LED照明設(shè)備非接觸供電技術(shù)的探討

李天華

(遵義師范學(xué)院物理與機電工程系，貴州 遵義 563002)

1 引言

半導(dǎo)體照明又稱固態(tài)照明，是指用固態(tài)發(fā)光器件作為光源的照明，包括 LED(Light Emitting Diode，發(fā) 光 二 極 管)和 OLED (OrganicLight Emitting Diode，有機發(fā)光二極管)，具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、環(huán)保、堅固耐用、可控性強等優(yōu)勢，是理想的光源，有著廣泛的用途［1］。半導(dǎo)體照明是繼白熾燈、熒光燈之后照明光源的又一次革命。半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、產(chǎn)業(yè)帶動性強、節(jié)能潛力大，被各國公認(rèn)為最有發(fā)展前景的高效照明產(chǎn)業(yè)。

2009年9月22日國家發(fā)展和改革委員會等六部委公布了 《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見》，并明確了半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“六年計劃”。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變進程的加快，半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)作為節(jié)能減排的重要措施迎來了新的發(fā)展機遇期。由于技術(shù)的不斷進步，LED在照明領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用即將啟動。國內(nèi)外投資機構(gòu)紛紛把目光投向LED領(lǐng)域，LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為投資的熱點。

LED照明產(chǎn)業(yè)還在啟步階段，各種LED照明技術(shù)還在進一步完善中。我國LED產(chǎn)業(yè)需要把握市場脈搏，積極拓展消費市場，形成以市場應(yīng)用促進科技創(chuàng)新、以科技創(chuàng)新帶動市場需求的良性循環(huán)。發(fā)揮LED的優(yōu)勢，發(fā)展有特殊用途的LED發(fā)光設(shè)備，積極擴大LED發(fā)光設(shè)備的應(yīng)用范圍。

2 非接觸供電技術(shù)

非接觸供電技術(shù)的特點是供電端與用電端無需任何物理上的連接，就可以把電能傳輸給用電端。利用電磁波進行毫米到厘米級范圍的近距離非接觸供電系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。如電動車輛、深水作業(yè)、機器人、礦山機械、電動牙刷、手機和筆記本等移動設(shè)備，甚至在植入人體的電子醫(yī)療器件也采用了這一技術(shù)供電、充電。因此，近距離非接觸供電技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電技術(shù)，綜合利用電力電子技術(shù)、磁場耦合技術(shù)、大功率高頻變換技術(shù)，借助現(xiàn)代控制理論和方法，實現(xiàn)了傳輸電能系統(tǒng)和用電設(shè)備的隔離，使兩者之間沒有電的直接接觸，很好地滿足了特種應(yīng)用場合的需要，提高了電能傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。因此，非接觸供電技術(shù)是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術(shù)［2］。

2.1 基本原理

非接觸供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動電路、振蕩電路、基準(zhǔn)電壓電路、控制保護電路以及發(fā)射線圈L1(變壓器初級)組成;電能接收單元主要包括接收線圈L2(變壓器次級)、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成 (如圖1所示)。

圖1 非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

非接觸供電系統(tǒng)工作時輸人端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電，直流電通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電經(jīng)功率放大輸出電路放大供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能，接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載［3］。

2.2 特性和缺陷

基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電技術(shù)，發(fā)射線圈和接收線圈必須有諧振頻率一致的電磁共振，才能傳輸電能，而具有以下主要特性和缺陷:電磁共振以“電—磁—磁—電”的方式實現(xiàn)電能的傳遞，而且是一個開放的系統(tǒng)，必然存在著電磁輻射和能量的損耗，因此，近距離的實際效率很難超過80%，遠距離的狀態(tài)下，效率可能很低。因此，不符合節(jié)能的概念。

電磁能與距離的關(guān)系為電場強度與距離的二次方成反比，磁場強度與距離的四次方成反比。單純的電磁共振是不可能長距離傳輸?shù)?。通常?米處，效率不超過1%。因此，只能在近距離內(nèi)使用，一般不超過10厘米。

電磁共振可以穿透非金屬，卻不能穿透金屬。利用這個特性，可以制造出即時充電或即時供電的電器，在移動性、防水性和隔離性等方面有突出的表現(xiàn)，同樣可以應(yīng)用這個特性，來解決其自身的電磁干擾問題。選擇一個適當(dāng)供電頻率使系統(tǒng)產(chǎn)生共振，則電能發(fā)射端的電磁波頻段對正常的通信、廣播沒有干擾或干擾較小，對人體或其他生物不構(gòu)成傷害，符合安全指標(biāo)。

在幾個厘米以內(nèi)的近距離的電磁共振中，還存在著空振高壓問題:接收電路在負(fù)載時的電壓與空載時的電壓相差懸殊，往往是數(shù)倍甚至是十倍以上，致使接收電路在空載時，由于電壓的大幅度升高，將負(fù)載電路燒壞。是目前電磁共振的非接觸供電技術(shù)難以實用的一個重要因素［4］。

