一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路的製作方法
2023-10-11 08:47:24
專利名稱：一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈衝氙燈的控制電路，特別是一種用於脈衝太陽模擬器的超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路。
背景技術：
太陽模擬器通常用於產生模擬的太陽光，對太陽能電池或太陽能電池組件進行測試。商業化的太陽模擬器有兩類一類是穩態太陽模擬器，以常亮的燈源(如穩態氙燈、鎢燈或汞燈)作為光源，這類太陽模擬器通常光照面積較小，被測物溫升較快；第二類是脈衝太陽模擬器，通常由一個或兩個長弧脈衝氙燈為光源，這類太陽模擬器光照面積較大，因為是短時間脈衝閃光，所以被測物溫升可忽略不計。目前脈衝太陽模擬器的發光光源通常採用大功率脈衝氙燈，實際應用中，由於大功率脈衝氙燈工作在高電壓、大電流狀態下，常規的電容和電容組儲能放電工作模式的工作脈衝寬度通常小於40ms,如果工作脈衝寬度要求大於40ms (如IOOms—200ms)且要求恆光的情況下，常規的控制電路就難以實現了。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，能夠方便地得到超長脈寬、光強恆定的光功率輸出。本發明為解決上述技術問題所採取的技術方案為一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，其特徵在於它包括直流充放電電源，用於給儲能電容組充電和放電，包括接地端、充電端和放電端；儲能電容組，包括N個儲能電容，每個儲能電容的正極通過充電二極體與直流充放電電源的充電端連接，每個儲能電容的正極還通過放電二極體與直流充放電電源的放電端連接，每個儲能電容的負極與直流充放電電源的接地端連接並接地；時序脈衝發生器，包括公共端和脈衝輸出端；脈衝開關組，包括N個開關元件，N個開關元件的正極依次與N個所述儲能電容的正極連接，開關元件的負極與時序脈衝發生器的公共端連接，開關元件的控制端與時序脈衝發生器的脈衝輸出端連接；開關元件的負極與氙燈正極相連接；光強反饋控制迴路，通過光電傳感器將氙燈的光能轉換為電壓與基準電壓相比較，再通過功率調整器控制氙燈的發光功率；電源，為直流充放電電源、時序脈衝發生器和光強反饋控制迴路提供電源；所述N為大於等於2的自然數。按上述方案，它還包括緩衝電容，緩衝電容的正極通過放電二極體與所述直流充放電電源的放電端連接，緩衝電容的負極接地；所述開關元件的負極與氙燈正極之間串聯一個緩衝電阻和一個限流電阻；同時緩衝電容的正極還與緩衝電阻與限流電阻之間的節點連接。
按上述方案，所述的直流充放電電源包括充電電路、放電電路和充放電控制電路； 充放電控制電路設定充電電壓閥值Vl和放電電壓閥值V2，並將所述儲能電容的電壓分別與充電電壓閥值Vl和放電電壓閥值V2比較以控制充電電路和放電電路的開啟和關閉。按上述方案，所述的充電電路上串聯一個固態繼電器SSR，充放電控制電路的充電控制端與固態繼電器SSR的控制端連接；所述的放電電路包括放電控制管、放電開關和限流電阻，所述儲能電容、放電二極體、限流電阻、放電開關和接地端構成放電迴路，放電開關由放電控制管控制，放電控制管由充放電控制電路的放電控制端控制；所述的充放電控制電路包括取樣電路、分壓電路、充放電禁止端子、第一比較器和第二比較器；取樣電路對所述儲能電容的電壓進行取樣，分壓電路輸出充電電壓閥值Vl和放電電壓閥值V2，充放電禁止端子輸入氙燈亮滅信息；第一比較器輸入端輸入放電電壓閥值V2、儲能電容電壓和氣燈亮滅信息,輸出端為放電控制端；第二比較器輸入端輸入充電電壓閥值VI、儲能電容電壓和氙燈亮滅信息，輸出端為充電控制端。