摘要:本文根據(jù)脈沖氙燈的工作原理設(shè)計并研制了一種新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源,該電源主電路采用推挽變換器和高頻變壓器構(gòu)成預(yù)燃電路以及利用串聯(lián)諧振起輝原理實現(xiàn)高壓起輝,具有輸出穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高。試驗結(jié)果表明,該電源工作可靠,運行穩(wěn)定,具有很強(qiáng)的實用價值。
1 引 言
隨著計算機(jī)、機(jī)械、電子技術(shù)的發(fā)展,道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機(jī)、高速攝像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī),其中高速攝像機(jī)主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進(jìn)行圖像采集。然而在使用高速攝像機(jī)時,大多數(shù)檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強(qiáng)度較低,在實際使用時往往需要增加曝光時間來達(dá)到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此,提高照射的光源強(qiáng)度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1]。
脈沖氙燈的優(yōu)點是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發(fā)出強(qiáng)烈的光,但閃光持續(xù)時間很短,所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大,圖像的層次還原較好。為了延長脈沖氙燈的壽命,提高光電轉(zhuǎn)換效率,在重復(fù)率較低的情況下,一般需要在脈沖大電流放電之前加上預(yù)燃電流[2]。如果采用傳統(tǒng)的工頻變壓器式預(yù)燃電路,就必須增大濾波電容和大功率限流電阻,增大了電路的體積,電路也容易因干擾而被誤認(rèn)為解除預(yù)燃[3]。另外,脈沖氙燈在工作時,弧光放電時間較長,放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導(dǎo)致放電電容不能正常放電的現(xiàn)象出現(xiàn)。本文根據(jù)脈沖氙燈的工作原理,提出了一種脈沖氙燈起輝預(yù)燃的電源結(jié)構(gòu),并研制了脈沖氙燈的預(yù)燃電源。該電源采用PWM技術(shù)控制,起輝和預(yù)燃階段共用一個電源,起輝時為電壓源,預(yù)燃時為恒流源。試驗結(jié)果表明,該電源效率較高,工作可靠,運行穩(wěn)定,有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導(dǎo)致的不正常放電現(xiàn)象。
2 脈沖氙燈的工作原理
脈沖氙燈的工作分為起輝、預(yù)燃和高壓放電三階段[4],如圖1所示。其工作過程比較復(fù)雜,是一種非穩(wěn)態(tài)的氣體放電。起輝階段,放電首先在石英管內(nèi)壁接近觸發(fā)絲處產(chǎn)生電離通道,氣體由于與電子碰撞而被加熱,燈內(nèi)的氙氣迅速電離,發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構(gòu)成起輝電路,當(dāng)VT2 關(guān)斷時,電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電,在電容C2 上存儲能量,通常U1 為1kV左右,充電時間很短。當(dāng)VT2導(dǎo)通時,電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電,在變壓器T 的副端產(chǎn)生5kV左右的起輝電壓,脈沖氙燈在很強(qiáng)的軸向電場及觸發(fā)高壓脈沖作用下,氣體被擊穿,形成放電通道;預(yù)燃階段,當(dāng)輸入的能量足夠大時,電極加熱到具有一定的熱發(fā)射能力,燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時,脈沖氙燈可近似為一電阻,電壓U2 通過電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預(yù)燃回路;高壓放電階段,脈沖氙燈為弧光放電,當(dāng)VT1 關(guān)斷時,電壓U3 向電容C1 充電,當(dāng)VT1 導(dǎo)通時,電容C1 向脈沖氙燈放電,從而脈沖氙燈出現(xiàn)弧光頻閃現(xiàn)象。在高壓放電階段,預(yù)燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流(約100mA)。
在傳統(tǒng)的脈沖氙燈起輝預(yù)燃系統(tǒng)中,起輝階段和預(yù)燃階段分別需要電壓源,如圖1所示,U1為起輝電壓,U2為預(yù)燃電壓,從而增加了電源設(shè)計的復(fù)雜性。新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源采用PWM技術(shù)控制,起輝和預(yù)燃階段共用一個電源,起輝時為電壓源,預(yù)燃時為恒流源。起輝階段,最大占空比輸出最高電壓,通過串聯(lián)諧振得到高壓起輝電壓;預(yù)燃階段,通過調(diào)整占空比恒流輸出維持電流(約100mA)!
圖1 脈沖氙燈工作原理示意圖
3 預(yù)燃電源的設(shè)計
預(yù)燃電源由脈沖氙燈的高壓觸發(fā)和預(yù)燃電流維持兩部分組成,如圖1所示。傳統(tǒng)預(yù)燃電路的U1 和U2 通常通過工頻升壓變壓器升壓和二極管整流得到,這種電路主要存在以下缺點:工頻升壓變壓器體積大、笨重;限流電阻R1上消耗的功率較多,一般在100W~300W之間;必須有高壓觸發(fā)電路;輸出脈沖氙燈的預(yù)燃電流不可調(diào)[5]。
新型起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖如圖2所示,該電源由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓啟輝電路、控制保護(hù)電路以及預(yù)燃檢測電路構(gòu)成,具有變換效率高,輸出電流紋波小等特點。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離,整流濾波后作為推挽變換器的輸入,推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓,通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能,然后再由輸出整流濾波環(huán)節(jié)輸出預(yù)燃電壓,同時高壓起輝電路升壓輸出高壓起輝電壓,省掉了體積龐大且笨重的工頻輸出變壓器,降低了音頻噪聲[6]?刂票Wo(hù)電路由UC3825器件及外圍電路組成,根據(jù)主電路反饋的電流信號,為開關(guān)器件提供PWM驅(qū)動信號。預(yù)燃檢測電路將檢測到的電流信號和基準(zhǔn)電源比較輸出預(yù)燃成功信號,并同時關(guān)閉高壓起輝。
圖2 起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖
研究表明,脈沖氙燈在高頻工作時呈電阻特性。點亮之前,其等效電阻很大,相當(dāng)于負(fù)載開路。此時,控制芯片UC3825輸出最大占空比的PWM驅(qū)動信號,推挽變換器輸出高壓起輝電壓使脈沖氙燈內(nèi)的氣體電離導(dǎo)通;起輝后,高壓起輝電路停止工作,其等效電阻急劇減少,相當(dāng)于負(fù)載短路。此時,控制芯片UC3825檢測主電路的電流峰值調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比,系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制,推挽變換器輸出脈沖氙燈預(yù)燃工作時的維持電流;此后,脈沖氙燈的等效電阻逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持恒定。
3.1 起輝預(yù)燃主電路
新型預(yù)燃電源的主電路如圖3所示。功率開關(guān)器件Q1、Q2組成推挽變換器;高頻變壓器T1組成升壓環(huán)節(jié),如圖3(a)所示;電感L2、電容C6和電感L3、L4構(gòu)成的高頻耦合升壓互感器組成高壓起輝環(huán)節(jié),如圖3(b)所示;二極管D3~D6組成輸入輸出整流濾波環(huán)節(jié)。
交流220V電壓經(jīng)過變壓器隔離整流濾波后為125V,作為推挽變換器輸入的直流電壓。推挽變換器選用功率MOSFET器件IRF460。電容C1、電阻R1和二極管D1構(gòu)成尖峰吸收電路,在器件瞬間關(guān)斷時,吸收開關(guān)器件及線路上的尖峰電壓,減少功率MOS管關(guān)斷時的電壓應(yīng)力,C1=0.01μF,R1=3.6kΩ,二極管D1耐壓大于500V,選擇UF4007!
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