本發明涉及海底觀測網技術領域，具體涉及一種基于大功率LED的海底觀測網岸基地斷路保護電路。

背景技術：

海底觀測網電能供給系統的輸電架構在一定程度上取決于輸電方式，因輸電方式基于直流、單極、恒壓，所研究的海底觀測網的輸電基礎架構在該輸電方式下確定電壓等級，環路方式，以及電壓極性。

1)遠距離電能傳輸通常采用提高輸電電壓的方式來降低輸電線上的損耗以增大輸電能力。但在水下供電系統中，輸電電壓往往受制于輸電纜和節點處高低壓電能變換設備的耐電壓等級。當前可用的深海海纜的直流耐壓等級主要在10kV級別，同時10kV以上的水下DC/DC變換設備的研制成本極高。因此，輸電電壓等級最高位10kVDC。

2)單導體的深海光電復合纜采用了深海光纜結構，只有一根銅導體，只能單線輸電，輸電環路方式為單線輸電，海水環路的方式。

3)在采用單線輸電，海水環路的方式時，需要在岸站供電端和水下節點接駁盒端分別安裝電極，其中，若電極與供電電源的高電勢端相連則為陽極，與低電勢端相連則為陰極。陽極為損耗型材料，需定期更換，而陰極為惰性材料，無需更換。在深海環境下，電極更換成本較高，難度較大，為便于維護，陽極布置在岸站而陰極布置在海底。這樣，岸站的供電電源的高電勢端直接與海水相連，形成負高壓供電。如圖1所示。

圖2為海底觀測網負高壓供電的原理簡圖，一般將高壓電源調至8.3kv，隨著接駁盒上連接的科學儀器數量增加，其阻抗也在一定范圍內變化，導致總電流i₁的變化范圍是0.1～0.4A。

陽極地為一根長鐵棍，阻抗約為20Ω，安裝在岸邊的倉庫地下。陰極為海底接駁盒附近的海水，陰極與陽極直接通過海水和大地連接，阻抗可忽略。由于本系統通過犧牲陽極地的方式來給接駁盒供電，陽極地(長鐵棍)需要定期更換，故陽極地與電源的連接線會發生以下幾種情況的故障：接線處老化發生斷裂；電線被老鼠咬斷；工人安裝時沒有連接好。出現以上幾種情況后，陽極地都會與電源正極斷開，會導致兩個惡劣后果：

1)由于只有負極連接了接駁盒，沒有形成電流回路，所以接駁盒無法工作。

2)此時若有工作人員碰觸高壓電源正極輸出，正極會通過人體與大地連接，并與海水的陰極形成回路，造成工作人員觸電，發生危險。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于大功率LED的海底觀測網岸基地斷路保護電路。

本發明的海底觀測網岸基保護電路包括LED保護模塊，LED保護模塊由N路并聯，每路為K個大功率LED和一個10Ω的貼片電阻串聯，LED保護模塊的正極端接高壓電源的正輸出端，LED保護模塊的另一端連接建筑地，其中N、K由下式確定：

其中：I---總工作電流，單位：mA

N---支路數

K---單路中LED的個數

R₁---陽極地阻抗，單位：Ω

R₂---建筑地阻抗，單位：Ω。

為了保險起見，該電路采用兩個LED保護模塊并聯以防其中一個LED保護模塊故障，該系統可繼續正常工作。

作為優選，所述的LED保護模塊由六路并聯，每路為7個大功率LED和一個10Ω的貼片電阻串聯。LED的作用：未導通時，LED阻抗很大，相當于斷路；導通后假設每路電流為0.1A，則由圖3可得每個LED的壓降約為2.6V，則7個LED串聯后的總壓降為18.2V，并會發出亮光，給工作人員警告。

貼片電阻作用：如果不用電阻，只使用7個LED串聯后再并聯6路的方式，由于散熱條件的不同，會導致6路溫度的不均衡，假設第1路的溫度比其他幾路高一點，由于溫度越高LED的導通電阻越小，則第1路的電流上升，又會使第1路的功率更大、發光更亮、發熱更嚴重，造成正反饋，最后的結果是第1路溫度會遠遠高于其他幾路，導致第1路的LED過熱燒壞。在每一路再加上一個貼片電阻后，假設第1路溫度相對其他幾路有所上升，則第1路的LED導通電阻減小，導通電流上升，那么貼片電阻兩端的電壓也會上升，使得LED的壓降減小，功率降低，起到負反饋的作用。

所述的LED保護模塊通常設置于透明盒子中，盒子四周開有通風口。

附圖說明

圖1為海底觀測網輸電模型；

圖2是海底觀測網供電模型簡圖；

圖3是XLAMP XT-E LED正向I-V圖；

圖4是本發明中LED保護模塊的電路圖；

圖5是正反饋(a)及負反饋(b)流程圖；

圖6是優化后的海底觀測網供電模型簡圖。

具體實施方式

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕，耗電量低，其內在特征決定了它是最理想的光源去代替傳統的光源，有著廣泛的用途。

