一種汽車用金鹵燈的快速點(diǎn)亮電路

一種汽車用金鹵燈的快速點(diǎn)亮電路

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(gòu)造，為改善空氣動(dòng)力特性，就需要把前照燈的外形做成斜面流線型?，F(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?yàn)辂u鎢燈的光效低，一般為15～35lm/W，顯色指數(shù)為60～65。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(dòng)力特性，利于高速行駛。

金鹵燈的玻璃殼內(nèi)填充著引燃?xì)怏w（氬氣等）、汞及金屬鹵化物。當(dāng)把高壓電加到燈的放電極上時(shí)，在引燃?xì)怏w放電之后，緊接著就產(chǎn)生汞弧光，由此，也就產(chǎn)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(qiáng)光。

包括金鹵燈在內(nèi)的普通高強(qiáng)度氣體放電燈的供電點(diǎn)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(jīng)過直流電壓提升電路升壓，再經(jīng)過DC／AC變換器變換成正弦交流電壓，然后由起動(dòng)觸發(fā)電路產(chǎn)生高壓脈沖觸發(fā)燈管，燈點(diǎn)亮后，管壓降低，管流增大，由限流電感進(jìn)行限流。為保證加到燈管上的電壓可調(diào)節(jié)，把DC電壓升壓器輸出的電壓，設(shè)計(jì)成可控制的。

雖然上述的供電點(diǎn)亮電路可使用DC電壓來點(diǎn)亮金鹵燈，但此種燈從起動(dòng)點(diǎn)亮至達(dá)到規(guī)定的亮度，需要一定的時(shí)間（一般叫“起動(dòng)時(shí)間”），或者在燈暫時(shí)熄滅后，再起動(dòng)時(shí)（再起動(dòng)時(shí)間）需較長的時(shí)間。這是因?yàn)椋?dāng)該金鹵燈從冷態(tài)開始起動(dòng)時(shí)（把這種起動(dòng)叫“冷起動(dòng)”），為使燈泡內(nèi)的金屬鹵化物氣化，需要時(shí)間；當(dāng)該放電燈從點(diǎn)亮狀態(tài)被暫時(shí)熄滅一會(huì)兒后再點(diǎn)亮?xí)r，燈泡內(nèi)的氣壓依點(diǎn)亮狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的長短，會(huì)有不同程度的升高。這就需要相應(yīng)地增加觸發(fā)電壓的幅值；另外，當(dāng)環(huán)境溫度高低變化時(shí)，也會(huì)影響所需起動(dòng)電壓幅值的大小。這對(duì)用作汽車前照燈來說，是個(gè)致命的缺點(diǎn)。

圖1普通高強(qiáng)度氣體放電燈的供電點(diǎn)亮電路

圖2快速起動(dòng)點(diǎn)亮供電電路總體框圖

本文介紹一種快速點(diǎn)亮汽車用金鹵燈的供電電路；它克服了上述一般點(diǎn)亮電路的缺點(diǎn)，可在0.3s內(nèi)使燈的光輸出達(dá)到現(xiàn)用的鹵鎢燈的水平，在3s～5s內(nèi)燈的光輸出達(dá)到其額定值。

2快速起動(dòng)點(diǎn)亮供電電路

2．1快速起動(dòng)點(diǎn)亮供電電路原理

快速起動(dòng)點(diǎn)亮供電電路原理框圖可參見圖2，該點(diǎn)亮電路由12V蓄電池供電，電源電壓E經(jīng)燈開關(guān)K及繼電器觸點(diǎn)Jɑ后，一路通過二極管D1到端子B，供電給后級(jí)控制電路；另一路供給DC電壓提升電路②，把輸入電池電壓E提升后，再經(jīng)DC／AC高頻變換電路③，變成高頻正弦交流電壓供點(diǎn)亮金鹵燈。

電路③的輸出經(jīng)過變壓器T1的次級(jí)繞組T1－2，接到金鹵燈H的電極。電容C1和變壓器T1次級(jí)繞組T1－2的漏感構(gòu)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(dāng)燈處于未點(diǎn)亮狀態(tài)時(shí)，燈點(diǎn)亮起動(dòng)電路⑦發(fā)出信號(hào)給燈點(diǎn)亮電路④，使之產(chǎn)生點(diǎn)亮脈沖。

