基于大功率LED的海底观测网岸基地断路保护电路的制作方法

本发明涉及海底观测网技术领域，具体涉及一种基于大功率LED的海底观测网岸基地断路保护电路。

背景技术：

海底观测网电能供给系统的输电架构在一定程度上取决于输电方式，因输电方式基于直流、单极、恒压，所研究的海底观测网的输电基础架构在该输电方式下确定电压等级，环路方式，以及电压极性。

1)远距离电能传输通常采用提高输电电压的方式来降低输电线上的损耗以增大输电能力。但在水下供电系统中，输电电压往往受制于输电缆和节点处高低压电能变换设备的耐电压等级。当前可用的深海海缆的直流耐压等级主要在10kV级别，同时10kV以上的水下DC/DC变换设备的研制成本极高。因此，输电电压等级最高位10kVDC。

2)单导体的深海光电复合缆采用了深海光缆结构，只有一根铜导体，只能单线输电，输电环路方式为单线输电，海水环路的方式。

3)在采用单线输电，海水环路的方式时，需要在岸站供电端和水下节点接驳盒端分别安装电极，其中，若电极与供电电源的高电势端相连则为阳极，与低电势端相连则为阴极。阳极为损耗型材料，需定期更换，而阴极为惰性材料，无需更换。在深海环境下，电极更换成本较高，难度较大，为便于维护，阳极布置在岸站而阴极布置在海底。这样，岸站的供电电源的高电势端直接与海水相连，形成负高压供电。如图1所示。

图2为海底观测网负高压供电的原理简图，一般将高压电源调至8.3kv，随着接驳盒上连接的科学仪器数量增加，其阻抗也在一定范围内变化，导致总电流i₁的变化范围是0.1～0.4A。

阳极地为一根长铁棍，阻抗约为20Ω，安装在岸边的仓库地下。阴极为海底接驳盒附近的海水，阴极与阳极直接通过海水和大地连接，阻抗可忽略。由于本系统通过牺牲阳极地的方式来给接驳盒供电，阳极地(长铁棍)需要定期更换，故阳极地与电源的连接线会发生以下几种情况的故障：接线处老化发生断裂；电线被老鼠咬断；工人安装时没有连接好。出现以上几种情况后，阳极地都会与电源正极断开，会导致两个恶劣后果：

1)由于只有负极连接了接驳盒，没有形成电流回路，所以接驳盒无法工作。

2)此时若有工作人员碰触高压电源正极输出，正极会通过人体与大地连接，并与海水的阴极形成回路，造成工作人员触电，发生危险。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于大功率LED的海底观测网岸基地断路保护电路。

本发明的海底观测网岸基保护电路包括LED保护模块，LED保护模块由N路并联，每路为K个大功率LED和一个10Ω的贴片电阻串联，LED保护模块的正极端接高压电源的正输出端，LED保护模块的另一端连接建筑地，其中N、K由下式确定：

其中：I---总工作电流，单位：mA

N---支路数

K---单路中LED的个数

R₁---阳极地阻抗，单位：Ω

R₂---建筑地阻抗，单位：Ω。

为了保险起见，该电路采用两个LED保护模块并联以防其中一个LED保护模块故障，该系统可继续正常工作。

作为优选，所述的LED保护模块由六路并联，每路为7个大功率LED和一个10Ω的贴片电阻串联。LED的作用：未导通时，LED阻抗很大，相当于断路；导通后假设每路电流为0.1A，则由图3可得每个LED的压降约为2.6V，则7个LED串联后的总压降为18.2V，并会发出亮光，给工作人员警告。

贴片电阻作用：如果不用电阻，只使用7个LED串联后再并联6路的方式，由于散热条件的不同，会导致6路温度的不均衡，假设第1路的温度比其他几路高一点，由于温度越高LED的导通电阻越小，则第1路的电流上升，又会使第1路的功率更大、发光更亮、发热更严重，造成正反馈，最后的结果是第1路温度会远远高于其他几路，导致第1路的LED过热烧坏。在每一路再加上一个贴片电阻后，假设第1路温度相对其他几路有所上升，则第1路的LED导通电阻减小，导通电流上升，那么贴片电阻两端的电压也会上升，使得LED的压降减小，功率降低，起到负反馈的作用。

所述的LED保护模块通常设置于透明盒子中，盒子四周开有通风口。

附图说明

图1为海底观测网输电模型；

图2是海底观测网供电模型简图；

图3是XLAMP XT-E LED正向I-V图；

图4是本发明中LED保护模块的电路图；

图5是正反馈(a)及负反馈(b)流程图；

图6是优化后的海底观测网供电模型简图。

具体实施方式

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻，耗电量低，其内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，有着广泛的用途。