3 非接觸供電技術(shù)在LED發(fā)光設(shè)備的應(yīng)用

現(xiàn)有的LED發(fā)光標(biāo)志牌、LED照明產(chǎn)品等，通常采用有線方式供電、充電。因而需要通過接口和導(dǎo)線進行有線方式供電、充電，需要在發(fā)光標(biāo)志牌、照明設(shè)備上安裝接口及導(dǎo)線，導(dǎo)致設(shè)備整體防水、防漏氣性能低且不可靠。無法長期使用、安裝、儲存在惡劣的環(huán)境中，如水中、礦井中或者連續(xù)潮濕的環(huán)境中。

本文探究非接觸供電技術(shù)應(yīng)用于LED發(fā)光設(shè)備可行性，把非接觸供電系統(tǒng)的電能接收端置入到LED發(fā)光設(shè)備內(nèi)。選擇適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計能進行非接觸供電或充電的LED發(fā)光設(shè)備。該LED發(fā)光設(shè)備具有移動性、高度防水性、高度隔離性，適用于水下作業(yè)、礦井作業(yè)、抗洪救災(zāi)等特殊場所的安全標(biāo)志牌與照明。

3.1 應(yīng)用實例

3.1.1 LED發(fā)光標(biāo)志牌

本文設(shè)計的非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌 (如圖2所示)，它由內(nèi)部非接觸供電電能接收單元、充電電池、LED、LED驅(qū)動電路、系統(tǒng)控制電路、柔性電路板、外封裝透明膠套構(gòu)成。外部由非接觸供電電能發(fā)送單元及電源構(gòu)成。

圖2 非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌

(1)電能發(fā)送單元

由國內(nèi)明天科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的VOX330MP05S和VOXR10D是近距離下的非接觸供電芯片組，解決了長期以來不能解決的空振高壓問題，使輸出電壓基本維持在一個相對穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)。

VOX330MP05S是一款專門針對市電電源的非接觸供電的大功率發(fā)射模塊芯片，可以將市電整流后直接給芯片供電，工作電壓范圍大，最低可低至100V，最高電壓至400V，具有高達1A的電流發(fā)射能力，典型工作電路 (如圖3所示)。IC內(nèi)部建有振蕩、基準(zhǔn)電壓、脈寬調(diào)制、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;VOX330MP05S自身功耗小，輸出電流大，發(fā)射效率高達70%以上;芯片內(nèi)設(shè)自動限流電路，電路在空載時電流很小，而在大負(fù)載時的輸出能力可達空載時的十倍以上;VOX330MP05S外圍電路簡單，主要元件只有一個電阻、一個電容和一個線圈，因此使用方便。配合相應(yīng)的接收模塊同時使用，就能實現(xiàn)非接觸供電。

圖3 電能發(fā)送單元

(2)電能接收單元

VOXR10是一款專門針對VOX系列的非接觸供電發(fā)射模塊設(shè)計的配套接收模塊芯片，可以為接收電路提供一個相對穩(wěn)定的中心電壓。VOXR10內(nèi)部建有基準(zhǔn)電壓、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;而且自身功耗小，輸出電流大，接收效率高達80%以上;芯片內(nèi)設(shè)自動限壓電路，電路在空載時電流很小。VOXR10外圍電路簡單，主要元件只有一個電容、一個二極管和一個線圈，因此使用方便。

電能發(fā)送單元發(fā)射電磁波，內(nèi)部電能接收單元接收該電磁波并轉(zhuǎn)換為交流電后經(jīng)整流濾波成直流電對電池進行充電。一個電能發(fā)送單元可以對多個內(nèi)部電能接收單元發(fā)射電磁波進行充電［5］。充電電池一般用鋰電池，但鋰電池穩(wěn)定性較差，在有易燃易爆氣體及物品的環(huán)境中采用鎳氫等電池。

(3)LED電路

一個LED與一個電阻串聯(lián)后組成一個基本單元，若干個基本單元之間可以采用串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式進行連接;多個LED以陣列的形式安裝在一塊平面上組成LED點陣屏，點陣屏有各種顏色，分為單色、雙色、三色。把LED呈矩陣狀均勻布滿于柔性電路板上，可以排列組合成指標(biāo)或警示性的圖標(biāo)發(fā)光顯示［6］。

LED控制電路采用微處理器控制電路，以遙控控制系統(tǒng)、觸摸控制系統(tǒng)、輕觸開關(guān)來控制系統(tǒng)實現(xiàn)，簡單的可以直接用微型按鈕開關(guān)控制電源。LED驅(qū)動電路可采用分立元件驅(qū)動電路、集成驅(qū)動電路。

(4)封裝

外封裝透明膠套用于保護整個非接觸供電式LED發(fā)光標(biāo)志牌的電路，把整個非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌電路牢靠包封在外封裝透明膠套內(nèi)，無任何接口，因此本文所述的非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌具有高度可靠的防水、防漏氣性能。本標(biāo)志牌還可以根據(jù)用戶需要，制做成不同形狀，進行單面、雙面、多面發(fā)光顯示。

