一種汽車用金鹵燈的快速點亮電路

1、一種汽車用金鹵燈的快速點亮電路             一種汽車用金鹵燈的快速點亮電路 西安無線電二廠 高季蓀 （西安710061）         摘  要：對汽車前照燈用的金屬鹵化物燈的性能特點和普通觸發(fā)點亮電路和的致命缺點作了簡要說明。介紹人一種能快速點亮金鹵燈的電路，可在0.3s內使燈的光輸出達到現(xiàn)用鹵鎢燈的水平，在3s5s使燈的光輸出達到其額定值。    關

2、鍵詞：金屬鹵化物燈 電子鎮(zhèn)流器 觸發(fā)器1前言     隨著人們生活及交往節(jié)奏的加快和一條條高速公路的建成，要求不斷地改善汽車夜間駕駛的安全性。為此就需要有良好的前照燈視覺構造，為改善空氣動力特性，就需要把前照燈的外形做成斜面流線型。現(xiàn)在歐、美、日等國，已用小功率金屬鹵化物燈代換常規(guī)的鹵鎢燈作為汽車前照燈的光源。因為鹵鎢燈的光效低，一般為1535lm/W，顯色指數(shù)為6065。而小功率金屬鹵化物燈，30W的光效為85lm/W，顯色指數(shù)大于70。35W的光效為67lm/W，顯色指數(shù)大于75。所以，金屬鹵化物燈比鹵鎢燈體積小，光效更高、顯色性更好。采用金屬鹵化物

3、燈作汽車前照燈，可大大改善汽車夜間駕駛的安全性，并可顯著改善汽車前部的空氣動力特性，利于高速行駛。     金鹵燈的玻璃殼內填充著引燃氣體（氬氣等）、汞及金屬鹵化物。當把高壓電加到燈的放電極上時，在引燃氣體放電之后，緊接著就產生汞弧光，由此，也就產生熱量，使金屬碘化物氣化，在汞弧中分解為金屬原子和碘原子，金屬原子參與放電，并輻射出具有特殊金屬光譜的強光。 包括金鹵燈在內的普通高強度氣體放電燈的供電點亮電路，如圖1所示。     汽車中的直流電源UDC一般為12V蓄電池，經過直流電壓提升電路升壓，再經過DCAC變換器

4、變換成正弦交流電壓，然后由起動觸發(fā)電路產生高壓脈沖觸發(fā)燈管，燈點亮后，管壓降低，管流增大，由限流電感進行限流。為保證加到燈管上的電壓可調節(jié)，把DC電壓升壓器輸出的電壓，設計成可控制的。                         雖然上述的供電點亮電路可使用DC電壓來點亮金鹵燈，但此種燈從起動點亮至達到規(guī)定的亮度，需要一定的時間（一般叫“起動時間”），或者在燈暫時

5、熄滅后，再起動時（再起動時間）需較長的時間。這是因為，當該金鹵燈從冷態(tài)開始起動時（把這種起動叫“冷起動”），為使燈泡內的金屬鹵化物氣化，需要時間；當該放電燈從點亮狀態(tài)被暫時熄滅一會兒后再點亮時，燈泡內的氣壓依點亮狀態(tài)持續(xù)時間的長短，會有不同程度的升高。這就需要相應地增加觸發(fā)電壓的幅值；另外，當環(huán)境溫度高低變化時，也會影響所需起動電壓幅值的大小。這對用作汽車前照燈來說，是個致命的缺點。     本文介紹一種快速點亮汽車用金鹵燈的供電電路；它克服了上述一般點亮電路的缺點，可在0.3s內使燈的光輸出達到現(xiàn)用的鹵鎢燈的水平，在3s5s內燈的光輸出達到其額定值。2

6、快速起動點亮供電電路21快速起動點亮供電電路原理     快速起動點亮供電電路原理框圖可參見圖2，該點亮電路由12V蓄電池供電，電源電壓E經燈開關K及繼電器觸點J后，一路通過二極管D1到端子B，供電給后級控制電路；另一路供給DC電壓提升電路，把輸入電池電壓E提升后，再經DCAC高頻變換電路，變成高頻正弦交流電壓供點亮金鹵燈。     電路的輸出經過變壓器T1的次級繞組T12，接到金鹵燈H的電極。電容C1和變壓器T1次級繞組T12的漏感構成限流電路。電容C1還用來檢測金鹵燈電流，以判斷金鹵燈是否接通。當燈處于未點亮狀

