LED水下集鱼灯的研究与设计方案

1、集鱼灯 是光诱鱿 钓作 业中最主要的助渔设备,可 分为水上灯和水下灯 两类。 水下集鱼灯具有节能、诱集范围广、穿透水层深等特点。水下集鱼灯不仅可以 在晚上将深层的 柔鱼诱集到 较浅的水层进 行作 业,还可以在 白天将 大型柔鱼聚集在较深水层进 行捕 获 ,水下集鱼灯 于20世 纪 90年代以来被 广 泛 应用 到鱿 钓作业中,其光源 以金属卤化物灯 为主 ,属热光源 。发光二极管(L ig ht E mi ttin g Dio de, LE D)是一种场致发光光源，是可直接将 电 能 转化 为 可 见 光和 辐 射能 的半 导 体 器 件 。 LE D 的 发光 原 理是 利用 固 体半 导

2、体 芯片作为发光材料 ,当两端 加上正向 电压,半导体 材料的 PN 结中注入 的空穴 与 电子 复 合时 引 起 光 子 发 射 而 产生 光 ,直 接 把 电 能 转 换为 光能 ,属 冷光源 。使用LE D半 导 体照 明 已 被 公 认 为 是 一 种 节 能 环 保 的 重 要 途径 。日 本 从2005 年 开 始 ,研 究 使用 蓝 色 LE D 集 鱼 灯 来替代 金属 卤 化物 集 鱼灯 ,以达到节省能源消耗、改善工作环境等目的。其燃油消费量仅为传统鱿钓船 的 1/3 , 钓 获率 也 相 当 于 ( 甚 至 超 越) 传 统 鱿 钓 船 。 我 国 也有 企业 和 高校正

3、在 进行LE D集 鱼 灯的 研 究 与 开 发 , 并 取 得了 一 定 成 果 。1 LED 水 下 集 鱼 灯 的 设 计LE D 水 下 集 鱼 灯 应 符 合 以 下 几 方 面 要 求 : 光 源 具 有 较 大 照 射 范 围 、 足 够 的 照度 ,并能适 用于诱集鱼群;启动操 作简单 迅速;灯具 坚固 、 耐震,水密耐压;耐 用。1. 1 LED 控 制 与 驱 动 系 统采 用 数 字 化 控 制 电 路 ,整 个 电 路 由 以 嵌 入 式 微 控 制 器 (MCU) 作 核 心 的 控 制 系 统 电路 、 驱 动 电路 和 LE D 光 源 点 阵 三 部 分 构成

4、(图 1) 。遥控控制系统驱动系统LED光源点阵什驱动集成块中红LEDMCU.驱动集成块绿LED键盘*4驱动集成块蓝LED图1 LED控制与驱动系统框图Fis 1 B bck diagian of LED contiolliiig and diivinw svstanJJJJ 5LED水下集鱼灯用高亮度LED 作为光源。LED虽然光效很高，但单只LED 所发出的光通量还不够大，为了实现较大照射范围和足够的照度，必须采用多 只LED组合在一起使用。首先根据水下集鱼灯集鱼所需要达到的照射范围与 照度确定总功率，在此基础上选择一定功率的多只LE D来达到所需的总功率。 由1只红（R ） 、1只绿（G

5、） 、1只蓝（B）根据配色要求构成1个三基色发光单 元。多个三基色发光单元的组合是通过单元电路板实现，在阵列结构上通过先 分单元后组合的方式，呈线形、矩形、圆形、内外半圆柱面及部分球面的分布， 保证光向四周发射。LED驱动电路采用集成电路驱动，LE D驱动时需要先将直流电流通过高效 率的开关稳压器降压和变换成恒流源，才能输出恒定的电流驱动LED发光。显 示电路分为红、绿、蓝3个模块，3个模块与MCU的连接方式也相同。MCU 通过信号线与模块中各LE D驱动电路相连接。通过内置于M CU中的控制程序， 由M CU向LE D驱动集成块发送控制信号和数据，LE D驱动集成块根据控制信 号和数据要求，