3.1.2 LED礦燈

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，煤礦井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是礦燈故障引起的，這主要是由于礦燈所使用的白熾燈泡存在的缺陷所造成的。而LED礦燈解決了白熾燈泡的安全隱患，在煤礦上大量推廣使用。LED礦燈在節(jié)能、安全性、易用性等方面與采用白熾燈的礦燈相比都有較大改進，但還存在著以下問題需要解決。

礦井下潮濕、多水、空氣混濁、灰塵大，LED礦燈采用了鎳氫電池或鋰電池為電源，LED發(fā)光二極管為光源，這些元件一但進水、進入灰塵后就易損壞，甚至報廢。閉鎖螺絲受潮后會生銹，難以卸掉，須將螺栓廢掉，浪費材料費和工時。充電接口經(jīng)常進灰堵塞，尤其水泥進到充電接口凝固后就很難去掉，影響LED礦燈充電，嚴(yán)重的就可能報廢。

本設(shè)計把電能接收端置入LED礦燈，用透明膠套把LED礦燈牢靠密封，采用非接觸供電技術(shù)，就可以解決上述問題。提高了LED礦燈的使用壽命、防爆性能、抗靜電性能，降低了LED礦燈的報廢率，減少了維修量，增加了實用性和安全可靠系數(shù)。

3.2 系統(tǒng)分析與構(gòu)成

對使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的設(shè)計，要從三個角度考慮完成系統(tǒng)的設(shè)計:一是從器件的選擇、電路設(shè)計上盡可能的提高系統(tǒng)的效率;二是嵌入非接觸式的RFID(RadioFrequency Identification，射頻識別)技術(shù)，實現(xiàn)ID認(rèn)證機制，保證系統(tǒng)的安全;三是采用MCU(Micro Control Unit，微控制器)作核心的部分，產(chǎn)生驅(qū)動電路所需的振蕩頻率，同時也需要控制RFID組件與電能接收端進行信息交互。使供電端與用電端可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網(wǎng)絡(luò)分布方式供電［3］。

系統(tǒng)由供電部分及工作部分組成 (如圖4所示)。供電部分由MCU和供電單元組成，MCU通過RFID發(fā)射單元檢測負(fù)載位置的情況，當(dāng)負(fù)載存在時，開通供電單元，進行供電。工作部分由 MCU、與電能發(fā)送端相對應(yīng)的RFID組件、LED單元、受電單元和充電電池組成，受電單元主要實現(xiàn)電能的接收，受電線圈接收電能，通過整流、濾波處理后向電池和LED單元供電。MCU的外圍電路包括復(fù)位電路、參考電壓電路、串口下載電路、電源與接地、按鍵、報警等。系統(tǒng)的人機對話界面，通過顯示模塊來實現(xiàn)。工作部分、供電部分、供電管理、按鍵、顯示等功能都由MCU進行控制［7］。

圖4 用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

實現(xiàn)使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的方案是上述的整合，即兩部分構(gòu)成，分別為接220V交流電的電能發(fā)送端和給LED發(fā)光設(shè)備電池充電的電能接收端。將待充電LED發(fā)光設(shè)備放到充電器上，打開設(shè)在電源端的充電開關(guān)，電能發(fā)送端發(fā)出驗證信息，電能接收端收到驗證信息后發(fā)出確認(rèn)信息，身份驗證通過后，則控制驅(qū)動電路開始工作，實現(xiàn)電能的傳輸。

4 結(jié)束語

對使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的設(shè)計，首先應(yīng)設(shè)定系統(tǒng)預(yù)計達到的各項指標(biāo)，作為測試使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備理論依據(jù)。通過不斷的測試系統(tǒng)、分析測試結(jié)果，提出改進措施，最終使系統(tǒng)達到預(yù)設(shè)指標(biāo)。要考慮LED光學(xué)特性，發(fā)揮LED色彩多樣性的特點，設(shè)計出合理的供電電源及控制電路，提高LED發(fā)光設(shè)備的穩(wěn)定性，提高電源的效率［8］?？刂齐娐芬蚣锌刂?，模塊化，系統(tǒng)可擴展性方面發(fā)展設(shè)計等。由于方便、完全密封等特點，此類使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備將會有很大的應(yīng)用空間。

［1］楊清德，康婭.LED及其工程應(yīng)用 ［M］.北京:人民郵電出版社，2007.7～25.

［2］陳堅.一種無接觸式充電電路的研究 ［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.1～61.

［3］王曉靜.基于 RFID技術(shù)的無線充電系統(tǒng)研究 ［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2008.4～45.

［4］朱斯忠. 無 線 供 電 ［EB/OL］http://www.wirelesspower.cn/，2009－9－1/2009－11－20.

［5］古人.易用的三端無線供電芯片組VOX05MP01和VOXR10D ［J］.無線電，2009(9):72～73.

［6］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2006.73～302.

［7］武文君.植入式電子裝置經(jīng)皮感應(yīng)充電系統(tǒng)設(shè)計［D］.天津:天津大學(xué)，2006.3～21.

［8］朱繼紅.LED在景觀照明中的基本混光方式 ［J］.照明工程學(xué)報，2008(3):26～29.