LED手术无影灯的仿真及设计_led热设计及仿真应用
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LED手术无影灯的仿真及设计
手术无影灯是医院手术室必用设备,在医生手术过程中发挥重要的照明作用。按光源类型区分,通常手术无影灯分为普通型与冷光型2类。普通型无影灯采用普通热光源(如白炽灯、卤钨灯等),由于光转换效率低,对于医院手术室需要长时间照明的场合,故障率明显提高[1-5],同时由于缺乏停电保护措施等,因而易造成烫伤等事故[6]。因其光源发热量大、功率高、寿命短,并且由于手术无影灯光效强、持续
时间长,所以容易对医生眼睛造成损害,有文献分析手术无影灯是造成手术者老视的一个重要原因.另外一种光源采用荧光发光,属于光源,该类光源能耗较低,亮度大,但是色温选择单
一、寿命与热光源差不多,而且光衰较大,且指向性不够,有较大局限性。
LED光源是近年来飞速发展的新型光源之一,LED光源应用于手术无影灯具有如下明显优势: 1)耗电低、散热小,不会造成患者损伤;2)LED冷光源的光源特色有助于手术的顺利开展,它避免了由于热光源造成伤口失水的手术风险;3)LED光源寿命长,光源可根据需要进行指向性设计,因此针对性强;4)可采用多种阵列曲面配光方式,满足不同应用需求。不同功率LED阵列在无影灯中的应用仿真智能化大功率手术无影灯采用LED光源进行设计,具有耗电低、显色特性好的特点,采用平面排列配光方式,其特点是将多颗LED单元根据需要进行排列,采用将多颗LED单元均匀布置,不同单元轴线方向夹角与单元间距之间尺寸通过光学仿真进行最优化设计,将LED单元布置平面基板上,形成一定发光面积、一定发光强度的面光源,面光源的特点是覆盖面大、死角小而且局部发光不刺眼。通过照度仿真计算方法[8],针对现有3 W大功率LED单元,选择125颗进行矩形排列,仿真参数按厂家提供测试参数进行,被照面距离光源间距1 m。针对0.06 W小功率LED,选择6 250颗采用同样矩形排列方式,参数同上,本仿真中以传统度要求进行设计,实际应用中,可根据房间大小、手术台大小等实际参数进行调整。仿真结果见图1。通过仿真结果可以看出,在距离光源1 m以上3 W大功率LED单元时,辐照区域光斑基本呈圆形,最大照度约为12 000 lx,以最大照度下降10%为界限(约10 000 lx为界限),圆形辐照区域半径约为0.2 m,即均匀照明面直径大于0.4 m,完全符合手术无影灯照明要求。同样,当采用0.06 W小功率LED时,辐照区域也为圆形,中心最大照度大约为18 000 lx,以最大照度下降10%为界限(约16 000 lx),圆形辐照区域半径约为0.2 m,即均匀照明直径大于0.4 m,也满足手术无影灯照明要求。2种情况下照度值有所偏差,这可能是因为2种功率的LED发光角不同所致。可以看出,此2种功率的LED光源,辐照模式大致相同,辐照范围集中,光输出量较大,照度高.2 智能化LED手术无影灯硬件设计图2是智能化LED手术无影灯系统框图,采用大功率LED光源。从系统框图可以看出,该电路有2种模式可供选择,即自动控制和手动控制。自动控制模式是由环境光照度模块将手术现场的照度参数经过A/D转换传递给中央控制器,中央控制器根据事先设定好的程序要求通过PWM控制LED恒流驱动模块,从而实现大功率LED串的自动调光。手动控制模式则可通过设计的SC2272无线收发模块,与单片机无线通信,同样通过PWM控制LED恒流驱动模块,实现大功率LED串的手动调光。为了使手术无影灯更加安全和可靠,该LED恒流驱动模块集成了完善的保护功能,当功率MOS管输出过大时,该信号由采样电阻RS反馈到恒流驱动芯片的电流检测引脚,对于反馈回来的信号进行分析后,控制功率MOS管作出相应的调节,以达到稳定无影灯亮度及保护仪器安全作用。该电路结构包括STC12C5A60S2(中央控制器)、XLT604(高亮度LED恒流驱动芯片)恒流驱动模块、SC2272无线接收模块、环境光照度传感器模块等。图3为智能化LED手术无影灯硬件电路图,其工作原理如下:环境光照度传感器模块采集手术现场的光照度,其输出为0~5 V的模拟信号,将该信号传递到中央控制器STC12C5A60S2的P1.0口,STC12C5A60S2内部集成10位A/D转换器,A/D转换完成后,中央控制器根据事先设定好的程序分析并处理手术现场的光照度信息,然后根据事先设定好的光照度要求得出最佳照度驱动信号,通过控制器的P2.0控制XLT604的PWM调光控制端,从而控制功率MOS管的输出驱动电流,从而完成对LED手术无影灯的自动控制。该电还设置有红外遥控信号接收电路,由无线芯片SC2270为核心构成无线接收模块。通过遥控器发出红外控制信号,经接收芯片SC2270处理后发送给控制器。控制器根据事先设定的程序控制XLT604的调光端,达到增加亮度或者是降低亮度的目的,从而实现手动遥控调整功能。该设计可以在不影响医生进行手术操作的情况下由其助手远距离对手术无影灯进行遥控光照度的调节。3 系统软件设计
如图4所示,系统软件主要实现调光模式的选择功能,可选择手动或自动调光,自动调光模式下,系统可根据设定好的照度自动调节,手动模式下可实现光照度连续调节,从而满足了工作人员在不同情况下的需要。
采用新型的LED冷光源,智能化LED手术无影灯具有发光效率高、发热量低、热辐射低、能耗低、寿命长、可靠性高以及易于设计各项安全保护措施等显著优点。采用LED恒流驱动技术,再加上智能化控制接口,给医生的手术工作带来了较大便利,具有较好的应用前景。
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