本發明的工作狀態分為充電準備期、放電調整期和氙燈工作期三個階段在充電準備期內，直流充放電電源的充電端通過相應的充電二極體分別對各個儲能電容進行充電，直至各儲能電容的端電壓達到直流充放電電源設定的充電電壓閥值後停止充電；在放電調整期內，如果儲能電容的端電壓達到直流充放電電源放電閥值，儲能電容可以通過直流充放電電源的放電端進行放電；在上述充電準備期和放電調整期間內，通過不斷的充電和放電調整過程，使得各個儲能電容的端電壓保持在直流充放電電源所設定的電壓區間內；在氙燈被觸發開始工作後，時序脈衝發生器的每個脈衝輸出端按順序依次輸出控制脈衝，分別依次開啟與之相連接的各個開關元件，使相應的儲能電容依次向氙燈放電，每個儲能電容只是在一個相對較短的時段內對氙燈進行放電，各個儲能電容的放電時間累加從而達到所需要的超長工作脈衝寬度。本發明的有益效果為I、在充電準備期間，直流充放電電源先對多個儲能電容進行充電；在氙燈觸發工作後，各個儲能電容通過相應的開關元件，由時序脈衝發生器控制按順序依次對氙燈放電， 能夠很方便地得到超長脈寬的光功率輸出，整個電路的工作穩定性和可靠性得到大大提高；其中儲能電容的個數可視所需的脈寬而定。2、同時光強反饋控制迴路通過檢測氙燈發光狀況時刻調整其發光功率，使得氙燈的光功率輸出保持恆定狀態。3、通過增加緩衝電阻和緩衝電容的濾波作用，使得緩衝電容兩端的電壓相對平滑，無尖峰和毛刺。4、直流充放電電源內部的充放電控制電路既能按設定的電壓控制充電電路對儲能電容充電，也能在儲能電容端電壓達到設定的放電閥值時控制放電電路對儲能電容進行放電；還能在充放電控制電路失電等緊急情況時直接對儲能電容進行放電；在氙燈工作期間，充放電控制電路將禁止充電電路和放電電路的充電、放電操作。
圖I為本發明一實施例的主電路原理圖。
圖2為圖I中各相關點的波形及時序脈衝發生器輸出波形圖。圖3為直流充放電電源內部電路結構圖。
具體實施例方式圖I為本發明一實施例的主電路原理圖，它包括直流充放電電源I,用於給儲能電容組充電和放電,包括接地端GND、充電端OUTl 和放電端0UT2。儲能電容組,包括N個儲能電容Ca、Cb、…、Cn,每個儲能電容的正極通過充電二極體Dal、Dbl、…、Dnl與直流充放電電源I的充電端OUTl連接，每個儲能電容的正極還通過放電二極體Da2、Db2、…、Dn2與直流充放電電源I的放電端0UT2連接，每個儲能電容的負極與直流充放電電源I的接地端GND連接並接地。時序脈衝發生器2，包括公共端G和脈衝輸出端a、b、…、η。脈衝開關組,包括N個開關元件Ka、Kb、…、Kn, N個開關元件的正極依次與N個所述儲能電容的正極連接，即Ka正極與Ca正極連接、…、Kn正極與Cn正極連接,開關元件的負極與時序脈衝發生器的公共端G連接，開關元件的控制端與時序脈衝發生器的脈衝輸出端連接，即Ka控制端與a連接、…、Kn控制端與η連接；開關元件的負極與氣燈L正極相連接。光強反饋控制迴路，通過光電傳感器將氙燈的光能轉換為電壓與基準電壓相比較，再通過功率調整器控制氙燈的發光功率；包括光強控制電路3、功率調整器Q、光電傳感器Es,光強控制電路3的一個輸入端輸入基準電壓Vkef,另一個輸入端與光電傳感器Es連接，功率調整器Q的控制端與光強控制電路3的控制輸出端連接，功率調整器Q的陽極與氙燈L的陰極連接，功率調整器Q的陰極接地。電源4，為直流充放電電源I、時序脈衝發生器2和光強反饋控制迴路提供電源。緩衝電容C，緩衝電容C的正極通過放電二極體D與所述直流充放電電源I的放電端0UT2連接，緩衝電容C的負極接地；所述開關元件的負極與氙燈正極之間串聯一個緩衝電阻Ra和一個限流電阻Rb ;同時緩衝電容C的正極還與緩衝電阻Ra與限流電阻Rb之間的節點連接。設所有開關元件的負極連接的節點作為公共輸出極Α，緩衝電容C的正極為節點 B0氙燈工作期間內，通過限流電阻Rb、氙燈L、功率調整器Q、光電傳感器Es以及光強控制迴路組成的光強反饋控制迴路，使得氙燈的光功率輸出保持恆定狀態。