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一种汽车用金卤灯的快速点亮电路
http://www.dykf.com  2014-4-1  电源开发网
          ★★★

1前言

随着人们生活及交往节奏的加快和一条条高速公路的建成,要求不断地改善汽车夜间驾驶的安全性。为此就需要有良好的前照灯视觉构造,为改善空气动力特性,就需要把前照灯的外形做成斜面流线型。现在欧、美、日等国,已用小功率金属卤化物灯代换常规的卤钨灯作为汽车前照灯的光源。因为卤钨灯的光效低,一般为15~35lm/W,显色指数为60~65。而小功率金属卤化物灯,30W的光效为85lm/W,显色指数大于70。35W的光效为67lm/W,显色指数大于75。所以,金属卤化物灯比卤钨灯体积小,光效更高、显色性更好。采用金属卤化物灯作汽车前照灯,可大大改善汽车夜间驾驶的安全性,并可显著改善汽车前部的空气动力特性,利于高速行驶。

金卤灯的玻璃壳内填充着引燃气体(氩气等)、汞及金属卤化物。当把高压电加到灯的放电极上时,在引燃气体放电之后,紧接着就产生汞弧光,由此,也就产生热量,使金属碘化物气化,在汞弧中分解为金属原子和碘原子,金属原子参与放电,并辐射出具有特殊金属光谱的强光。

包括金卤灯在内的普通高强度气体放电灯的供电点亮电路,如图1所示。

汽车中的直流电源UDC一般为12V蓄电池,经过直流电压提升电路升压,再经过DC/AC变换器变换成正弦交流电压,然后由起动触发电路产生高压脉冲触发灯管,灯点亮后,管压降低,管流增大,由限流电感进行限流。为保证加到灯管上的电压可调节,把DC电压升压器输出的电压,设计成可控制的。

虽然上述的供电点亮电路可使用DC电压来点亮金卤灯,但此种灯从起动点亮至达到规定的亮度,需要一定的时间(一般叫“起动时间”),或者在灯暂时熄灭后,再起动时(再起动时间)需较长的时间。这是因为,当该金卤灯从冷态开始起动时(把这种起动叫“冷起动”),为使灯泡内的金属卤化物气化,需要时间;当该放电灯从点亮状态被暂时熄灭一会儿后再点亮时,灯泡内的气压依点亮状态持续时间的长短,会有不同程度的升高。这就需要相应地增加触发电压的幅值;另外,当环境温度高低变化时,也会影响所需起动电压幅值的大小。这对用作汽车前照灯来说,是个致命的缺点。

图1普通高强度气体放电灯的供电点亮电路

图2快速起动点亮供电电路总体框图

本文介绍一种快速点亮汽车用金卤灯的供电电路;它克服了上述一般点亮电路的缺点,可在0.3s内使灯的光输出达到现用的卤钨灯的水平,在3s~5s内灯的光输出达到其额定值。

2快速起动点亮供电电路

2.1快速起动点亮供电电路原理

快速起动点亮供电电路原理框图可参见图2,该点亮电路由12V蓄电池供电,电源电压E经灯开关K及继电器触点Jɑ后,一路通过二极管D1到端子B,供电给后级控制电路;另一路供给DC电压提升电路②,把输入电池电压E提升后,再经DC/AC高频变换电路③,变成高频正弦交流电压供点亮金卤灯。

电路③的输出经过变压器T1的次级绕组T1-2,接到金卤灯H的电极。电容C1和变压器T1次级绕组T1-2的漏感构成限流电路。电容C1还用来检测金卤灯电流,以判断金卤灯是否接通。当灯处于未点亮状态时,灯点亮起动电路⑦发出信号给灯点亮电路④,使之产生点亮脉冲。

控制电路⑧产生控制脉冲PS,其占空比是根据电路②的输出电压和输出电流检测电阻R3上的电压信号的变化进行调整的,然后,通过栅极驱动电路⑤把该脉冲信号PS加到电路②以控制其输出电压。

控制电路的工作过程如下:

在灯点亮后,即刻又关断,此时,电路②的输出电压为零。再起动时,电路②的输出电压为高电平。从关断到再起动之间的时间间隔长短可由电路②输出端的“零电平”与“高电平”之间的时间间隔来检测。这可通过定时电路⑥来完成。电路⑥检测出此时间间隔信号,并把此信号传送给电路⑧,电路⑧输出相应的控制信号给电路②,使其输出电平改变,最终达到灯的恒功率控制。如果在灯点亮后,立即进行恒功率控制,会大大缩短灯的起动时间。

