集魚燈是光誘魷釣作業中最主要的助漁設備,可分為水上燈和水下燈兩類。水下集魚燈具有節能、誘集范圍廣、穿透水層深等特點。水下集魚燈不僅可以在晚上將深層的柔魚誘集到較淺的水層進行作業,還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進行捕獲 ,水下集魚燈于20世紀90年代以來被廣泛應用到魷釣作業中,其光源以金屬鹵化物燈為主,屬熱光源。
LED是一種半導體固態光源,與金屬鹵化物燈相比較,具有功耗低、易于控制、壽命長、環保、抗震性好等諸多優勢,適合作為水下集魚燈的光源。本文基于LED的特點,將多只LED組合排列在一起,用集成電路驅動,采用數字化控制電路,根據誘集目標魚類的視覺特性,調節LED水下集魚燈的亮燈模式、時間、閃爍頻率等動態參數,以彩色的動態圖像來誘集、驅集魚群,達到節能、環保、科學捕撈、提高效益的目的;同時闡述了無線供電技術的基本結構和原理,并把該技術引入LED水下集魚燈,提高其防水性與易用性。
1 LED水下集魚燈的設計
LED水下集魚燈應符合以下幾方面要求:光源具有較大照射范圍、足夠的照度,并能適用于誘集魚群;啟動操作簡單迅速;燈具堅固、耐震,水密耐壓;耐用。
1. 1 LED控制與驅動系統
采用數字化控制電路,整個電路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系統電路、驅動電路和LED光源點陣三部分構成(圖1) 。
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LED水下集魚燈用高亮度LED 作為光源。LED雖然光效很高,但單只LED所發出的光通量還不夠大,為了實現較大照射范圍和足夠的照度,必須采用多只LED組合在一起使用。首先根據水下集魚燈集魚所需要達到的照射范圍與照度確定總功率,在此基礎上選擇一定功率的多只LED來達到所需的總功率。由1 只紅(R ) 、1 只綠(G) 、1只藍(B)根據配色要求構成1個三基色發光單元。多個三基色發光單元的組合是通過單元電路板實現,在陣列結構上通過先分單元后組合的方式,呈線形、矩形、圓形、內外半圓柱面及部分球面的分布,保證光向四周發射。
LED驅動電路采用集成電路驅動, LED驅動時需要先將直流電流通過高效率的開關穩壓器降壓和變換成恒流源,才能輸出恒定的電流驅動LED發光。顯示電路分為紅、綠、藍3 個模塊, 3個模塊與MCU的連接方式也相同。MCU通過信號線與模塊中各LED驅動電路相連接。通過內置于MCU中的控制程序,由MCU向LED驅動集成塊發送控制信號和數據, LED驅動集成塊根據控制信號和數據要求,對每一只LED實現單獨控制。若MCU連續向各個LED驅動集成塊不斷發出控制信號和數據,使每只LED都受到連續的協調控制 。
如果控制LED以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,并且控制LED在每一個亮滅周期內發光時間的占空比,就能起到控制LED發光亮度的效果。通過對每只LED發光亮度的控制,使每只LED產生256級灰度等級。對3個模塊內的每只紅光、綠光、藍光LED同時進行控制, 3種光色LED按照不同的灰度等級任意組合,能夠產生16 777 216種彩色效果。將多個三基色發光單元組合成一定結構的顯示點列(圖2) ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動態顯示效果,從而實行誘魚。
1. 2 無線供電電源
如果LED水下集魚燈采用電纜線供電,使用時電纜線容易破損折斷,多個LED水下集魚燈一起操作時容易纏繞,非常麻煩。本文設計的LED水下集魚燈用蓄電池供電,并利用無線供電技術為蓄電池充電。
無線供電系統包括電能發送單元和電能接收單元兩部分。電能發送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅動電路、振蕩電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發射線圈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載組成(圖3) 。