7、態(tài)時，燈點亮起動電路發(fā)出信號給燈點亮電路，使之產生點亮脈沖。     控制電路產生控制脈沖PS，其占空比是根據電路的輸出電壓和輸出電流檢測電阻R3上的電壓信號的變化進行調整的，然后，通過柵極驅動電路把該脈沖信號PS加到電路以控制其輸出電壓。     控制電路的工作過程如下：     在燈點亮后，即刻又關斷，此時，電路的輸出電壓為零。再起動時，電路的輸出電壓為高電平。從關斷到再起動之間的時間間隔長短可由電路輸出端的“零電平”與“高電平”之間的時間間隔來檢測。這可通過定時電路來完

8、成。電路檢測出此時間間隔信號，并把此信號傳送給電路，電路輸出相應的控制信號給電路，使其輸出電平改變，最終達到燈的恒功率控制。如果在燈點亮后，立即進行恒功率控制，會大大縮短燈的起動時間。     當電源E的端電壓跌落到低于預定值時，就由電壓降落檢測電路，輸出一個信號給電路，改用比額定功率小的控制功率來驅動金鹵燈工作。     異常狀態(tài)檢測電路從電路的輸出電壓和輸出電流之間的關系，檢測出電路的異常狀態(tài)，并把異常狀態(tài)信號傳送到電路，切斷電源。當電池電壓恢復到等于或大于預定的電平時，燈又起動點亮。22快速起動點亮電路功能介

9、紹    下面對圖2框圖中的主要部分功能進行說明（參見圖3）。   （1）DC電壓提升電路     電路是按斬波型DCDC變換器構成的；電感L1接在電源E的正端，N溝道場效應晶體管S1接在電感L1之后，跨在電源正端和地線之間。S1是按照來自控制電路與柵極驅動電路所產生的驅動脈沖來進行開關工作的，當S1在控制脈沖作用下導通時，電感L1就儲能，當S1截止時，電感L1就釋放能量，從而提升了DC電壓。    （2）DC電壓提升電路的輸出電壓檢測電路   

10、  電路通過分壓電阻R1和R2檢測出電路的輸出電壓作為采樣信號送入誤差運算放大器N1的同相輸入端，而將預置參考電壓信號V1送入N1的反相輸入端進行比較，N1輸出的誤差信號用以控制PWM電路，調節(jié)電路的輸出電壓。                                 &#

11、160;                             （3）DC電壓提升電路的輸出電流檢測電路15     電路15通過R3檢測出的輸出電流信號（電壓值），經運算放大器N2放大后，再經R11送入誤差運算放大器N3的同相輸入端；而將預置參考電流信號（電壓值）V2經緩沖運算放大器N4放大后，

12、再經R16送入N3的反相輸入端進行比較，N3的輸出誤差放大信號用以控制PWM電路，以調節(jié)電壓提升電路的輸出電流。    （4）電源電壓降落檢測電路     電路依據來自電源E的采樣電壓（端子B）的減少量作為采樣信號送入緩沖運算放大器N5的同相輸入端，經N5放大后再經D4、R19送入N4同相輸入端，經放大后再經R16送入N3的反向輸入端，其作用同前所述，只是N5的輸出使V2被箝位，其結果是用比額定功率小的控制來驅動金鹵燈的工作。    （5）定時電路    

13、 電路是按照點亮的燈被熄滅的時間長短來保證躍變到恒功率控制狀態(tài)。該定時電路是由晶體管V1和R-C時間常數(shù)電路構成的。其工作原理見3.1條所述。    （6）PWM電路14     電路14由比較器N6，緩沖放大器N7和振蕩器OSC構成。N6將其輸入電壓（N1及N3的輸出電壓信號）同來自振蕩器OSC的鋸齒電壓進行比較后送入N7，經N7產生控制脈沖PS，其占空比是由其輸入電壓決定的。PWM電路產生的控制脈沖PS經柵極驅動電路去控制電路的輸出電壓幅值。    （7）低壓關燈電路12 

