一種數控式火花電源的製作方法
2023-12-03 23:52:46
本實用新型涉及光譜分析技術領域，具體涉及一種數控式火花電源。
背景技術：
火花電源是光譜分析儀中極為重要的核心部件，主要用於產生光譜分析儀所需要的激發光源，繼而為光譜分析試樣提供蒸發、原子化的激發能量，在光譜分析儀中，樣品激發光源是測試未知樣品元素含量的基礎，現有國產火花光譜儀配備的火花電源中，一般分為火花電源電路和電弧電源電路兩部分構成，結構過於複雜，同時接入高電壓交流電，使電源板長期存在高電壓，對電路的檢修和維護帶來人身安全隱患。
技術實現要素：
因此，本實用新型要解決的技術問題在於現有火花電源的產生的結構過於複雜，且電源板長期存在高電壓，對電路的檢修和維護帶來人身安全隱患。
有鑑於此，本實用新型提供一種數控式火花電源，包括：
脈衝發生器電路，與低壓直流電源連接，用於產生脈衝信號；
升壓電路，與所述脈衝發生器電路連接，用於根據所述脈衝信號，將接入的直流低壓處理為可以進行電弧放電的脈衝電壓；
激發控制電路，與所述升壓電路連接，用於利用所述脈衝電壓在電極與光譜激發臺的金屬樣品間進行弧光放電。
優選地，還包括：微控制器檢測及控制電路，與所述脈衝發生器電路連接，用於觸發所述脈衝發生器電路產生所述脈衝信號；
行程開關狀態檢測控制電路，與所述微控制器檢測及控制電路連接，用於檢測光譜激發臺行程開關狀態，
當所述光譜激發臺行程開關打開時，控制所述微控制器檢測及控制電路觸發所述脈衝發生器電路產生所述脈衝信號。
優選地，所述電極與所述光譜激發臺之間填充氣體，所述氣體為氬氣，所述數控式火花電源還包括：氬氣控制電路，與所述微控制器檢測及控制電路連接，用於控制氬氣電磁閥開/閉。
優選地，所述微控制器檢測及控制電路，通過光纖與上位機控制系統連接，用於接收並執行所述上位機控制系統的操作指令。
優選地，還包括：整流濾波電路，與所述升壓電路連接，用於穩定輸出所述脈衝電壓。
優選地，所述整流濾波電路包括：儲能電容，用於進行電能儲存。
優選地，還包括：點火脈衝控制電路，分別與所述微控制器檢測及控制電路、所述激發控制電路連接，
用於根據所述微控制器檢測及控制電路發出的操作指令，驅動所述激發控制電路進行弧光放電。
優選地，還包括電壓反饋及控制電路，與所述脈衝發生器電路連接，
所述電壓反饋及控制電路包括至少一個可變電阻，通過調節所述可變電阻的電阻值，控制所述脈衝電壓的電壓值。
優選地，還包括電壓變換及控制電路，分別與所述低壓直流電源、所述微控制器檢測及控制電路連接，用於向所述微控制器檢測及控制電路提供工作電壓。
優選地，還包括：功率輸出控制電路，與所述微控制器檢測及控制電路連接，用於控制輸出不同功率的脈衝電壓。
本實用新型提供的數控式火花電源，通過設置與低壓直流電源連接的脈衝發生器電路根據輸入的直流電壓生成脈衝電壓，通過升壓電路將脈衝電壓處理為可以進行電弧放電的激發脈衝電壓，繼而激發控制電路利用激發脈衝電壓在電極與光譜激發臺間進行弧光放電，解決了現有火花電源的產生的結構過於複雜，且電源板長期存在高電壓，對電路的檢修和維護帶來人身安全隱患的問題。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的結構示意圖；
圖2是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的系統框圖；
圖3是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的脈衝發生器的電路原理圖；
圖4是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的升壓電路的電路原理圖；
圖5是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的整流濾波電路的電路原理圖；
圖6是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的電壓反饋及控制電路的電路原理圖；
圖7是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的電壓變換及控制電路的電路原理圖；