LED按功率大小分類可分為小功率，大功率(行業上一般把1W以上的燈叫做大功率燈，常用的是1W)。大功率是指發光強度較高的產品，如常見的LED燈管，因為這類的產品的封裝尺寸都比較大，發光效率較高(亮度較高)，所以分類為大功率LED。小功率是指發光強度較低的產品，如常見的指示燈、手機背光等，因為這類的產品的封裝尺寸都比較小，發光效率較低(亮度較低、通常用在指示、顯示)，所以分類為小功率LED。

按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發光強度100mcd)；把發光強度在10～100mcd間的叫高亮度發光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下。

按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構，按封裝方式分則有插件式和貼片兩種，此外還可根據發光顏色、光線發射角度、出光面形狀等分類。

本項目中使用了cree公司的Xlamp XT-E型大功率LED，這是一款碳化硅基底座貼片式封裝的白色強光大電流LED，最大工作電流為1.5A，最大節點溫度為150℃，正向工作電壓(350mA，85℃的工況下)為2.85V。其正向I-V圖如圖3所示，通過此圖可以看出，此款LED可以看成是正向導通電壓為2.5V的二極管。正向電壓小于2.5V時可以看做是斷路，正向電壓大于2.5V后開始導通發光，并且隨著導通電流的增加，其正向壓降也在慢慢升高，亮度也逐漸變大?？梢詫⑦@種特性運用到海底觀測網供電系統中，來解決陽極地斷路時的續流和警報作用。

圖4為本發明的岸基保護板的電路原理圖，根據LED的實驗，當單路導通電流大于20mA后，其發出的光強度才足夠高，能夠引起工作人員的注意以起到警示作用，所以我們設定每一路的最小工作電流為20mA。但是隨著電流的升高，LED的節點溫度也會快速上升，通過溫度耐久試驗，使用兩塊岸基保護板并聯，輸入電壓20.1V、電流1.014A，每路電流84.5mA，試驗11個小時后溫度一直穩定在94度左右，所以我們設定每一路的最大工作電流為85mA。那么就得出了系統的總工作電流和應當使用的支路數的關系式：

其中：I---總工作電流，單位：mA

N---支路數

又由LED的正向I-V圖可得，要使單個LED導通的最小正向壓降為2.5V，且考慮接地電阻會有一定的變化范圍，選定1.5倍的安全系數，可以得出單路應當選用的LED的個數與系統各參數的關系式：

其中：I---總工作電流，單位：mA

K---單路中LED的個數

R₁---陽極地阻抗，單位：Ω

R₂---建筑地阻抗，單位：Ω

南海觀測網的最大工作電流為0.4A，陽極地阻抗約為20Ω，建筑地阻抗約為5Ω，則可以通過公式計算出支路數N的取值范圍為5到20，單路中LED的個數K的取值應大于4，故本項目中使用每路7個LED和一個10Ω電阻串聯，每塊板子6路，為了保險起見使用兩塊板子并聯。

LED的作用：未導通時，LED阻抗很大，相當于斷路；導通后假設每路電流為0.1A，則由圖3可得每個LED的壓降約為2.6V，則7個LED串聯后的總壓降為18.2V，并會發出亮光，給工作人員警告。

貼片電阻作用：如果不用電阻，只使用7個LED串聯后再并聯6路的方式，由于散熱條件的不同，會導致6路溫度的不均衡，假設第1路的溫度比其他幾路高一點，由于溫度越高LED的導通電阻越小，則第1路的電流上升，又會使第1路的功率更大、發光更亮、發熱更嚴重，造成正反饋，最后的結果是第1路溫度會遠遠高于其他幾路，導致第1路的LED過熱燒壞。流程如圖5a；在每一路再加上一個貼片電阻后，假設第1路溫度相對其他幾路有所上升，則第1路的LED導通電阻減小，導通電流上升，那么貼片電阻兩端的電壓也會上升，使得LED的壓降減小，功率降低，起到負反饋的作用，流程如圖5b。

保護板制作完成后安裝在透明卡克力盒子中，盒子四周有通風口，防止其工作時溫度過高。

如圖6所示，將兩塊保護板并聯后接到高壓電源正極輸出，再接到建筑地(經測量阻抗約為5Ω)，使用兩塊板子是為了在一塊板子故障后還能繼續工作。假設接駁盒所接科學儀器工作在最大功率，陽極地未發生故障，此時高壓電源輸出電流i₁約為0.4A，由于未導通的LED正向阻抗很大，則陽極地電流i₃＝i₁＝0.4A，則U₁＝8V<18.2V，LED將維持不導通的狀態，此時海底觀測網供電系統工作在正常狀態，即高壓電源通過陽極地到海水的陰極地給接駁盒供電。

若發生陽極地斷開的故障，則i₃＝0，i₂＝i₁＝0.4A，LED導通，保護板的每路電流為0.033A，由圖3可得每個LED的正向導通壓降約為為2.55V，則U₁＝2.55×10+0.033×10+0.4×5＝20.18V，LED維持導通，并且發出亮光。此時高壓電源通過建筑地和海水陰極地形成回路，接駁盒依然能正常工作，但此時會消耗建筑地，故工作人員發現保護板的LED發亮后應立即關閉高壓電源，并檢查陽極地與電源正極是否正常連接，進行維修。