当电源E的端电压跌落到低于预定值时,就由电压降落检测电路⑨,输出一个信号给电路⑧,改用比额定功率小的控制功率来驱动金卤灯工作。

异常状态检测电路⑩从电路②的输出电压和输出电流之间的关系,检测出电路的异常状态,并把异常状态信号传送到电路①,切断电源。当电池电压恢复到等于或大于预定的电平时,灯又起动点亮。

2.2快速起动点亮电路功能介绍

下面对图2框图中的主要部分功能进行说明(参见图3)。

(1)DC电压提升电路②

电路②是按斩波型DC/DC变换器构成的;电感L1接在电源E的正端,N沟道场效应晶体管S1接在电感L1之后,跨在电源正端和地线之间。S1是按照来自控制电路⑧与栅极驱动电路⑤所产生的驱动脉冲来进行开关工作的,当S1在控制脉冲作用下导通时,电感L1就储能,当S1截止时,电感L1就释放能量,从而提升了DC电压。

(2)DC电压提升电路②的输出电压检测电路11

电路11通过分压电阻R1和R2检测出电路②的输出电压作为采样信号送入误差运算放大器N1的同相输入端,而将预置参考电压信号V1送入N1的反相输入端进行比较,N1输出的误差信号用以控制PWM电路,调节电路②的输出电压。

(3)DC电压提升电路②的输出电流检测电路15

电路15通过R3检测出的输出电流信号(电压值),经运算放大器N2放大后,再经R11送入误差运算放大器N3的同相输入端;而将预置参考电流信号(电压值)V2经缓冲运算放大器N4放大后,再经R16送入N3的反相输入端进行比较,N3的输出误差放大信号用以控制PWM电路,以调节电压提升电路②的输出电流。

(4)电源电压降落检测电路⑨

电路⑨依据来自电源E的采样电压(端子B)的减少量作为采样信号送入缓冲运算放大器N5的同相输入端,经N5放大后再经D4、R19送入N4同相输入端,经放大后再经R16送入N3的反向输入端,其作用同前所述,只是N5的输出使V2被箝位,其结果是用比额定功率小的控制来驱动金卤灯的工作。

(5)定时电路⑥

电路⑥是按照点亮的灯被熄灭的时间长短来保证跃变到恒功率控制状态。该定时电路是由晶体管V1和RC时间常数电路构成的。其工作原理见3.1条所述。

(6)PWM电路14

电路14由比较器N6,缓冲放大器N7和振荡器OSC构成。N6将其输入电压(N1及N3的输出电压信号)同来自振荡器OSC的锯齿电压进行比较后送入N7,经N7产生控制脉冲PS,其占空比是由其输入电压决定的。PWM电路产生的控制脉冲PS经栅极驱动电路⑤去控制电路②的输出电压幅值。

(7)低压关灯电路12

电路12具体可参见图4。该电路由电阻R23稳压管D7和比较器N8等组成。由图4可知N8的反相输入端通过电阻R26接在电阻R24和R25之间,N8的同相输入端接在分压电阻R27和R28之间。N8的输出送到切断电源继电器电路①中,控制继电器的合、分。其工作原理见3.3条所述。

(8)DC/AC高频变换电路③

电路③具体线路见图5(a)。它是用两只场效应晶体管S2、S3组成的推挽电路,把输入的DC电压变换成高频正弦电压。

图中R31、R32作为输出电流检测电阻,电容C4、C5、稳压二极管D8和D9的作用是抑制浪涌电压。恒流二极管D10和D11对S2和S3产生恒定的偏置电压,控制开关晶体管的定时工作。以此来减小开关损耗。

图3图2中方框的进一步说明

图4低压关灯电路原理

图5DC/AC高频变换电路

(a)电路原理图(b)电路工作波形

图6金卤灯点亮电路④和点亮起动电路⑦

S2、S3的控制电压是由反馈绕组T2-3提供的。这样,所产生的正弦电压经次级绕组T2-2输出。图5(b)为该高频变换电路工作时的部分电压波形:上半部分为输入电压Vin和扼流圈L2的电压VL2;下半部分有两种电压,一种是用虚线表示的,为S2或S3的偏置电位VB,另一种是S2或S3的栅极电压VG。