6、对每一只LE D实现单独控制。若 M CU连续向各个LE D驱动集 成块不断发出控制信号和数据，使每只LE D都受到连续的协调控制。如果控制LE D以鱼眼分辨不出的闪烁频率快速亮灭，并且控制LE D在每一 个亮灭周期内发光时间的占空比，就能起到控制LE D发光亮度的效果。通过对 每只LE D发光亮度的控制，使每只LE D产生256级灰度等级。对3个模块内 的每只红光、绿光、蓝光LE D同时进行控制，3种光色LE D按照不同的灰度 等级任意组合，能够产生16 777 216种彩色效果。将多个三基色发光单元组合 成一定结构的显示点列（图2），按照这种控制方式，就能显示出各种颜色、多种 图像的动态显

7、示效果，从而实行诱鱼。1.2无线供电电源如果LED水下集鱼灯采用电缆线供电，使用时电缆线容易破损折断，多个 LED水下集鱼灯一起操作时容易缠绕，非常麻烦。本文设计的LED水下集鱼灯 用蓄电池供电，并利用无线供电技术为蓄电池充电。无线供电系统包括电能发送单元和电能接收单元两部分。电能发送单元主 要由交直流电源电路、功率放大输出电路、驱动电路、振荡电路、基准电压 电路、控制保护电路以及发射线圈L1 （变压器初级）组成，电能接收单元主要包 括接收线圈L2 （变压器次级）、高频整流滤波电路和负载组成（图3） o图2三基色LED点列示意图Fig 2 Tiicobi LED point lange sch

8、ematic diagian高频整流稳1E电路发射端 接收端浊波电器图3无线供电系统结构框图Fig 3 Block diagimn ofwiielesspoveinig system无线供电系统工作时输入端将交流电经全桥整流电路变换成直流电，或用 渔船的直流电源直接为系统供电，直流电流通过振荡电路逆变转换成高频交流 电，经功率放大输出电路放大后供给发射线圈L1 o通过发射线圈L1与接收线 圈L2耦合电能，接收线圈L2输出的电流经高频整流滤波电路变换成直流电提 供给负载（电池）进行充电。一个电能发送单元可以对多个电能接收单元发射电 磁波进行充电。电能发送单元与电能接收单元可以用一对一、一对多、多

9、对 一、多对多和网络分布方式充电。无线供电技术应用于LED水下集鱼灯，不需 要在LE D水下集鱼灯上安装接口及导线，使LE D水下集鱼灯具有高度可靠的 防水性能。1. 3散热由于LE D消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，而且只能以热传导 的形式传出，所以散热设计是LED能否成功应用的关键技术。在热传输设计方 面，要计算直接接触LE D器件散热体的热容量。较大的热容量可以较好地吸收 和平衡瞬间的热冲击，防止由于瞬间过流产生的高温对LE D器件的热损坏。还 要考虑散热器件的热传输平衡条件和传输量，让集鱼灯内部LE D器件上发出的 热量能够顺利地传到集鱼灯外部的海水中。设计时通过封装基板解决散

10、热的 问题，在散热基板上做贯通孔，使散热基板直接与海水接触，让海水在贯通孔内 循环7 ,达到降温目的。2. 4封装LE D水下集鱼灯的防护等级是IP68,要求彻底防水，可以长时间浸在一定 压力的水中使用。LE D水下集鱼灯灯体结构外壳材质为不锈钢（或铝合金），灯 具玻璃为钢化玻璃，采用硅橡胶密封圈进行密封。LE D体积小，封装灵活，能排 成 点 、 线 、 面 等 形式 安 装 。 采 用 无 线 供 电 技 术 的 LE D 水 下 集 鱼 灯 可 以 做成 球 形、直管形等各种形状和大小不同的水下集鱼灯。2 LED 水 下 集 鱼 灯 的 特 点2. 1 节 能 环 保近年来,燃油价格 大

11、 幅度上涨,光诱捕 鱼渔业在燃 油上的投 入 比重也大为 增加,有 时热光源 集鱼灯 的燃 油消耗 要 占 到渔船 总燃 油消耗 的 50%以上 。 由 此 可见,用在集鱼灯上的燃油消耗费用己经对 光诱 捕鱼业 的经营效益产 生了 比较 明显的影响。金属卤化物灯存在光效低、耗电量大、电能大部分转化为热能的不足。 LED 的光谱几乎全部集中在可见光频段，光效率可达8 0% 90%，因此功耗 低,在相同的照明效果下,比金 属卤化物灯节能。金 属卤化 物灯发出的光线 中含 有大量 的紫外线和红外线辐射,光诱渔船 作 业时会 对渔船工作人员健 康 造成伤 害,也 会 对 中上层 趋光鱼类,特别 是视觉