控制電路⑧產(chǎn)生控制脈沖PS，其占空比是根據(jù)電路②的輸出電壓和輸出電流檢測電阻R3上的電壓信號(hào)的變化進(jìn)行調(diào)整的，然后，通過柵極驅(qū)動(dòng)電路⑤把該脈沖信號(hào)PS加到電路②以控制其輸出電壓。

控制電路的工作過程如下：

在燈點(diǎn)亮后，即刻又關(guān)斷，此時(shí)，電路②的輸出電壓為零。再起動(dòng)時(shí)，電路②的輸出電壓為高電平。從關(guān)斷到再起動(dòng)之間的時(shí)間間隔長短可由電路②輸出端的“零電平”與“高電平”之間的時(shí)間間隔來檢測。這可通過定時(shí)電路⑥來完成。電路⑥檢測出此時(shí)間間隔信號(hào)，并把此信號(hào)傳送給電路⑧，電路⑧輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給電路②，使其輸出電平改變，最終達(dá)到燈的恒功率控制。如果在燈點(diǎn)亮后，立即進(jìn)行恒功率控制，會(huì)大大縮短燈的起動(dòng)時(shí)間。

當(dāng)電源E的端電壓跌落到低于預(yù)定值時(shí)，就由電壓降落檢測電路⑨，輸出一個(gè)信號(hào)給電路⑧，改用比額定功率小的控制功率來驅(qū)動(dòng)金鹵燈工作。

異常狀態(tài)檢測電路⑩從電路②的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，檢測出電路的異常狀態(tài)，并把異常狀態(tài)信號(hào)傳送到電路①，切斷電源。當(dāng)電池電壓恢復(fù)到等于或大于預(yù)定的電平時(shí)，燈又起動(dòng)點(diǎn)亮。

2．2快速起動(dòng)點(diǎn)亮電路功能介紹

下面對(duì)圖2框圖中的主要部分功能進(jìn)行說明（參見圖3）。

（1）DC電壓提升電路②

電路②是按斬波型DC／DC變換器構(gòu)成的；電感L1接在電源E的正端，N溝道場效應(yīng)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⑧與柵極驅(qū)動(dòng)電路⑤所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖來進(jìn)行開關(guān)工作的，當(dāng)S1在控制脈沖作用下導(dǎo)通時(shí)，電感L1就儲(chǔ)能，當(dāng)S1截止時(shí)，電感L1就釋放能量，從而提升了DC電壓。

（2）DC電壓提升電路②的輸出電壓檢測電路11

電路11通過分壓電阻R1和R2檢測出電路②的輸出電壓作為采樣信號(hào)送入誤差運(yùn)算放大器N1的同相輸入端，而將預(yù)置參考電壓信號(hào)V1送入N1的反相輸入端進(jìn)行比較，N1輸出的誤差信號(hào)用以控制PWM電路，調(diào)節(jié)電路②的輸出電壓。

（3）DC電壓提升電路②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(hào)（電壓值），經(jīng)運(yùn)算放大器N2放大后，再經(jīng)R11送入誤差運(yùn)算放大器N3的同相輸入端；而將預(yù)置參考電流信號(hào)（電壓值）V2經(jīng)緩沖運(yùn)算放大器N4放大后，再經(jīng)R16送入N3的反相輸入端進(jìn)行比較，N3的輸出誤差放大信號(hào)用以控制PWM電路，以調(diào)節(jié)電壓提升電路②的輸出電流。

（4）電源電壓降落檢測電路⑨

電路⑨依據(jù)來自電源E的采樣電壓（端子B）的減少量作為采樣信號(hào)送入緩沖運(yùn)算放大器N5的同相輸入端，經(jīng)N5放大后再經(jīng)D4、R19送入N4同相輸入端，經(jīng)放大后再經(jīng)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(jié)果是用比額定功率小的控制來驅(qū)動(dòng)金鹵燈的工作。