加到S2及S3上的偏压VB是取自扼流圈L2之后,S2、S3导通时VL2的波形是全波整流波形,因此,偏置电位VB波形的波谷就对应于电压VL2的波谷。这样该偏置电位VB的短暂降落,使S2或S3变成截止状态,阻止了因输入电压Vin的变化导致S2、S3都处于导通状态的情况,从而保证了DC/AC变换的稳定运行。

(9)灯的点亮起动电路⑦及点亮电路④

图6上部分为点亮电路④,下部分为点亮起动电路⑦,其工作过程如下:

当开关K刚合上,金卤灯尚未点亮前,电路⑦中的电容C1的端电压是零,晶体管V2截止。因此,晶闸管SCR2处于导通状态。于是,电路④中的电容C9就被电路③的输出电压逐渐充电。电容C9的端电压由D12、R33、R34构成的电路来检测。当电容C9上的端电压上升到使稳压管D12导通时,晶闸管SCR1被触发导通,电容C9就通过升压变压器T1的初级绕组T1-1放电,并在次级绕组T1-2中感应出高压脉冲叠加在电路③输出的高频正弦电压上,这种合成的高压加到金卤灯H的电极H1及H2上,使金卤灯点亮,接着灯电流给C1充电到预定电平,使晶体管V2导通,使SCR2关断,C9充电中断,从而就终止了点亮起动脉冲的产生。

(10)异常状态检测电路⑩

电路⑩对于诸如金卤灯H正常老化,寿命到期,不能发光,或电路③输出级开路等异常状态均可检测出。并将此异常状态信号送到电路①,使继电器触点Ja断开,并人为地把灯开关K暂时关断,待故障排除后,把电源开关合上,再起动工作。

图7系统在三种不同起动状态下主要点的工作曲线

(a)DC电压提升电路输出电压VO与时间的关系曲线

(b)DC电压提升电路输出电流IO与时间的关系曲线

(c)金卤灯管电流IL与时间的关系曲线

(d)金卤灯管管压VL与时间的关系曲线

(e)金卤灯输出的光通量与时间的关系曲线

3系统控制过程

金卤灯快速点亮系统的控制过程分两种情况:第一种情况是电路处于正常状态,金卤灯H在灯开关K一合上,就开始点亮(把此种情况叫“正常时间”)。第二种情况是电路状态出现异常情况(把此种情况叫“异常时间”)。

图7分别为电路②的输出电压VO和输出电流IO,金卤灯H的灯电流IL和灯电压VL,以及灯的光通量等参量随时间变化的情况,时间轴的原点O,对应于灯开关K刚合上的时刻。

图8为电路②的输出电压V0和输出电流I0间的关系曲线。

3.1正常时间

当金卤灯处于冷态时,在开关K刚合上的时刻,定时电路⑥中的电容C3未充电。V1的基极电位很低,V1截止,所以,在电路②的输出电流检测电路15(参见图3)中的运放N3的同相输入端上,只加有运放N2的输出电压。而在灯亮起来后,从图7的曲线实线可看出,灯管电压VL和电路②的输出电流IO都很低。这说明运放N2的输出(相应于电路②的输出电流IO)比来自基准电压产生器电路13的基准电压V2小,这样,N3的输出就是低电平。因此,PWM电路14所产生的控制脉冲PS的占空比,就由电路②的输出电压检测电路11中运放N1的输出电压来决定。控制脉冲PS通过栅极驱动电路⑤加到电路②中的S1的门栅极。电路②的输出电压检测电路11中的基准电压V1这样来设定:使得电路②的输出电压VO变高(大约为正常状态输出电压的2.5~3倍),图8中曲线上的点a,就表示了金卤灯刚点亮后,电路②的输出电压VO为最大值。图8中的曲线a-b段(从点a到点b),电路②的输出电流IO是逐渐增加的而输出电压VO近似为常数,这是电路②在输出电压检测电路11的控制下工作的情况。随着电容C3被逐渐充电,V1的基极电位增加使V1导通,运放N3的同相输入端上的电位也增加。设这时的充电时间常数为τ1=·C1,当该电位达到的电平与基准电压V2相当时,PWM电路输出的控制脉冲PS的占空比就由运放N3的输出来决定。即就是说,当控制脉冲PS的占空比随着运放N3的输出电压的增加而下降时,一直保持在最大值的电路②的输出电压VO也逐渐下降。从图8曲线上的点b经过电路②的输出电流IO的峰值点c,而达到点d这段控制区域b-c-d段是受图3中的输出电流检测电路15控制的。当电容C3充满电后,晶体管V1就饱和导通,它的射极电位几乎等于电路②的输出电压。此时,系统控制工作是按如下方式进行的:把电压UO和将R3·IO经N2放大后的电压之和与基准电压V2经N4放大后的电压相比较。这样,就在VO及IO为恒定值的条件下,以近似线性的形式实现了恒功率控制。图8曲线中,从点d到点e的d-e段是恒功率区域,近似直线(PO=IOVO,当IO上升时,VO线性下降),在此区域给金卤灯提供额定的功率。这样,在金卤灯点亮初期,其光通量急剧上升[见图7(e)],经历一定的过冲之后,又回到正常状态。

