基于非接觸供電技術(shù)的柔光照明系統(tǒng)研究

金星（遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002）

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基于非接觸供電技術(shù)的柔光照明系統(tǒng)研究

金星
（遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002）

摘要：設(shè)計(jì)了一種柔光照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)非接觸方式從現(xiàn)有電力線纜獲取電能，采用LED作為光源，設(shè)計(jì)并利用導(dǎo)光板將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成面光源，解決了現(xiàn)有照明設(shè)備易損壞、有炫光、難維護(hù)等缺陷，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：非接觸供電；LED；導(dǎo)光板；超級(jí)電容

發(fā)光二極管（LED）是目前電光轉(zhuǎn)換效率最高的發(fā)光材料，采用LED作為光源的照明設(shè)備廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，正逐步替代傳統(tǒng)光源照明設(shè)備。

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED芯片的亮度大幅提高，但也存在一些隱患。目前大多數(shù)LED照明設(shè)備都采用直露式燈具，其發(fā)出的光線直接照射人的眼睛，形成眩光污染；LED元器件損壞，若維修人員違章拆卸和維修照明設(shè)備，容易產(chǎn)生火花引發(fā)安全事故；傳統(tǒng)LED照明設(shè)備采用接觸式有線供電，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致電纜接頭處壓接點(diǎn)氧化，接觸電阻增大，壓接點(diǎn)溫度升高，從而造成安全事故［1］。

為了避免照明設(shè)備引發(fā)的安全事故，作者設(shè)計(jì)了一種柔光照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸供電技術(shù)提供電能；以LED作為發(fā)光源，采用光學(xué)級(jí)PMMA加工而成的導(dǎo)光板，將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成面光源。該照明系統(tǒng)光線柔和，對(duì)人體無(wú)害；采用整體式密封，防水防塵；無(wú)需外部供電接口，無(wú)磨損、無(wú)火花，較好地解決了照明設(shè)備的多種安全隱患。

1總體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原理

本照明系統(tǒng)以超高亮全彩LED作為發(fā)光源，采用非接觸供電技術(shù)為L(zhǎng)ED供電。由于LED發(fā)出的光是發(fā)散的，為其加裝由反光膜和透鏡組成的配光系統(tǒng)以改善發(fā)光質(zhì)量。當(dāng)LED發(fā)出的光進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)部并照射到導(dǎo)光板內(nèi)表面的散射網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，發(fā)生不規(guī)律反射，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散膜散射后，在導(dǎo)光板的出光面形成光線柔和、亮度均勻、色度穩(wěn)定的二次面光源［2］。

1.2總體設(shè)計(jì)

本照明系統(tǒng)主要由非接觸供電單元、LED光源、導(dǎo)光板、驅(qū)動(dòng)電路和框架構(gòu)成。

非接觸供電單元主要由磁感應(yīng)取電器、高頻整流濾波電路、穩(wěn)壓電路等部分組成。磁感應(yīng)取電器采用硅鋼材料制成感應(yīng)線圈鐵芯，兩個(gè)半圓結(jié)構(gòu)的鐵芯套裝在電力電纜上。取電器從電力電纜耦合電能，感應(yīng)線圈輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。儲(chǔ)能裝置由超級(jí)電容和鋰離子電池并聯(lián)而成。

導(dǎo)光板用光學(xué)級(jí)PMMA加工而成，其正反兩面均為出光面，出光面按一定規(guī)律分布著散射網(wǎng)點(diǎn)，如圖1所示。為了獲得較大的導(dǎo)光板照度，在導(dǎo)光板兩側(cè)分別均勻排列安裝LED光源，LED光源發(fā)出的光線采用雙側(cè)入光的方式進(jìn)入導(dǎo)光板，在導(dǎo)光板的出光面就可以發(fā)出亮度均勻的光；在框架內(nèi)安裝LED光源和驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)導(dǎo)線與外部?jī)?chǔ)能裝置連接，導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)如圖2所示。據(jù)LED的排列規(guī)律設(shè)置各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析得到仿真數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，反復(fù)調(diào)試，直至達(dá)到預(yù)期效果。

