灯驱分离式全防护远射程航标灯器的设计与应用

2016-11-18林登山汕头航标处

珠江水运 2016年19期

关键词：分离式射程大功率

◎ 林登山汕头航标处

◎ 林登山汕头航标处

本文介绍一种新型灯驱分离式全防护远程航标灯器的设计及其应用。采用大功率LED为光源，单点菲涅尔透镜处理、自适应驱动功率驱动、以及光源和电子控制驱动结构分离，提高了灯器射程，并极大的方便了信息化管理和日常维护。

大功率LED 单点菲涅尔透镜灯驱分离设计应用

1.前言

目前国内灯塔使用的灯器基本上采用传统光源，如高压钠灯或金卤灯，加整体式菲涅尔透镜结构形式，由于受光源和光学镜头的限制，一般都安装在具有环境防护的灯塔建筑内。不能在野外恶劣环境下单独安装。且产品均为国外进口产品，因为厂商限制，通讯接口不统一不公开，实现远程控制管理困难，同时在维护方面也很难及时到位。

为了解决现有灯塔灯器的性能缺陷，本方案采用大功率LED为发光光源，用单点LED菲涅尔透镜进行光学准直，通过多点光源组合提高灯器光源效率和射程；同时用灯驱分离式结构代替传统整体密封式结构，一是增强灯器防风、防潮、以及抗雾化性能，二是把光源和电子驱动、遥测遥控单元分离，给现场调试、安装和维护带来极大的便利。三是通过实际应用提出推广建议

2.灯驱分离式航标灯技术方案

2.1系统方案

航标灯工作原理框图如图1所示。

2.2光源选择

单颗功率1W以上的LED称为大功率LED。大功率LED具有出光效率高的优点。在相同的功率条件下，采用大功率LED为光源，只需少数几颗LED，其综合光强大于上百颗小功率LED的光强。

新型灯驱分离式灯器光源采用单颗1W大功率LED为发光光源。

2.3光学处理：

2.3.1光学透镜

大功率LED为半球面点光源，在未进行光学处理的情况下，LED的发光为半球面发光。新型灯器的LED光源采用基于“半球面点光源水平360°准直聚焦”专利技术的单点菲涅尔透镜进行二次光学处理，透镜准直聚焦角度为垂直±4°，水平±23°，且在结构上透镜和LED紧密配合，保证了LED所有出光都经过透镜汇聚，减少了光线散射，出光效率大于90%。

根据LED的电压和电流特性，并结合航标灯的整体结构，单点菲涅尔透镜可以进行任意组合形成镜头模组。本灯器采用三联单点菲涅菲尔镜头模组，透镜模组结构为全防水结构。

2.3.2整灯光学设计

因为每颗透镜的水平角度为46°，为保证灯器水平360°均匀发光，整灯光学面为等边八角形分布。经模拟计算，整灯水平360°发光均匀度在30米处超过85%，当每面安装36颗1W，单颗130lm的LED时，水平任意方向发光强度定光大于70000cd。

2.4灯光射程：

本灯器光源采用八等边形分布。根据大功率LED的光通量和灯器的射程要求，其最大设计射程为18海里，光源视线方向的有效光强要求为49000cd。因此，该灯器选用单颗光通量为130lm的白色LED，在灯器圆周八边每边安装12条3联镜头模组，4层安装，保证水平任意可视方向的最大定光光强超过70000cd。这样在闪光时间为0.5s，大气透射系数T=0.74的条件下，有效光强超过50000cd,保证灯光射程超过18海里。

新型灯器光源为4层排列结构，每两层组成一个发光单元可以单独使用。一个发光单元的射程超过15海里。根据透镜特点和灯器的结构，可以按照射程要求计算出点阵光源的大小。2.5工作功率

灯器所用能源为太阳能和蓄电池。

新型灯器定光工作功率为360W（含电子控制和遥测遥控单元）。和泰兰NOVA-250-3型功耗相同。闪光灯器的能耗方式有别于旋转灯器，能耗的大小与灯质闪烁周期有关。在灯质为闪（2）6秒的条件下，整灯平均功率为60W。和旋转灯器（如TRB300）功耗相同。

航标灯工作原理框图

如果灯光射程要求在15海里，只需要一个发光单元工作，即上两层或下两层光源发光。一个发光单元定光的最大工作功率为136W，有效光强超过18000cd。

新型灯器还可以根据使用环境设置360°、270°、以及180°发光。

2.6闪光电流与蓄电池

新型灯器在最大工作功率下，放电峰值电流（闪光瞬间）为30A。对于现有航标蓄电池配备，属于正常工作放电范围，不会对电池造成任何损伤。

2.7LED驱动、灯质和亮度控制器、以及遥控遥测接口

新型灯器在光源电子驱动部分采用了功率自适应驱动技术，使光源工作在最佳电压和电流，最大限度的提高光源的发光效率。

LED灯质和亮度控制器由ATmega88单片机来实现。ATmega88是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时，ATmega88的数据吞吐率高达1 MIPS/ MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

灯质和亮度控制器可实现IALA规定的256种灯质的设定，并可以实现17级灯器亮度的调节控制。控制器预留有RS232接口，接口符合广东海事局航标导航处制定的《灯器与遥测遥控终端的接口标准》。可以和遥测遥控终端连接，实现对航标标灯器的灯质状态、工作电流电压参数、以及灯器亮度等的远程监测、调整控制、以及故障报警。也可以与GPS同步时钟连接实现灯质同步。

2.8结构

新型灯器的结构采用灯驱分离式设计，即灯体和电子驱动部分为防水电缆分离式连接。电子部分集成在一个不锈钢防水盒里，光源固定在灯座上。电子部分的防水盒和灯座通过紧固螺丝固定，通过防水电缆接头进行两者之间的电气连接。

新型灯器的光源采用散热片和灯座二次散热方式，确保LED光源的工作温度低于60°C，保证光源的衰减小于1%（每年）。

新型灯器为全防护结构设计，防护等级大于IP66，可以适合各种野外环境安装，无需类似灯笼等建（构）筑物，大大的降低了安装运营成本。

2.9新型灯器结构特点如下：

①把所有电子部件集成在电子防水盒里，在使用遥测遥控功能时，只需打开电子防水盒盖子即可安装短信卡。极大的方便了灯器在使用前的设置和测试。同时在设置和测试时，可以连接备用测试光源，无需连接整灯。

②在灯器安装时，电子防水盒和光源灯座可以分别携带和安装。减轻了安装过程的负重。

③方便了日常维护。

④新型灯器在能源供给方面可以配置交直流转换器，在有市电的地方更方便能源供应。