14、0;   電路12具體可參見圖4。該電路由電阻R23穩(wěn)壓管D7和比較器N8等組成。由圖4可知N8的反相輸入端通過電阻R26接在電阻R24和R25之間，N8的同相輸入端接在分壓電阻R27和R28之間。N8的輸出送到切斷電源繼電器電路中，控制繼電器的合、分。其工作原理見3.3條所述。    （8）DCAC高頻變換電路     電路具體線路見圖5（a）。它是用兩只場效應晶體管S2、S3組成的推挽電路，把輸入的DC電壓變換成高頻正弦電壓。     圖中R31、R32作為輸出

15、電流檢測電阻，電容C4、C5、穩(wěn)壓二極管D8和D9的作用是抑制浪涌電壓。恒流二極管D10和D11對S2和S3產生恒定的偏置電壓，控制開關晶體管的定時工作。以此來減小開關損耗。                                    &#

16、160;                                         S2、S3的控制電壓是由反饋繞組T23提供的。這樣，所產生的正弦電壓經次級繞組T22輸出。圖5（b）為該高頻變換電路工作時的部分電

17、壓波形：上半部分為輸入電壓Vin和扼流圈L2的電壓VL2；下半部分有兩種電壓，一種是用虛線表示的，為S2或S2的偏置電位VB，另一種是S2或S2的柵極電壓VG。     加到S2及S3上的偏壓VB是取自扼流圈L2之后，S2、S3導通時VL2的波形是全波整流波形，因此，偏置電位VB波形的波谷就對應于電壓VL2的波谷。這樣該偏置電位VB的短暫降落，使S2或S3變成截止狀態(tài)，阻止了因輸入電壓Vin的變化導致S2、S3都處于導通狀態(tài)的情況，從而保證了DCAC變換的穩(wěn)定運行。    （9）燈的點亮起動電路及點亮電路 

18、0;   圖6上部分為點亮電路，下部分為點亮起動電路，其工作過程如下：                           當開關K剛合上，金鹵燈尚未點亮前，電路中的電容C1的端電壓是零，晶體管V2截止。因此，晶閘管SCR2處于導通狀態(tài)。于是，電路中的電容C9就被電路的輸出電壓逐漸充電。電容C9的端電壓由D12、R33、R34構

19、成的電路來檢測。當電容C9上的端電壓上升到使穩(wěn)壓管D12導通時，晶閘管SCR1被觸發(fā)導通，電容C9就通過升壓變壓器T1的初級繞組T11放電，并在次級繞組T12中感應出高壓脈沖疊加在電路輸出的高頻正弦電壓上，這種合成的高壓加到金鹵燈H的電極H1及H2上，使金鹵燈點亮，接著燈電流給C1充電到預定電平，使晶體管V2導通，使SCR2關斷，C9充電中斷，從而就終止了點亮起動脈沖的產生。    （10）異常狀態(tài)檢測電路     電路對于諸如金鹵燈H正常老化，壽命到期，不能發(fā)光，或電路輸出級開路等異常狀態(tài)均可檢測出。并將此異常狀態(tài)信號送到

20、電路，使繼電器觸點Ja斷開，并人為地把燈開關K暫時關斷，待故障排除后，把電源開關合上，再起動工作。3系統(tǒng)控制過程     金鹵燈快速點亮系統(tǒng)的控制過程分兩種情況：第一種情況是電路處于正常狀態(tài)，金鹵燈H在燈開關K一合上，就開始點亮（把此種情況叫“正常時間”）。第二種情況是電路狀態(tài)出現(xiàn)異常情況（把此種情況叫“異常時間”）。     圖7分別為電路的輸出電壓VO和輸出電流IO，金鹵燈H的燈電流IL和燈電壓VL，以及燈的光通量等參量隨時間變化的情況，時間軸的原點O，對應于燈開關K剛合上的時刻。  