12、系 统 发 育 尚 未 完 善 的 幼 、 稚 鱼 造 成 一 定 的 伤 害 。 LE D 是 冷 光 源 ,没 有 红 外 线 和 紫外线 的成分 ,没有辐射 污染,能有效防止渔 场生态被 破坏。另外,金 属卤化物灯 内的填 充物中有汞或其它重金属,在 使用过程中破损和废弃后的灯都会 对人 身 健 康 和环 境造 成 危害 ,而 LE D 使 用 中 不 产 生有 害物 质 ,废 弃 物可 回 收 ,没有 污染 , 不 含 汞元素,属于典型的绿 色光源。2. 2 光 谱 性 能 好金 属卤化 物灯 的光谱较宽,且发光方向为整个立 体 空间,不 利于配光和光 线 的有效 利用。而LE D 光

13、 谱为 分 立 的 光谱 ,谱线 较 窄 ,半 高 全 宽 在 30 nm 左 右 ,各 类的LE D 有不同峰 值 波 长 ,可 以 在 光 合有效 辐 射范 围 内 方 便地 匹配 出 各 种 不同 的光谱 结 构。LED 色 彩 丰 富 、 鲜艳 ,可 以 有 多 样 化 的 色 调 选 择和 配 光 ,并 且LE D发光 大 部分 集中 会 聚 于 中 心 ,发 散 角较 小 ,可 以 有 效 地 控 制 眩 光 。 LE D 发 光对 电流的 响应速度极 快,只 需通过调整电流就可 以调节光的 强度和颜色。3. 3 安 全 可 靠 , 使 用 寿 命 长由于渔业 生产 工况条件特殊,

14、灯 和灯具经常在海浪中拍打和在船舶摇晃中工作,因此必须具备 良好的防震和防水性能。 金 属卤化 物灯有玻璃泡、 灯丝等 易 损 坏 部 件 ,易 碎 ,耐 震 性 差 ,而 且 需 要 上 百伏 特 的工 作 电 压 ,寿命 一 般为 3 000h。 当用作 水下集 鱼灯 时,必须先放进 水里再 开灯,出水时必须先熄灯再 提出水面 。 操 作 麻 烦 ,稍 有不 慎 灯 泡 就有 可 能 爆 炸,造 成触 电事 故 1 1 。 LE D 是 用 环 氧树脂封装固态光源，使用低电压（单个LE D只需1. 54. 0 V的直流电压）、 低电流驱动，使用寿命可高达6万10万h;也是一种全固体结构，能

15、经得起震 动、 冲击而不 至于损坏,非正常报废率很小,维护极 为方便 。4. LED 水 下 集 鱼 灯 的 应 用生产 实践表明,影响光诱 集 鱼效果的首要 因素是光源,它包 括光源 强度、 灯 光颜色、 灯具 的配置 等 。 例如,在暗适 应条件下,蓝圆鲹幼、 成鱼对 蓝 、 绿色光 的 趋 光 率 最 高 , 对 红 光 的 趋 光 率 最 低 。由 暗 适 应 向 明 适 应 过 渡 后 , 引 起 趋 光 率 最 高的颜 色光移向黄 、 绿 色光。 在 暗适应和明适 应条件下,鲐鱼都对 紫光和红光 有最大的趋光率。LE D水 下 集鱼 灯 通 电 工作 后 , 整 个系 统 由 软

16、件 控制 运行。根据不同渔 场的客观情况、 诱集目标 鱼类的生理 和生态的不同特点,来配置光源的亮度、 颜色以 及动 态变 化效果 来 诱 鱼 。用 户 通 过 遥控 器 ,或 者 通 过LED水下集鱼灯上 的控制 键来设定集鱼灯显 示 内 容,以 便 符 合 实 际 需要 。 LED 水下集鱼灯能显示 出鱼喜欢的食物、同类 、各种事物的图像等来诱集鱼群,还能显示出鱼的天敌等 相关图像 来驱集鱼群、控制鱼群 。 实行科学捕捞,合理 开发利用渔业资源,保护鱼类繁衍 增殖,达到可持续发展的 目标 。目 前 ,LE D 水 下 集鱼 灯 的 成 本 较 高 , LE D光 源 的 光通 量 、 一 致性 、可 靠