圖1導(dǎo)光板及LED分布結(jié)構(gòu)示意圖

其次，在TracePro中建立導(dǎo)光板模型，選擇導(dǎo)光板材料為PMMA，設(shè)計(jì)導(dǎo)光板散射網(wǎng)點(diǎn)的大小、數(shù)量、密度。由于單位面積內(nèi)散射網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量大，容易導(dǎo)致兩側(cè)LED發(fā)出光通量產(chǎn)生重疊，不利于網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)的確定，因此，將導(dǎo)光板劃分為若干網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行MC（蒙特卡洛）光線追跡，以此獲得三維網(wǎng)點(diǎn)分布圖形（如圖1所示）和參數(shù)（r=0.22～0.37，A=1.5mm，其中r為網(wǎng)點(diǎn)半徑，A為相鄰網(wǎng)點(diǎn)間距）。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1非接觸供電技術(shù)

本系統(tǒng)利用非接觸供電技術(shù)從現(xiàn)有電力電纜獲取電能，具有可靠性高、抗干擾、無(wú)接觸火花等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低安全事故的發(fā)生率。

非接觸供電單元包括磁感應(yīng)取電器、高頻整流濾波電路、穩(wěn)壓電路等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。相關(guān)研究表明，取電器磁芯材料的選擇、負(fù)載等效阻抗的匹配、取電器線圈的繞制及匝數(shù)等因素對(duì)非接觸供電系統(tǒng)的取電能力有較大影響。

圖2 導(dǎo)光板A-A截面結(jié)構(gòu)示意圖

LED可以看作是具有自身光型曲線的點(diǎn)光源，它的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)沿導(dǎo)光板軸線方向逐漸減弱，可通過(guò)調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)半徑實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板的均勻出光［3］。本文利用具有光學(xué)精度的光學(xué)模擬軟件TracePro，輔助進(jìn)行導(dǎo)光板的光學(xué)設(shè)計(jì)。

首先，在TracePro中對(duì)LED進(jìn)行光學(xué)建模，根

圖3非接觸供電單元結(jié)構(gòu)示意圖

（1）取電器磁芯材料的選擇

由于磁性材料在電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在磁能損耗（鐵損），導(dǎo)致取電器獲取的有效電能明顯減少。研究表明，磁性材料單位體積內(nèi)的磁滯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值（Bm）的平方成正比［4］。常見(jiàn)的磁性材料有硅鋼、Ni-Fe合金等，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硅鋼的Bm是Ni-Fe合金（鎳48%）的1/8、是Ni-Fe合金（鎳80%）的1/220，顯然硅鋼的鐵損比Ni-Fe合金低很多，也就是說(shuō)，硅鋼比Ni-Fe合金材料的有效磁感應(yīng)功率高得多。另外，由于硅鋼比Ni-Fe合金硬度小，易加工，兩個(gè)半圓結(jié)構(gòu)的取電器配合更緊密，氣隙小，漏感少，確保了較高的磁感應(yīng)功率。

（2）負(fù)載等效阻抗的匹配

（3）取電器線圈的繞制及匝數(shù)

相關(guān)研究表明，當(dāng)電纜工作電流為5A、負(fù)載等效阻抗為100、線圈線徑為0.5mm、取電器線圈匝數(shù)在100匝時(shí)，線圈的輸出電壓和輸出功率最高，若線圈匝數(shù)偏離該值，會(huì)降低負(fù)載獲得的有效功率［5］。

綜上所述，本系統(tǒng)的磁感應(yīng)取電器采用硅鋼材料制成兩個(gè)半圓結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈磁芯，磁芯套裝在電纜上，對(duì)磁芯接口進(jìn)行精加工和防腐處理，盡量縮小氣隙長(zhǎng)度；設(shè)計(jì)負(fù)載等效阻抗為100，使輸出功率最大化；設(shè)計(jì)取電器線圈外徑D和線圈繞組長(zhǎng)度L之比為0.7，以降低磁損；為降低導(dǎo)線電阻和衍生電容，穩(wěn)定線圈參數(shù)，設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)N=100，采取單層、緊密繞制［6］。以此設(shè)計(jì)的取電器輸出功率最高可達(dá)3W，最大輸出電流250mA，輸出電壓6V和12V可供選擇，基本滿足本輔助照明系統(tǒng)需求。