图8DC电压提升电路在控制系统作用下

其输出电压与电流的关系曲线

3.2灯暂时熄灭后再次点亮的控制过程

在灯熄灭期间,定时电路⑥中的电容C3上储存的电荷就以放电时间常数τ2≈R22C3放电。τ2是根据灯熄灭后,灯温度逐渐下渐的速率来决定的。因此,当灯开关断开再合上后,点亮工作过程,就从图8中控制曲线上相应于电容C3的端电压处开始。这就是说,在灯一旦被熄灭之后,为再点亮它,正确的点亮控制过程,是按照从熄灭到灯开关再合上时所需经历的时间来完成的。例如:在灯被熄灭经历几十秒之后,再点亮它时,灯的点亮过程是从图8中曲线的控制区b-c-d段上的工作点开始,并把这种控制方式改变到恒功率控制,因此,电路②的输出电压VO和输出电流IO就从灯点亮过程开始点逐渐下降。正如图7(a),图7(b)中分别用一点划线所示,而灯的光通量如图7(e)中一点划线所示,在开始处急剧上升,经历过冲量后,就变得稳定了。

对于灯熄灭几秒钟的情况,此时,灯的玻璃泡仍然很热。如图7(a),图7(b)中的双点划线所示,灯再次点亮后灯电压VO立即就升高,电路②的输出电流IO也很高,因此,就立即变到恒功率控制,在额定功率下,光通量变成稳定的。定时电路⑥是用来缩短起动时间的。即就是说,如果没有该定时电路,则电路②的输出电压就直接经过电阻R20加到运放N3的同相输入端,不管灯物理状态如何,灯的发光过程就无经过a-b段或b-c-d段的起动过程以及光通量上升时间的延长。

3.3异常时间

现在来说明车上蓄电池电压下降时的情况。

如果电池电压等于或大于预定值,例如10V,图3中放大器N5的输出电压就变得高于基准电压产生电路13中运放N4的输入电压V2,此时二极管D4是被关断的,这样基准电压V2的数值就由电阻R13及R15和可变电阻R14来确定。

如果蓄电池电压等于或小于10V,运放N5的输出电压就变得低于V2。此时二极管D4导通,这样就使基准电压V2降低。因此,依照电池电压的下降情况,加到金卤灯H上的功率比额定功率低(大约只有额定功率的50%~75%)。当电池电压E再降低到等于或低于某一预定值,例如7V时,已不能再维持灯点亮,这时这个电压被电阻R27和R28分压检测后输入N8的同相输入端(参见图4),在比较器N8中同输入反相输入端的给定电压进行比较后,输出一低电平信号给电路①,切断继电器绕组激磁电源,于是,继电器触点Ja断开,切断了后级电路的电源使灯熄灭。当电池电压回升到等于或高于7V时,比较器N8的输出变成高电平,此时继电器触点Ja就又合上,灯又开始点亮工作。

4小结

定时电路⑥中的电容C3的端电压,表示着灯在熄灭后的状态,据此,可确定给灯供给多大的电压,使之迅速再点亮。由此,就缩短了灯起动点亮的时间(再起动时间),并使之稳定点亮。具体地说,在冷态起动点亮时,给灯供给最大的功率使光通量迅速上升,在灯起动点亮后,其控制作用分两部分(图8中曲线a-b段和b-c-d段):一部分是受电路②的输出电压与检测电路11控制的区域a-b;另一部分是受电路②输出电流检测电路15所控制的区域b-c-d段。然后,就立即跃变到恒功率控制区d-e段,进行正常工作。这种控制方式,能显著改善金卤灯的快速点亮特性。

来源:电源技术应用  作者:高季荪  点击:  录入:admin
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