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無線供電系統工作時輸入端將交流電經全橋整流電路變換成直流電,或用漁船的直流電源直接為系統供電,直流電流通過振蕩電路逆變轉換成高頻交流電,經功率放大輸出電路放大后供給發射線圈L1。通過發射線圈L1與接收線圈L2耦合電能,接收線圈L2輸出的電流經高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負載(電池)進行充電。一個電能發送單元可以對多個電能接收單元發射電磁波進行充電。電能發送單元與電能接收單元可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網絡分布方式充電。無線供電技術應用于LED水下集魚燈,不需要在LED水下集魚燈上安裝接口及導線,使LED水下集魚燈具有高度可靠的防水性能。
1. 3 散熱
由于LED消耗的能量除轉換為光能外,幾乎都是熱能,而且只能以熱傳導的形式傳出,所以散熱設計是LED能否成功應用的關鍵技術。在熱傳輸設計方面,要計算直接接觸LED器件散熱體的熱容量。較大的熱容量可以較好地吸收和平衡瞬間的熱沖擊,防止由于瞬間過流產生的高溫對LED器件的熱損壞。還要考慮散熱器件的熱傳輸平衡條件和傳輸量,讓集魚燈內部LED器件上發出的熱量能夠順利地傳到集魚燈外部的海水中。設計時通過封裝基板解決散熱的問題,在散熱基板上做貫通孔,使散熱基板直接與海水接觸,讓海水在貫通孔內循環[ 7 ] ,達到降溫目的。
1. 4 封裝
LED水下集魚燈的防護等級是IP68,要求徹底防水,可以長時間浸在一定壓力的水中使用。LED水下集魚燈燈體結構外殼材質為不銹鋼(或鋁合金) ,燈具玻璃為鋼化玻璃,采用硅橡膠密封圈進行密封。LED體積小,封裝靈活,能排成點、線、面等形式安裝。采用無線供電技術的LED水下集魚燈可以做成球形、直管形等各種形狀和大小不同的水下集魚燈。
2 LED水下集魚燈的特點
2. 1 節能環保
近年來,燃油價格大幅度上漲,光誘捕魚漁業在燃油上的投入比重也大為增加,有時熱光源集魚燈的燃油消耗要占到漁船總燃油消耗的50%以上 。由此可見,用在集魚燈上的燃油消耗費用己經對光誘捕魚業的經營效益產生了比較明顯的影響。
金屬鹵化物燈存在光效低、耗電量大、電能大部分轉化為熱能的不足。LED 的光譜幾乎全部集中在可見光頻段,光效率可達80% ～90% ,因此功耗低,在相同的照明效果下,比金屬鹵化物燈節能。
金屬鹵化物燈發出的光線中含有大量的紫外線和紅外線輻射,光誘漁船作業時會對漁船工作人員健康造成傷害,也會對中上層趨光魚類,特別是視覺系統發育尚未完善的幼、稚魚造成一定的傷害 。LED是冷光源,沒有紅外線和紫外線的成分,沒有輻射污染,能有效防止漁場生態被破壞。另外,金屬鹵化物燈內的填充物中有汞或其它重金屬,在使用過程中破損和廢棄后的燈都會對人身健康和環境造成危害,而LED使用中不產生有害物質,廢棄物可回收,沒有污染,不含汞元素,屬于典型的綠色光源。
2. 2 光譜性能好
金屬鹵化物燈的光譜較寬,且發光方向為整個立體空間,不利于配光和光線的有效利用。而LED光譜為分立的光譜,譜線較窄,半高全寬在30 nm左右,各類的LED有不同峰值波長,可以在光合有效輻射范圍內方便地匹配出各種不同的光譜結構。LED 色彩豐富、鮮艷,可以有多樣化的色調選擇和配光,并且LED發光大部分集中會聚于中心,發散角較小,可以有效地控制眩光。LED發光對電流的響應速度極快,只需通過調整電流就可以調節光的強度和顏色。
2. 3 安全可靠,使用壽命長
由于漁業生產工況條件特殊,燈和燈具經常在海浪中拍打和在船舶搖晃中工作,因此必須具備良好的防震和防水性能。金屬鹵化物燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件,易碎,耐震性差,而且需要上百伏特的工作電壓,壽命一般為3 000 h。當用作水下集魚燈時,必須先放進水里再開燈,出水時必須先熄燈再提出水面。操作麻煩,稍有不慎燈泡就有可能爆炸,造成觸電事故[ 11 ] 。LED是用環氧樹脂封裝固態光源,使用低電壓(單個LED只需1. 5～4. 0 V的直流電壓) 、低電流驅動,使用壽命可高達6萬～10萬h;也是一種全固體結構,能經得起震動、沖擊而不至于損壞,非正常報廢率很小,維護極為方便。
3 LED水下集魚燈的應用
LED水下集魚燈通電工作后,整個系統由軟件控制運行。根據不同漁場的客觀情況、誘集目標魚類的生理和生態的不同特點,來配置光源的亮度、顏色以及動態變化效果來誘魚。用戶通過遙控器,或者通過LED水下集魚燈上的控制鍵來設定集魚燈顯示內容,以便符合實際需要。