由于非接觸供電系統(tǒng)無(wú)法持續(xù)為照明系統(tǒng)供電，因此，本文采用超級(jí)電容器與鋰離子電池并聯(lián)組成儲(chǔ)能裝置。鋰離子電池雖具有較大的能量密度，但功率密度較小，充放電效率較低，循環(huán)使用壽命短；而超級(jí)電容雖能量密度較低，但功率密度較大，充放電效率較高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，因此，結(jié)合超級(jí)電容器和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，采用超級(jí)電容器與鋰離子電池并聯(lián)，能使儲(chǔ)能裝置的功率輸出能力提高，內(nèi)部損耗降低，放電時(shí)間延長(zhǎng)，充放電次數(shù)增加，儲(chǔ)能裝置的綜合性能大幅提高。

2.2導(dǎo)光板

導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)是本照明系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用是將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成面光源。導(dǎo)光板的出光質(zhì)量及效率受其材料、形狀及網(wǎng)點(diǎn)排布規(guī)律的影響。本設(shè)計(jì)采用透光性良好的光學(xué)級(jí)PMMA（Poly methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲脂）板材（厚度10mm，透光率92%～93%，折射率1.482～1.521）加工成導(dǎo)光板［7］。

在TracePro軟件中打開(kāi)網(wǎng)點(diǎn)分布圖，建立導(dǎo)光板和LED模型，利用“剖面曲線”功能進(jìn)行照度分析，采用9點(diǎn)測(cè)量法進(jìn)行均勻度測(cè)量，以獲得最佳照度和均勻度。

2.3散熱

由于LED的光通量與溫度成反比，因此，良好的散熱設(shè)計(jì)是保持LED亮度恒定的保證。為了便于散熱，將圖2中的框架作為L(zhǎng)ED的散熱體。為了增加散熱效果，將散熱體外表面制成鰭片狀。在散熱體材料選用上，將銅導(dǎo)熱快和鋁散熱快的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，加工成如圖4所示的散熱結(jié)構(gòu)。LED芯片與散熱體的粘結(jié)材料主要有導(dǎo)熱膠、銀漿、錫漿三種，由于錫漿具有更好的導(dǎo)熱性能，本設(shè)計(jì)選用錫漿作為散熱體的粘結(jié)材料。

圖4LED芯片散熱結(jié)構(gòu)示意圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有LED照明技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種新型設(shè)計(jì)方案，將超級(jí)電容器和鋰離子電池并聯(lián)作為儲(chǔ)能裝置為L(zhǎng)ED提供電能，利用非接觸供電技術(shù)為儲(chǔ)能裝置充電，并利用導(dǎo)光板將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成面光源。該照明系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性，光線柔和，可以有效緩解人眼的視覺(jué)疲勞，降低安全事故的發(fā)生機(jī)率。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的防水等級(jí)是IP68，完全防水，作為現(xiàn)有照明系統(tǒng)的補(bǔ)充和延伸，在礦井、涉水、灌漿、搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

Investigation of System Based on Contactless

JIN Xing
（Physics and Mechanical&Electrical Engineering Institution，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:A system using LED as light source was designed，which can acquire power from the existed power cable via contactless. And a light guide plate was also designed and used to convert the into.This lighting system shows great potential of applications because of the absence of the problems frequently encountered in the present lighting equipments，such as，，hard maintenance and so on. Key words:contactless LED；light guide plate；

中圖分類號(hào)：TM45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3583（2016）-0103-03

收稿日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：2015年貴州省遵義市科技合作專項(xiàng)資金項(xiàng)目（省市科合［2015］37號(hào)）；貴州省省級(jí)特色重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（黔學(xué)位合字ZDXK［2015］12號(hào)）；遵義市紅花崗區(qū)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（遵紅科合社字［2015］17號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：金星，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，碩士。研究方向：自動(dòng)測(cè)控、傳感器與檢測(cè)技術(shù)。