基于LM3402的新型LED無影燈控制系統(tǒng)

無影燈是用來照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設(shè)備， 要求能以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對(duì)比度低的物體。因此， 除需要“ 無影” 以外，還需要光照度均勻、光質(zhì)好， 能夠很好地區(qū)分血液與人體其他組織、臟器的色差。此外， 無影燈還須能長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)工作， 而不散發(fā)出過量的熱， 因?yàn)檫^熱會(huì)使手術(shù)者不適， 也會(huì)使處在外科手術(shù)區(qū)域中的組織干燥。

目前手術(shù)燈一般都采用環(huán)形節(jié)能燈或鹵素?zé)簦?但隨著發(fā)光二極管LED 技術(shù)的不斷發(fā)展， 特別是高亮度白光LED 的發(fā)展，LED 無影燈徹底解決了環(huán)形節(jié)能燈自身存在的先天缺陷， 是環(huán)形節(jié)能燈的升級(jí)換代產(chǎn)品。目前，LED無影燈的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡使用者所了解和接受， 使用成本亦較環(huán)形節(jié)能燈低， 減少了每1~2 個(gè)月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。

目前， 在技術(shù)上已成功解決了大功率LED 的封裝、恒流驅(qū)動(dòng)、散熱以及照度控制等問題， 可實(shí)現(xiàn)無影燈照度的多級(jí)調(diào)控，調(diào)光靈活、方便。LED無影燈的優(yōu)點(diǎn)有：

(1) 出色的冷光效果： 采用新型的LED 冷光源作為手術(shù)照明， 是真正冷光源， 醫(yī)生頭部和傷口區(qū)域幾乎無溫升。

(2) 光質(zhì)好： 白光LED 具有區(qū)別于普通手術(shù)用無影燈光源的色品特點(diǎn)， 可以增加血液與人體其他組織、臟器的色差， 使得手術(shù)中醫(yī)生的視覺更加清晰， 在流淌、滲透的血液中人體的各個(gè)組織、臟器更容易被區(qū)分出來，這是普通手術(shù)用無影燈所不具備的。

(3) 亮度無級(jí)調(diào)節(jié)： 采用數(shù)字方式無級(jí)調(diào)控LED 的亮度， 操作者可根據(jù)自身對(duì)亮度的適應(yīng)性隨意調(diào)節(jié)亮度， 使其達(dá)到最為理想的舒適度， 使長(zhǎng)時(shí)間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。

(4) 無頻閃： 因?yàn)長(zhǎng)ED 無影燈為純直流供電， 無頻閃， 不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感， 亦不會(huì)對(duì)工作區(qū)域的其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。

(5) 光照度均勻： 采用特殊的光學(xué)系統(tǒng)，360°均勻照射在被觀察物體上， 無虛影產(chǎn)生， 清晰度高。

(6) 壽命長(zhǎng)：LED 無影燈平均壽命長(zhǎng)(35 000 h)， 遠(yuǎn)大于環(huán)形節(jié)能燈(1 500~2 500 h) ， 壽命為節(jié)能燈的十倍以上。

(7) 節(jié)能環(huán)保：LED 具有較高的發(fā)光效率， 耐沖擊，不易破碎、無汞污染， 且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

由于單個(gè)LED 的發(fā)光效率不能滿足手術(shù)無影燈的光照強(qiáng)度和均勻性的要求， 因此需要用多個(gè)LED 組成陣列， 并要求排列合理, 分布均勻， 使得每個(gè)目標(biāo)平面的光照度符合要求， 以此來決定LED 的數(shù)量以及分布規(guī)則。

雖然LED 的發(fā)光效率高， 產(chǎn)生的熱量少， 但是如此多的LED 在一個(gè)密封的箱體內(nèi)， 還是會(huì)產(chǎn)生大量的熱量， 溫度甚至?xí)哌_(dá)60℃~80℃， 所以必須合理設(shè)計(jì)散熱器以及散熱通道， 以有效地降低系統(tǒng)熱阻。

LED 手術(shù)無影燈由多個(gè)燈頭組成， 成花瓣?duì)睿?固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上， 定位穩(wěn)定， 能做垂直或循環(huán)移動(dòng)，可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個(gè)無影燈有144 個(gè)高亮度白色LED，8 個(gè)串聯(lián)成一組， 即稱為高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs(High Brightness Lighting EmittingDiode) ， 以18 組并聯(lián)而成。每組相互獨(dú)立， 若有一組損壞， 其他照樣能夠繼續(xù)工作， 所以對(duì)手術(shù)的影響較小。每組由一個(gè)LM3402 單獨(dú)進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)， 并根據(jù)用戶需要，接受一個(gè)微處理器(CMU)P89LPC932 的PWM 脈寬調(diào)節(jié)控制， 可無級(jí)調(diào)節(jié)， 流過每個(gè)LED 的電流約為120 ~320 mA。LED 無影燈電氣原理圖如圖1 所示。



圖1 LED 無影燈電氣原理圖。