基準電壓Vkef 的電壓幅值可以調整氙燈L的光功率輸出量，基準電壓Vkef的電壓幅值越高，氙燈L的光功率輸出也越大。基準電壓Vkef的極性可以控制氙燈L的光功率輸出的開與關當基準電壓 Veef的極性為正值時，功率調整器Q有驅動信號，可工作於恆光狀態，氣燈L工作於恆光輸出狀態；當基準電壓Vkef的極性為負值或為零時，功率調整器Q沒有驅動信號，工作於截止狀態，氙燈L沒有光功率輸出。光強反饋控制迴路和時序脈衝發生器均屬於已有成熟控制技術，其工作原理在此不再做詳細闡述。直流充放電電源I的內部電路結構如圖3所示，包括充電電路5、放電電路6和充放電控制電路7。充放電控制電路7的放電控制端17與放電電路6的放電控制管VT2的控制端相連接；充放電控制電路7的充電控制端18與充電電路5的固態繼電器SSR的控制端相連接。直流充放電電源I內部的充放電控制電路工作時，既能按設定的充電電壓閥值控制充電電路對外部儲能電容充電，也能在儲能電容端電壓達到設定的放電電壓閥值時控制上述放電電路對外部儲能電容進行放電，還能在控制電路失電等緊急情況時直接對儲能電容進行放電；在氙燈工作期間，充放電控制電路將禁止充電電路和放電電路的充電、放電操作。如圖3所示，充電電路5由限流電阻R1、固態繼電器SSR(固態繼電器SSR的控制側可控制開關側的導通和關斷狀態)、二極體Dl及電容Cl組成。當固態繼電器SSR的控制側高電平時，固態繼電器SSR的開關側導通，交流電源AC IN通過限流電阻R1、固態繼電器 SSR、二極體Dl及電容Cl組成的整流濾波電路，通過充電端OUTl輸出直流電源，經外接充電二極體Dal、Dbl、…、Dnl對儲能電容Ca、Cb、…、Cn進行充電操作。放電電路6由放電控制管VT2、放電開關VT3、限流電阻R3、放電端0UT2、接地端 GND等組成。放電開關VT3的開關狀態由放電控制管VT2的控制端的電平進行控制。當控制管VT2的控制端為低電平時，放電開關VT3導通，儲能電容Ca、Cb、…、Cn可通過外接放電二極體Da2、Db2、…、Dn2、放電端0UT2、限流電阻R3、放電開關VT3及接地端子GND等組成的放電迴路進行放電操作。充放電控制電路7由第一比較器Al、第二比較器A2、電壓調節電位器VR、充放電禁止端子Vi、穩壓電源VCC、充電控制端18、放電控制端17以及分壓電阻Rc、Rd、Re、Rf、Rg 等部分組成。電阻Rc、Rd組成的取樣電路通過放電端0UT2對外接儲能電容Ca、Cb、…、Cn 的端電壓U進行取樣；電阻Re、Rf、Rg組成的分壓電路對充放電電壓閥值VI、V2進行精確設置；電壓調節電位器VR可以對外接儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U進行初步範圍的設定；第一比較器Al的輸出端經二極體D3與放電控制端17相連，可對放電控制管VT2進行放電控制；第二比較器A2的輸出端即充電控制端18與固態繼電器SSR的控制側相連，可對固態繼電器SSR進行充電控制；在氙燈閃光期間，從充放電禁止端子Vi輸入高電平，則充電控制端18輸出低電平，固態繼電器SSR關斷，充電電路5停止充電，同時放電控制端17 為高電平，通過放電控制管VT2控制開關元件VT3關斷，放電電路6停止放電。充放電控制電路7的控制原理是這樣的當電壓調節電位器VR調整固定、Re、Rd 和Re、Rf、Rg均電阻值確定後，充電電壓閥值Vl和放電電壓閥值V2就已確定；如果外接儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U低於充電電壓閥值Vl時,第二比較器A2的正輸入端比負輸入端的電平高，第二比較器A2的輸出端即充電控制端18為高電平，此時固態繼電器SSR 的開關側導通，交流電源AC IN通過限流電阻R1、固態繼電器SSR、二極體Dl及電容Cl組成的整流濾波電路，通過充電端OUTl輸出直流電源，經外接充電二極體Dal、Dbl、…、Dnl 對儲能電容Ca、Cb、…、Cn進行充電操作。