21、60; 圖8為電路的輸出電壓V0和輸出電流I0間的關系曲線。31正常時間     當金鹵燈處于冷態(tài)時，在開關K剛合上的時刻，定時電路中的電容C3未充電。V1的基極電位很低，V1截止，所以，在電路的輸出電流檢測電路（參見圖3）中的運放N3的同相輸入端上，只加有運放N2的輸出電壓。而在燈亮起來后，從圖7的曲線實線可看出，燈管電壓VL和電路的輸出電流IO都很低。這說明運放N2的輸出（相應于電路的輸出電流IO）比來自基準電壓產生器電路的基準電壓V2小，這樣，N3的輸出就是低電平。因此，PWM電路14所產生的控制脈沖PS的占空比，就由電路的輸出電壓檢測電路中運放N

22、1的輸出電壓來決定。控制脈沖PS通過柵極驅動電路加到電路中的S1的門柵極。電路的輸出電壓檢測電路11中的基準電壓V1這樣來設定：使得電路的輸出電壓VO變高（大約為正常狀態(tài)輸出電壓的2.53倍），圖8中曲線上的點a，就表示了金鹵燈剛點亮后，電路的輸出電壓VO為最大值。圖8中的曲線ab段（從點a到點b），電路的輸出電流IO是逐漸增加的而輸出電壓VO近似為常數(shù)，這是電路在輸出電壓檢測電路11的控制下工作的情況。    隨著電容C3被逐漸充電，V1的基極電位增加使V1導通，運放N3的同相輸入端上的電位也增加。設這時的充電時間常數(shù)為C1，當該電位達到的電平與基準電壓V2相當

23、時，PWM電路輸出的控制脈沖PS的占空比就由運放N3的輸出來決定。即就是說，當控制脈沖PS的占空比隨著運放N3的輸出電壓的增加而下降時，一直保持在最大值的電路的輸出電壓VO也逐漸下降。                                   

24、60;                                                   &

25、#160;    (a)DC電壓提升電路和輸出電壓V0與時間的關系曲線                       (b)DC電壓提升電路和輸出電壓I0與時間的關系曲線               &

26、#160;       (c)金鹵燈管電流LL與時間的關系曲線                       (d)金鹵燈管管壓VL與時間的關系曲線              

27、60;        (e)金鹵燈輸出的光通量與時間的關系曲線    從圖8曲線上的點b經過電路的輸出電流IO的峰值點c，而達到點d這段控制區(qū)域bcd段是受圖3中的輸出電流檢測電路15控制的。當電容C3充滿電后，晶體管V1就飽和導通，它的射極電位幾乎等于電路的輸出電壓。此時，系統(tǒng)控制工作是按如下方式進行的：把電壓UO和將R3·IO經N2放大后的電壓之和與基準電壓V2經N4放大后的電壓相比較。這樣，就在VO及IO為恒定值的條件下，以近似線性的形式實現(xiàn)了恒功率控制。圖8曲線中，從點d到點e

28、的de段是恒功率區(qū)域，近似直線（PO=IOVO，當IO上升時，VO線性下降），在此區(qū)域給金鹵燈提供額定的功率。這樣，在金鹵燈點亮初期，其光通量急 劇上升見圖7（e），經歷一定的過沖之后，又回到正常狀態(tài)。                                32燈暫時熄滅后再次點亮

29、的控制過程     在燈熄滅期間，定時電路中的電容C3上儲存的電荷就以放電時間常數(shù)2R22C3放電。2是根據燈熄滅后，燈溫度逐漸下漸的速率來決定的。因此，當燈開關斷開再合上后，點亮工作過程，就從圖8中控制曲線上相應于電容C3的端電壓處開始。這就是說，在燈一旦被熄滅之后，為再點亮它，正確的點亮控制過程，是按照從熄滅到燈開關再合上時所需經歷的時間來完成的。例如：在燈被熄滅經歷幾十秒之后，再點亮它時，燈的點亮過程是從圖8中曲線的控制區(qū)bcd段上的工作點開始，并把這種控制方式改變到恒功率控制，因此，電路的輸出電壓VO和輸出電流IO就從燈點亮過程開始點逐漸下降。正如圖7（a)，圖7（b）中分別用一點劃線所示，而燈的光通量如圖7（e）中一點劃線所示，在開始處急劇上升，經歷過沖量后，就變得穩(wěn)定了。     對于燈熄滅幾秒鐘的情況，此時，燈的玻璃泡仍然很熱。如圖7（a），圖7（b）中的雙點劃線所示，燈再次點亮后燈電壓