（5）定時(shí)電路⑥

電路⑥是按照點(diǎn)亮的燈被熄滅的時(shí)間長短來保證躍變到恒功率控制狀態(tài)。該定時(shí)電路是由晶體管V1和R?C時(shí)間常數(shù)電路構(gòu)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(gòu)成。N6將其輸入電壓（N1及N3的輸出電壓信號(hào)）同來自振蕩器OSC的鋸齒電壓進(jìn)行比較后送入N7，經(jīng)N7產(chǎn)生控制脈沖PS，其占空比是由其輸入電壓決定的。PWM電路產(chǎn)生的控制脈沖PS經(jīng)柵極驅(qū)動(dòng)電路⑤去控制電路②的輸出電壓幅值。

（7）低壓關(guān)燈電路12

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①中，控制繼電器的合、分。其工作原理見3.3條所述。

（8）DC／AC高頻變換電路③

電路③具體線路見圖5（a）。它是用兩只場效應(yīng)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(duì)S2和S3產(chǎn)生恒定的偏置電壓，控制開關(guān)晶體管的定時(shí)工作。以此來減小開關(guān)損耗。

圖3圖2中方框的進(jìn)一步說明

圖4低壓關(guān)燈電路原理

圖5DC/AC高頻變換電路

（a)電路原理圖(b)電路工作波形

圖6金鹵燈點(diǎn)亮電路④和點(diǎn)亮起動(dòng)電路⑦

S2、S3的控制電壓是由反饋繞組T2－3提供的。這樣，所產(chǎn)生的正弦電壓經(jīng)次級(jí)繞組T2－2輸出。圖5（b）為該高頻變換電路工作時(shí)的部分電壓波形：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S3的偏置電位VB，另一種是S2或S3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(dǎo)通時(shí)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(duì)應(yīng)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?fàn)顟B(tài)，阻止了因輸入電壓Vin的變化導(dǎo)致S2、S3都處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況，從而保證了DC／AC變換的穩(wěn)定運(yùn)行。

（9）燈的點(diǎn)亮起動(dòng)電路⑦及點(diǎn)亮電路④

圖6上部分為點(diǎn)亮電路④，下部分為點(diǎn)亮起動(dòng)電路⑦，其工作過程如下：

當(dāng)開關(guān)K剛合上，金鹵燈尚未點(diǎn)亮前，電路⑦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(dǎo)通狀態(tài)。于是，電路④中的電容C9就被電路③的輸出電壓逐漸充電。電容C9的端電壓由D12、R33、R34構(gòu)成的電路來檢測。當(dāng)電容C9上的端電壓上升到使穩(wěn)壓管D12導(dǎo)通時(shí)，晶閘管SCR1被觸發(fā)導(dǎo)通，電容C9就通過升壓變壓器T1的初級(jí)繞組T1－1放電，并在次級(jí)繞組T1－2中感應(yīng)出高壓脈沖疊加在電路③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(diǎn)亮，接著燈電流給C1充電到預(yù)定電平，使晶體管V2導(dǎo)通，使SCR2關(guān)斷，C9充電中斷，從而就終止了點(diǎn)亮起動(dòng)脈沖的產(chǎn)生。

（10）異常狀態(tài)檢測電路⑩

電路⑩對(duì)于諸如金鹵燈H正常老化，壽命到期，不能發(fā)光，或電路③輸出級(jí)開路等異常狀態(tài)均可檢測出。并將此異常狀態(tài)信號(hào)送到電路①，使繼電器觸點(diǎn)Ja斷開，并人為地把燈開關(guān)K暫時(shí)關(guān)斷，待故障排除后，把電源開關(guān)合上，再起動(dòng)工作。

圖7系統(tǒng)在三種不同起動(dòng)狀態(tài)下主要點(diǎn)的工作曲線

(a)DC電壓提升電路輸出電壓VO與時(shí)間的關(guān)系曲線

(b)DC電壓提升電路輸出電流IO與時(shí)間的關(guān)系曲線

(c)金鹵燈管電流IL與時(shí)間的關(guān)系曲線

(d)金鹵燈管管壓VL與時(shí)間的關(guān)系曲線

(e)金鹵燈輸出的光通量?與時(shí)間的關(guān)系曲線

3系統(tǒng)控制過程

金鹵燈快速點(diǎn)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(guān)K一合上，就開始點(diǎn)亮（把此種情況叫“正常時(shí)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(shí)間”）。