當外接儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U充電到高於充電電壓閥值Vl時，第二比較器A2的正輸入端比負輸入端的電平低，第二比較器 A2的輸出端即充電控制端18為低電平，此時固態繼電器SSR的開關側關斷，充電過程停止。在以上所述充電控制過程中，由於外接儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U始終低於放電電壓閥值V2,第一比較器Al的正輸入端始終比負輸入端的電平高,第一比較器Al的輸出端即放電控制端17始終為高電平，經放電控制管VT2控制使得放電開關VT3 —直關斷，放電電路6處於停止狀態。由於上述的固態繼電器SSR等組成的充電迴路的控制特點所限，即固態繼電器SSR必須過零關斷，所以即使固態繼電器SSR的開關側關斷，充電過程不一定會馬上停止，這樣儲能電容Ca、Cb、*「、Cn的端電壓U可能繼續上升,如果儲能電容Ca、 Cb、…、Cn的端電壓U大於放電電壓閥值V2,第一比較器Al的正輸入端比負輸入端的電平低，第一比較器Al的輸出端即放電控制端17始終為低電平，經放電控制管VT2控制使得放電開關VT3導通，放電電路6處於放電狀態。在此過程中，由於外接儲能電容Ca、Cb、…、 Cn的端電壓U始終高於充電電壓閥值VI，第二比較器A2的正輸入端始終比負輸入端的電平低，第二比較器A2的輸出端即充電控制端18始終為低電平，固態繼電器SSR的開關側始終處於關斷狀態，充電電路始終停止充電操作。圖2為圖I中各相關點的波形及時序脈衝發生器輸出波形圖，其中8是儲能電容 Ca、Cb、Ce、Cn的端電壓U的波形圖；9是基準電壓Vkef的波形圖，實際上也就是氙燈發光的控制電壓波形圖；10是時序脈衝發生器2的脈衝輸出端a電壓Ua的波形圖；11是時序脈衝發生器2的脈衝輸出端b電壓Ub的波形圖；12是時序脈衝發生器2的脈衝輸出端c電壓 Uc的波形圖；13是時序脈衝發生器2的脈衝輸出端η電壓Un的波形圖；14是附圖I中公共輸出極A的電壓UA的波形圖；15是附圖I中節點B的電壓UB的波形圖；16是附圖I中光電傳感器Es兩端的電壓Ues的波形圖，它實際上代表了氙燈輸出的光功率波形。下面結合附圖I、附圖2，對本發明實施例的控制電路的工作過程進行描述上述電路的工作狀態分為充電準備期、放電調整期和氙燈工作期三個階段在充電準備期內當儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U低於直流充放電電源I設定的充電電壓閥值Vl時，直流充放電電源I通過相應的充電二極體Dal、Dbl、…、Dnl分別對儲能電容Ca、Cb、…、Cn進行充電；當儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U達到直流充放電電源I設定的充電電壓閥值Vl後停止充電。由於電容器本身的自放電作用，儲能電容 Ca, Cb,…、Cn的端電壓U會緩慢下降，所以上述充電過程會間歇進行。在放電調整期內由於固態繼電器SSR必須過零關斷，所以即使固態繼電器SSR的開關側關斷，充電過程不一定會馬上停止，這樣儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U有可能繼續上升,如果儲能電容Ca、Cb、…、Cn的端電壓U達到或超過直流充放電電源I的放電電壓閥值V2時，儲能電容Ca、Cb、…、Cn通過直流充放電電源I的放電端0UT2進行放電。在上述充電準備期和放電調整期間內，通過不斷的充電和放電調整過程，使得儲能電容Ca、Cb、一、Cn的端電壓U保持在直流充放電電源I所設定的電壓區間Vl < U < V2 內。在氙燈工作期內，時序脈衝發生器2的脈衝輸出端a、b、…、η按順序依次輸出控制脈衝Va、Vb、…、Vn，分別依次開啟與之相連接的開關元件Ka、Kb、…、Kn，使相應的儲能電容Ca、Cb、…、Cn通過緩衝電阻Ra和緩衝電容C依次向氙燈L放電，從而達到所需要的工作脈寬；公共輸出極A的輸出電壓為VA，經過緩衝電阻Ra和緩衝電容C的濾波作用，使得緩衝電容C兩端的電壓VB相對平滑，無尖峰和毛刺。
