《电子技术应用》

LED水下集鱼灯的研究与设计

2011/12/12 0:00:00

  集鱼灯" title="集鱼灯">集鱼灯是光诱鱿钓作业中最主要的助渔设备,可分为水上灯和水下灯两类。水下集鱼灯具有节能、诱集范围广、穿透水层深等特点。水下集鱼灯不仅可以在晚上将深层的柔鱼诱集到较浅的水层进行作业,还可以在白天将大型柔鱼聚集在较深水层进行捕获 ,水下集鱼灯于20世纪90年代以来被广泛应用到鱿钓作业中,其光源以金属卤化物灯为主,属热光源。

  发光二极管(L ight Emitting Diode, 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" title="节能环保">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。

  1 LED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. 1 LED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控制与驱动系统框图

 

  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16 777 216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" title="无线供电">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) 。

 

  三基色LED点列示意图

 

  无线供电系统结构框图

 

  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,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,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。

 

  摘要: LED是一种半导体固态光源,与金属卤化物灯相比较,具有功耗低、易于控制、寿命长、环保、抗震性好等诸多优势,适合作为水下集鱼灯的光源。本文基于LED的特点,将多只LED组合排列在一起,用集成电路驱动,采用数字化控制电路,根据诱集目标鱼类的视觉特性,调节LED水下集鱼灯的亮灯模式、时间、闪烁频率等动态参数,以彩色的动态图像来诱集、驱集鱼群,达到节能、环保、科学捕捞、提高效益的目的;同时阐述了无线供电技术的基本结构和原理,并把该技术引入LED水下集鱼灯,提高其防水性与易用性。

 

  集鱼灯是光诱鱿钓作业中最主要的助渔设备,可分为水上灯和水下灯两类。水下集鱼灯具有节能、诱集范围广、穿透水层深等特点。水下集鱼灯不仅可以在晚上将深层的柔鱼诱集到较浅的水层进行作业,还可以在白天将大型柔鱼聚集在较深水层进行捕获 ,水下集鱼灯于20世纪90年代以来被广泛应用到鱿钓作业中,其光源以金属卤化物灯为主,属热光源。

  发光二极管(L ight Emitting Diode, 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。

 

  1 LED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. 1 LED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控制与驱动系统框图

 

  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16 777 216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) 。

 

  三基色LED点列示意图

 

  无线供电系统结构框图

 

  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,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,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。

 

  2 LED水下集鱼灯的特点

 

  2. 1 节能环保

  近年来,燃油价格大幅度上涨,光诱捕鱼渔业在燃油上的投入比重也大为增加,有时热光源集鱼灯的燃油消耗要占到渔船总燃油消耗的50%以上 。由此可见,用在集鱼灯上的燃油消耗费用己经对光诱捕鱼业的经营效益产生了比较明显的影响。

  金属卤化物灯存在光效低、耗电量大、电能大部分转化为热能的不足。LED 的光谱几乎全部集中在可见光频段,光效率可达80% ~90% ,因此功耗低,在相同的照明效果下,比金属卤化物灯节能。

  金属卤化物灯发出的光线中含有大量的紫外线和红外线辐射,光诱渔船作业时会对渔船工作人员健康造成伤害,也会对中上层趋光鱼类,特别是视觉系统发育尚未完善的幼、稚鱼造成一定的伤害 。LED是冷光源,没有红外线和紫外线的成分,没有辐射污染,能有效防止渔场生态被破坏。另外,金属卤化物灯内的填充物中有汞或其它重金属,在使用过程中破损和废弃后的灯都会对人身健康和环境造成危害,而LED使用中不产生有害物质,废弃物可回收,没有污染,不含汞元素,属于典型的绿色光源。

  2. 2 光谱性能好

  金属卤化物灯的光谱较宽,且发光方向为整个立体空间,不利于配光和光线的有效利用。而LED光谱为分立的光谱,谱线较窄,半高全宽在30 nm左右,各类的LED有不同峰值波长,可以在光合有效辐射范围内方便地匹配出各种不同的光谱结构。LED 色彩丰富、鲜艳,可以有多样化的色调选择和配光,并且LED发光大部分集中会聚于中心,发散角较小,可以有效地控制眩光。LED发光对电流的响应速度极快,只需通过调整电流就可以调节光的强度和颜色。

  2. 3 安全可靠,使用寿命长

  由于渔业生产工况条件特殊,灯和灯具经常在海浪中拍打和在船舶摇晃中工作,因此必须具备良好的防震和防水性能。金属卤化物灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件,易碎,耐震性差,而且需要上百伏特的工作电压,寿命一般为3 000 h。当用作水下集鱼灯时,必须先放进水里再开灯,出水时必须先熄灯再提出水面。操作麻烦,稍有不慎灯泡就有可能爆炸,造成触电事故[ 11 ] 。LED是用环氧树脂封装固态光源,使用低电压(单个LED只需1. 5~4. 0 V的直流电压) 、低电流驱动,使用寿命可高达6万~10万h;也是一种全固体结构,能经得起震动、冲击而不至于损坏,非正常报废率很小,维护极为方便。

 

  3 LED水下集鱼灯的应用

 

  生产实践表明,影响光诱集鱼效果的首要因素是光源,它包括光源强度、灯光颜色、灯具的配置等。例如,在暗适应条件下,蓝圆鲹幼、成鱼对蓝、绿色光的趋光率最高,对红光的趋光率最低。由暗适应向明适应过渡后,引起趋光率最高的颜色光移向黄、绿色光。在暗适应和明适应条件下,鲐鱼都对紫光和红光有最大的趋光率。

  LED水下集鱼灯通电工作后,整个系统由软件控制运行。根据不同渔场的客观情况、诱集目标鱼类的生理和生态的不同特点,来配置光源的亮度、颜色以及动态变化效果来诱鱼。用户通过遥控器,或者通过LED水下集鱼灯上的控制键来设定集鱼灯显示内容,以便符合实际需要。LED水下集鱼灯能显示出鱼喜欢的食物、同类、各种事物的图像等来诱集鱼群,还能显示出鱼的天敌等相关图像来驱集鱼群、控制鱼群。实行科学捕捞,合理开发利用渔业资源,保护鱼类繁衍增殖,达到可持续发展的目标。

  目前,LED水下集鱼灯的成本较高, LED 光源的光通量、一致性、可靠性还有待提高。LED集鱼灯节能效果在日本鱿钓业已经得到证实,但是LED集鱼灯的普及情况仍然不佳。改用LED集鱼灯的鱿钓船,是否具长期、持续性的渔获效果,还需要确认。对于LED水下集鱼灯应用研究目前还处于起步阶段,缺乏系统的研究资料和成果。但随着科学技术的不断发展,各种技术的完善,LED水下集鱼灯将会成为一种主要的助渔设备,具有广阔的应用前景。

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