圖7分別為電路②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(shí)間變化的情況，時(shí)間軸的原點(diǎn)O，對(duì)應(yīng)于燈開關(guān)K剛合上的時(shí)刻。

圖8為電路②的輸出電壓V0和輸出電流I0間的關(guān)系曲線。

3．1正常時(shí)間

當(dāng)金鹵燈處于冷態(tài)時(shí)，在開關(guān)K剛合上的時(shí)刻，定時(shí)電路⑥中的電容C3未充電。V1的基極電位很低，V1截止，所以，在電路②的輸出電流檢測電路15（參見圖3）中的運(yùn)放N3的同相輸入端上，只加有運(yùn)放N2的輸出電壓。而在燈亮起來后，從圖7的曲線實(shí)線可看出，燈管電壓VL和電路②的輸出電流IO都很低。這說明運(yùn)放N2的輸出（相應(yīng)于電路②的輸出電流IO）比來自基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器電路13的基準(zhǔn)電壓V2小，這樣，N3的輸出就是低電平。因此，PWM電路14所產(chǎn)生的控制脈沖PS的占空比，就由電路②的輸出電壓檢測電路11中運(yùn)放N1的輸出電壓來決定?？刂泼}沖PS通過柵極驅(qū)動(dòng)電路⑤加到電路②中的S1的門柵極。電路②的輸出電壓檢測電路11中的基準(zhǔn)電壓V1這樣來設(shè)定：使得電路②的輸出電壓VO變高（大約為正常狀態(tài)輸出電壓的2.5～3倍），圖8中曲線上的點(diǎn)a，就表示了金鹵燈剛點(diǎn)亮后，電路②的輸出電壓VO為最大值。圖8中的曲線a－b段（從點(diǎn)a到點(diǎn)b），電路②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②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(dǎo)通，運(yùn)放N3的同相輸入端上的電位也增加。設(shè)這時(shí)的充電時(shí)間常數(shù)為τ1=·C1，當(dāng)該電位達(dá)到的電平與基準(zhǔn)電壓V2相當(dāng)時(shí)，PWM電路輸出的控制脈沖PS的占空比就由運(yùn)放N3的輸出來決定。即就是說，當(dāng)控制脈沖PS的占空比隨著運(yùn)放N3的輸出電壓的增加而下降時(shí)，一直保持在最大值的電路②的輸出電壓VO也逐漸下降。從圖8曲線上的點(diǎn)b經(jīng)過電路②的輸出電流IO的峰值點(diǎn)c，而達(dá)到點(diǎn)d這段控制區(qū)域b－c－d段是受圖3中的輸出電流檢測電路15控制的。當(dāng)電容C3充滿電后，晶體管V1就飽和導(dǎo)通，它的射極電位幾乎等于電路②的輸出電壓。此時(shí)，系統(tǒng)控制工作是按如下方式進(jìn)行的：把電壓UO和將R3·IO經(jīng)N2放大后的電壓之和與基準(zhǔn)電壓V2經(jīng)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(shí)現(xiàn)了恒功率控制。圖8曲線中，從點(diǎn)d到點(diǎn)e的d－e段是恒功率區(qū)域，近似直線（PO=IOVO，當(dāng)IO上升時(shí)，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(diǎn)亮初期，其光通量?急劇上升[見圖7（e）]，經(jīng)歷一定的過沖之后，又回到正常狀態(tài)。

