足LED手術(shù)無(wú)影燈的供電需求。

3 小結(jié)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，整個(gè)供電系統(tǒng)能夠以較高的效率充電[9]，并且經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能充電后能夠滿(mǎn)足LED無(wú)影燈供電的要求。但系統(tǒng)受天氣變化的影響比較大，如果連續(xù)幾天下雨，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)就無(wú)法補(bǔ)充電源[10]。另外，太陽(yáng)能電池板本身的轉(zhuǎn)化率也是決定充電系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，研制轉(zhuǎn)化率更高的太陽(yáng)能電池板和采用容量更大、更輕的蓄電池來(lái)提升整個(gè)太陽(yáng)能充電系統(tǒng)是我們今后努力的方向。

[1] 胡智軍,徐新民.國(guó)內(nèi)野戰(zhàn)型太陽(yáng)能LED無(wú)影燈手術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(10):111-112.

[2] 胡智軍,杜生明,徐新民,等.一種新型野外太陽(yáng)能LED無(wú)影燈的設(shè)計(jì)與研制[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2010,25(9):27-29.

[3] 胡智軍,徐新民.一種光伏型野戰(zhàn)LED無(wú)影燈的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(9):81-83.

[4] 周志敏,紀(jì)愛(ài)華.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:32-35.

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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

南京軍區(qū)2007年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題（07M062）。實(shí)用新型專(zhuān)利：發(fā)光二極管手術(shù)無(wú)影燈（ZL200620114526.3）。

本文作者：周文光，主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制、使用管理等方面的研究工作。

孔悅，護(hù)理部主任， 副主任護(hù)師。

作者郵箱：zhouwgsun@126.com