一种野战医用LED无影灯的太阳能供电系统的设计 - 多模式教学网

研 究 论 著
RESEARCH WORK
一 种 野 战 医 用 LED 无 影 灯 的 太 阳 能
供 电 系 统 的 设 计
Research of Solar Power Supply System on LED Shadowless Lamp in
Field Operation
周 文 光 , 魏 培 德 , 许 新 建 , 孔 悦
解 放 军 第 174 医 院 , 福 建 厦 门 361003
[ 摘 要 ] 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 。
[ 关 键 词 ] 太 阳 能 供 电 系 统 ;LED 无 影 灯 ; 太 阳 能 电 池 ; 野 战 医 疗 手 术
ZHOU Wen-guang, WEI Pei-de,
XU Xin-jian, KONG Yue
The 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian
361003, China
Abstract: 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.
Key words: solar power supply system; LED shadowless lamp ;solar battery ; field operation
[ 中 图 分 类 号 ] TM914.4;TM923.5 [ 文 献 标 志 码 ] A
doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.003
[ 文 章 编 号 ] 1674-1633(2012)02-0016-03
2012 年 第 27 卷 02 期
VOL.27 No.02
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
收 稿 日 期 :2011-08-23
基 金 项 目 : 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 。
通 讯 作 者 : 孔 悦 , 护 理 部 主 任 , 副 主 任 护 师 。
作 者 邮 箱 :zhouwgsun@126.com
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
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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
[4]
能 供 电 系 统 设 计 、 太 阳 能 供 电 系 统 参 数 设 计 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
[5]
器 、 储 能 组 件 、 输 出 稳 压 板 等 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
中 国 医 疗 设 备 2012 年 第 27 卷 02 期 VOL.27 No.02 17

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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)。
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 。
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
[ 参 考 文 献 ]
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