權利要求
1.一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，其特徵在於它包括直流充放電電源，用於給儲能電容組充電和放電，包括接地端、充電端和放電端；儲能電容組，包括N個儲能電容，每個儲能電容的正極通過充電二極體與直流充放電電源的充電端連接，每個儲能電容的正極還通過放電二極體與直流充放電電源的放電端連接，每個儲能電容的負極與直流充放電電源的接地端連接並接地；時序脈衝發生器，包括公共端和脈衝輸出端；脈衝開關組，包括N個開關元件，N個開關元件的正極依次與N個所述儲能電容的正極連接，開關元件的負極與時序脈衝發生器的公共端連接，開關元件的控制端與時序脈衝發生器的脈衝輸出端連接；開關元件的負極與氙燈正極相連接；光強反饋控制迴路，通過光電傳感器將氙燈的光能轉換為電壓與基準電壓相比較，再通過功率調整器控制氙燈的發光功率；電源，為直流充放電電源、時序脈衝發生器和光強反饋控制迴路提供電源；所述N為大於等於2的自然數。
2.根據權利要求I所述的超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，其特徵在於它還包括緩衝電容，緩衝電容的正極通過放電二極體與所述直流充放電電源的放電端連接， 緩衝電容的負極接地；所述開關元件的負極與氙燈正極之間串聯一個緩衝電阻和一個限流電阻；同時緩衝電容的正極還與緩衝電阻與限流電阻之間的節點連接。
3.根據權利要求I或2所述的超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，其特徵在於 所述的直流充放電電源包括充電電路、放電電路和充放電控制電路；充放電控制電路設定充電電壓閥值VI和放電電壓閥值V2，並將所述儲能電容的電壓分別與充電電壓閥值VI和放電電壓閥值V2比較以控制充電電路和放電電路的開啟和關閉。
4.根據權利要求3所述的超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，其特徵在於所述的充電電路上串聯一個固態繼電器SSR，充放電控制電路的充電控制端與固態繼電器 SSR的控制端連接；所述的放電電路包括放電控制管、放電開關和限流電阻，所述儲能電容、放電二極體、 限流電阻、放電開關和接地端構成放電迴路，放電開關由放電控制管控制，放電控制管由充放電控制電路的放電控制端控制；所述的充放電控制電路包括取樣電路、分壓電路、充放電禁止端子、第一比較器和第二比較器；取樣電路對所述儲能電容的電壓進行取樣，分壓電路輸出充電電壓閥值Vl和放電電壓閥值V2，充放電禁止端子輸入氙燈亮滅信息；第一比較器輸入端輸入放電電壓閥值 V2、儲能電容電壓和氣燈亮滅信息,輸出端為放電控制端；第二比較器輸入端輸入充電電壓閥值VI、儲能電容電壓和氙燈亮滅信息，輸出端為充電控制端。
全文摘要
本發明提供一種超長脈寬的大功率脈衝氙燈恆光控制電路，在充電準備期間，直流充放電電源先對多個儲能電容進行充電；在氙燈觸發工作後，各個儲能電容通過相應的開關元件，由時序脈衝發生器控制按順序依次對氙燈放電，能夠很方便地得到超長脈寬的光功率輸出，整個電路的工作穩定性和可靠性得到大大提高；其中儲能電容的個數可視所需的脈寬而定。同時光強反饋控制迴路通過檢測氙燈發光狀況時刻調整其發光功率，使得氙燈的光功率輸出保持恆定狀態。
文檔編號H05B41/36GK102612242SQ20121004523
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者趙晗 申請人:武漢高博光電科技有限公司