圖8DC電壓提升電路在控制系統(tǒng)作用下

其輸出電壓與電流的關(guān)系曲線

3．2燈暫時(shí)熄滅后再次點(diǎn)亮的控制過程

在燈熄滅期間，定時(shí)電路⑥中的電容C3上儲(chǔ)存的電荷就以放電時(shí)間常數(shù)τ2≈R22C3放電。τ2是根據(jù)燈熄滅后，燈溫度逐漸下漸的速率來決定的。因此，當(dāng)燈開關(guān)斷開再合上后，點(diǎn)亮工作過程，就從圖8中控制曲線上相應(yīng)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(diǎn)亮它，正確的點(diǎn)亮控制過程，是按照從熄滅到燈開關(guān)再合上時(shí)所需經(jīng)歷的時(shí)間來完成的。例如：在燈被熄滅經(jīng)歷幾十秒之后，再點(diǎn)亮它時(shí)，燈的點(diǎn)亮過程是從圖8中曲線的控制區(qū)b－c－d段上的工作點(diǎn)開始，并把這種控制方式改變到恒功率控制，因此，電路②的輸出電壓VO和輸出電流IO就從燈點(diǎn)亮過程開始點(diǎn)逐漸下降。正如圖7（a)，圖7（b）中分別用一點(diǎn)劃線所示，而燈的光通量?如圖7（e）中一點(diǎn)劃線所示，在開始處急劇上升，經(jīng)歷過沖量后，就變得穩(wěn)定了。

對(duì)于燈熄滅幾秒鐘的情況，此時(shí)，燈的玻璃泡仍然很熱。如圖7（a），圖7（b）中的雙點(diǎn)劃線所示，燈再次點(diǎn)亮后燈電壓VO立即就升高，電路②的輸出電流IO也很高，因此，就立即變到恒功率控制，在額定功率下，光通量?變成穩(wěn)定的。定時(shí)電路⑥是用來縮短起動(dòng)時(shí)間的。即就是說，如果沒有該定時(shí)電路，則電路②的輸出電壓就直接經(jīng)過電阻R20加到運(yùn)放N3的同相輸入端，不管燈物理狀態(tài)如何，燈的發(fā)光過程就無經(jīng)過a－b段或b－c－d段的起動(dòng)過程以及光通量?上升時(shí)間的延長。

3．3異常時(shí)間

現(xiàn)在來說明車上蓄電池電壓下降時(shí)的情況。

如果電池電壓等于或大于預(yù)定值，例如10V，圖3中放大器N5的輸出電壓就變得高于基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路13中運(yùn)放N4的輸入電壓V2，此時(shí)二極管D4是被關(guān)斷的，這樣基準(zhǔn)電壓V2的數(shù)值就由電阻R13及R15和可變電阻R14來確定。

如果蓄電池電壓等于或小于10V，運(yùn)放N5的輸出電壓就變得低于V2。此時(shí)二極管D4導(dǎo)通，這樣就使基準(zhǔn)電壓V2降低。因此，依照電池電壓的下降情況，加到金鹵燈H上的功率比額定功率低（大約只有額定功率的50％～75％）。當(dāng)電池電壓E再降低到等于或低于某一預(yù)定值，例如7V時(shí)，已不能再維持燈點(diǎn)亮，這時(shí)這個(gè)電壓被電阻R27和R28分壓檢測后輸入N8的同相輸入端（參見圖4），在比較器N8中同輸入反相輸入端的給定電壓進(jìn)行比較后，輸出一低電平信號(hào)給電路①，切斷繼電器繞組激磁電源，于是，繼電器觸點(diǎn)Ja斷開，切斷了后級(jí)電路的電源使燈熄滅。當(dāng)電池電壓回升到等于或高于7V時(shí)，比較器N8的輸出變成高電平，此時(shí)繼電器觸點(diǎn)Ja就又合上，燈又開始點(diǎn)亮工作。

4小結(jié)

定時(shí)電路⑥中的電容C3的端電壓，表示著燈在熄滅后的狀態(tài)，據(jù)此，可確定給燈供給多大的電壓，使之迅速再點(diǎn)亮。由此，就縮短了燈起動(dòng)點(diǎn)亮的時(shí)間（再起動(dòng)時(shí)間），并使之穩(wěn)定點(diǎn)亮。具體地說，在冷態(tài)起動(dòng)點(diǎn)亮?xí)r，給燈供給最大的功率使光通量?迅速上升，在燈起動(dòng)點(diǎn)亮后,其控制作用分兩部分（圖8中曲線a－b段和b－c－d段）：一部分是受電路②的輸出電壓與檢測電路11控制的區(qū)域a－b；另一部分是受電路②輸出電流檢測電路15所控制的區(qū)域b－c－d段。然后，就立即躍變到恒功率控制區(qū)d－e段，進(jìn)行正常工作。這種控制方式，能顯著改善金鹵燈的快速點(diǎn)亮特性。