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LED水下集鱼灯的研究与设计

发光二极管(LightEmittingDiode,LED)是一种场致发光光源,是可直接将电能转化为可见光和辐射能的半导体器件。LED的发光原理是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体材料的PN结中注入的空穴与电子复合时引起光子发射而产生光,直接把电能转换为光能,属冷光源。使用LED半导体照明已被公认为是一种节能环保的重要途径。
    日本从2005年开始,研究使用蓝色LED集鱼灯来替代金属卤化物集鱼灯,以达到节省能源消耗、改善工作环境等目的。其燃油消费量仅为传统鱿钓船的1/3,钓获率也相当于(甚至超越)传统鱿钓船。我国也有企业和高校正在进行LED集鱼灯的研究与开发,并取得了一定成果。
    1LED水下集鱼灯的设计
    LED水下集鱼灯应符合以下几方面要求:光源具有较大照射范围、足够的照度,并能适用于诱集鱼群;启动操作简单迅速;灯具坚固、耐震,水密耐压;耐用。
    1.1LED控制与驱动系统
    采用数字化控制电路,整个电路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系统电路、驱动电路和LED光源点阵三部分构成(图1)。
    LED水下集鱼灯用高亮度LED作为光源。LED虽然光效很高,但单只LED所发出的光通量还不够大,为了实现较大照射范围和足够的照度,必须采用多只LED组合在一起使用。首先根据水下集鱼灯集鱼所需要达到的照射范围与照度确定总功率,在此基础上选择一定功率的多只LED来达到所需的总功率。由1只红(R)、1只绿(G)、1只蓝(B)根据配色要求构成1个三基色发光单元。多个三基色发光单元的组合是通过单元电路板实现,在阵列结构上通过先分单元后组合的方式,呈线形、矩形、圆形、内外半圆柱面及部分球面的分布,保证光向四周发射。
    LED驱动电路采用集成电路驱动,LED驱动时需要先将直流电流通过高效率的开关稳压器降压和变换成恒流源,才能输出恒定的电流驱动LED发光。显示电路分为红、绿、蓝3个模块,3个模块与MCU的连接方式也相同。MCU通过信号线与模块中各LED驱动电路相连接。通过内置于MCU中的控制程序,由MCU向LED驱动集成块发送控制信号和数据,LED驱动集成块根据控制信号和数据要求,对每一只LED实现单独控制。若MCU连续向各个LED驱动集成块不断发出控制信号和数据,使每只LED都受到连续的协调控制。
    如果控制LED以鱼眼分辨不出的闪烁频率快速亮灭,并且控制LED在每一个亮灭周期内发光时间的占空比,就能起到控制LED发光亮度的效果。通过对每只LED发光亮度的控制,使每只LED产生256级灰度等级。对3个模块内的每只红光、绿光、蓝光LED同时进行控制,3种光色LED按照不同的灰度等级任意组合,能够产生16777216种彩色效果。将多个三基色发光单元组合成一定结构的显示点列(图2),按照这种控制方式,就能显示出各种颜色、多种图像的动态显示效果,从而实行诱鱼。
    1.2无线供电电源
    如果LED水下集鱼灯采用电缆线供电,使用时电缆线容易破损折断,多个LED水下集鱼灯一起操作时容易缠绕,非常麻烦。本文设计的LED水下集鱼灯用蓄电池供电,并利用无线供电技术为蓄电池充电。
    无线供电系统包括电能发送单元和电能接收单元两部分。电能发送单元主要由交直流电源电路、功率放大输出电路、驱动电路、振荡电路、基准电压电路、控制保护电路以及发射线圈L1(变压器初级)组成,电能接收单元主要包括接收线圈L2(变压器次级)、高频整流滤波电路和负载组成(图3)。
    无线供电系统工作时输入端将交流电经全桥整流电路变换成直流电,或用渔船的直流电源直接为系统供电,直流电流通过振荡电路逆变转换成高频交流电,经功率放大输出电路放大后供给发射线圈L1。通过发射线圈L1与接收线圈L2耦合电能,电路板克隆接收线圈L2输出的电流经高频整流滤波电路变换成直流电提供给负载(电池)进行充电。一个电能发送单元可以对多个电能接收单元发射电磁波进行充电。电能发送单元与电能接收单元可以用一对一、一对多、多对一、多对多和网络分布方式充电。无线供电技术应用于LED水下集鱼灯,不需要在LED水下集鱼灯上安装接口及导线,使LED水下集鱼灯具有高度可靠的防水性能。
    1.3散热
    由于LED消耗的能量除转换为光能外,几乎都是热能,而且只能以热传导的形式传出,所以散热设计是LED能否成功应用的关键技术。在热传输设计方面,要计算直接接触LED器件散热体的热容量。较大的热容量可以较好地吸收和平衡瞬间的热冲击,防止由于瞬间过流产生的高温对LED器件的热损坏。还要考虑散热器件的热传输平衡条件和传输量,让集鱼灯内部LED器件上发出的热量能够顺利地传到集鱼灯外部的海水中。设计时通过封装基板解决散热的问题,pcb抄板在散热基板上做贯通孔,使散热基板直接与海水接触,让海水在贯通孔内循环[7],达到降温目的。
    1.4封装
    LED水下集鱼灯的防护等级是IP68,要求彻底防水,可以长时间浸在一定压力的水中使用。LED水下集鱼灯灯体结构外壳材质为不锈钢(或铝合金),灯具玻璃为钢化玻璃,采用硅橡胶密封圈进行密封。LED体积小,封装灵活,能排成点、线、面等形式安装。采用无线供电技术的LED水下集鱼灯可以做成球形、直管形等各种形状和大小不同的水下集鱼灯。
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