LED按功率大小分类可分为小功率，大功率(行业上一般把1W以上的灯叫做大功率灯，常用的是1W)。大功率是指发光强度较高的产品，如常见的LED灯管，因为这类的产品的封装尺寸都比较大，发光效率较高(亮度较高)，所以分类为大功率LED。小功率是指发光强度较低的产品，如常见的指示灯、手机背光等，因为这类的产品的封装尺寸都比较小，发光效率较低(亮度较低、通常用在指示、显示)，所以分类为小功率LED。

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd)；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下。

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构，按封装方式分则有插件式和贴片两种，此外还可根据发光颜色、光线发射角度、出光面形状等分类。

本项目中使用了cree公司的Xlamp XT-E型大功率LED，这是一款碳化硅基底座贴片式封装的白色强光大电流LED，最大工作电流为1.5A，最大节点温度为150℃，正向工作电压(350mA，85℃的工况下)为2.85V。其正向I-V图如图3所示，通过此图可以看出，此款LED可以看成是正向导通电压为2.5V的二极管。正向电压小于2.5V时可以看做是断路，正向电压大于2.5V后开始导通发光，并且随着导通电流的增加，其正向压降也在慢慢升高，亮度也逐渐变大。可以将这种特性运用到海底观测网供电系统中，来解决阳极地断路时的续流和警报作用。

图4为本发明的岸基保护板的电路原理图，根据LED的实验，当单路导通电流大于20mA后，其发出的光强度才足够高，能够引起工作人员的注意以起到警示作用，所以我们设定每一路的最小工作电流为20mA。但是随着电流的升高，LED的节点温度也会快速上升，通过温度耐久试验，使用两块岸基保护板并联，输入电压20.1V、电流1.014A，每路电流84.5mA，试验11个小时后温度一直稳定在94度左右，所以我们设定每一路的最大工作电流为85mA。那么就得出了系统的总工作电流和应当使用的支路数的关系式：

其中：I---总工作电流，单位：mA

N---支路数

又由LED的正向I-V图可得，要使单个LED导通的最小正向压降为2.5V，且考虑接地电阻会有一定的变化范围，选定1.5倍的安全系数，可以得出单路应当选用的LED的个数与系统各参数的关系式：

其中：I---总工作电流，单位：mA

K---单路中LED的个数

R₁---阳极地阻抗，单位：Ω

R₂---建筑地阻抗，单位：Ω

南海观测网的最大工作电流为0.4A，阳极地阻抗约为20Ω，建筑地阻抗约为5Ω，则可以通过公式计算出支路数N的取值范围为5到20，单路中LED的个数K的取值应大于4，故本项目中使用每路7个LED和一个10Ω电阻串联，每块板子6路，为了保险起见使用两块板子并联。

LED的作用：未导通时，LED阻抗很大，相当于断路；导通后假设每路电流为0.1A，则由图3可得每个LED的压降约为2.6V，则7个LED串联后的总压降为18.2V，并会发出亮光，给工作人员警告。

贴片电阻作用：如果不用电阻，只使用7个LED串联后再并联6路的方式，由于散热条件的不同，会导致6路温度的不均衡，假设第1路的温度比其他几路高一点，由于温度越高LED的导通电阻越小，则第1路的电流上升，又会使第1路的功率更大、发光更亮、发热更严重，造成正反馈，最后的结果是第1路温度会远远高于其他几路，导致第1路的LED过热烧坏。流程如图5a；在每一路再加上一个贴片电阻后，假设第1路温度相对其他几路有所上升，则第1路的LED导通电阻减小，导通电流上升，那么贴片电阻两端的电压也会上升，使得LED的压降减小，功率降低，起到负反馈的作用，流程如图5b。

保护板制作完成后安装在透明卡克力盒子中，盒子四周有通风口，防止其工作时温度过高。

如图6所示，将两块保护板并联后接到高压电源正极输出，再接到建筑地(经测量阻抗约为5Ω)，使用两块板子是为了在一块板子故障后还能继续工作。假设接驳盒所接科学仪器工作在最大功率，阳极地未发生故障，此时高压电源输出电流i₁约为0.4A，由于未导通的LED正向阻抗很大，则阳极地电流i₃＝i₁＝0.4A，则U₁＝8V<18.2V，LED将维持不导通的状态，此时海底观测网供电系统工作在正常状态，即高压电源通过阳极地到海水的阴极地给接驳盒供电。

若发生阳极地断开的故障，则i₃＝0，i₂＝i₁＝0.4A，LED导通，保护板的每路电流为0.033A，由图3可得每个LED的正向导通压降约为为2.55V，则U₁＝2.55×10+0.033×10+0.4×5＝20.18V，LED维持导通，并且发出亮光。此时高压电源通过建筑地和海水阴极地形成回路，接驳盒依然能正常工作，但此时会消耗建筑地，故工作人员发现保护板的LED发亮后应立即关闭高压电源，并检查阳极地与电源正极是否正常连接，进行维修。