圖8是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的微控制器檢測及控制電路的電路原理圖；
圖9是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的行程開關狀態檢測控制電路的電路原理圖；
圖10是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的功率輸出控制電路的電路原理圖；
圖11是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的點火脈衝控制電路的電路原理圖；
圖12是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的氬氣控制電路的電路原理圖；
圖13是本實用新型實施例提供的一種數控式火花電源的激發控制電路的電路原理圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
本實用新型實施例提供一種數控式火花電源，應用於光譜分析儀中的光譜分析的火花電源，主要用於產生光譜分析儀所需要的激發光源，在電極與光譜激發臺間進行弧光放電，繼而通過分光系統及數據採集系統，分析光譜激發臺上金屬樣品中各元素的含量，本實施例提供的數控式火花電源主要由微控制器、高頻升壓變壓器、脈衝發生器、電感器、繼電器、電容器、光耦、可控矽、二極體、三極體、場效應管、電阻、可調電阻、接插件等元器件組成，如圖1所示，本實施例提供的數控式火花電源包括：
脈衝發生器電路11，與低壓直流電源14連接，用於產生脈衝信號。其中低壓直流電源14可以通過外部接入開關電源得到，通過開關電源將外部高壓交流電轉換為低壓直流電，接入脈衝發生器電路，該開關電源的輸出電壓為15V，將15V電壓輸入到脈衝發生器中；具體結合圖3所示，脈衝發生器電路包括型號為SG3525的高性能電源管理晶片IC4及其外圍輔助電路，16腳為基準電壓輸出端，該腳輸出基準電壓為+5.1V；通過R14和C9為誤差放大器的同相輸入端提供基準參考電壓，輸出端採樣電阻取樣的反饋電壓，經過電阻R26加到誤差放大器的反相輸入端，R26和C14構成低通濾波電路，去除反饋電壓信號中的高頻幹擾，DZ1為穩壓二極體，起到鉗位作用，防止反饋電壓超過誤差放大器的輸入電壓上限；C11為軟啟動電容，實現開關接通瞬間避免電流衝激過大的保護措施；15腳為SG3525電源輸入腳，13腳為推輓輸出級電源輸入，C1和C25為電源濾波電容；11腳和14腳為脈衝寬度調製(以下簡稱PWM)控制信號輸出，相位互差180度，控制升壓電路中兩個開關MOS管的導通截止；10腳為關斷端，當該腳電壓大於0.7V時，輸出PWM信號關閉；IC3B為光耦的輸出級部分，當通過高性能電源管理晶片IC4控制關斷引腳，使IC3B截止時，SG3525晶片輸出被關斷，電源無輸出電壓；C10、R27和R23構成SG3525的振蕩器，產生頻率為fT的鋸齒波。RT阻值決定對CT充電的內部恆流值，CT的放電則由腳5及腳7之間外接的電阻值RD決定。
SG3525的鋸齒波由RT、RD和CT產生，鋸齒波頻率如公式(3-1)所示：
其中，當CT＝C10＝1nF，RT＝R27＝22K，RD＝R23＝470，即該電路振蕩器產生約65KHZ的鋸齒波，振蕩電路信號的好壞直接影響到電源的穩定性。
升壓電路12，與脈衝發生器電路11連接，用於根據脈衝信號，將接入的直流低壓處理為可以進行電弧放電的脈衝電壓；具體結合圖4所示，該升壓電路採用隔離型開關調整器中的推挽式拓撲結構，用於通過升壓變壓器將能量傳遞到負載，接入的低壓電源+15V電壓由J1接口輸入，經F1連接到TR1變壓器初級線圈的中間抽頭上，SG3525晶片14和11腳輸出的PWM脈衝信號分別經過電阻R1、R7加到T2、T1柵極控制端上，通過控制T1、T2的交替導通將直流電壓轉變成脈衝電壓，通過高頻變壓器將能量傳遞到負載，輸入電壓和匝數比一定的情況下可以通過調節輸出端反饋電壓的大小，來實現對輸出電壓的調節。其中，F1為保險絲，C7和C8為輸入端儲能電容，為後級電路提供足夠的能量；R30和C17組成初級線圈尖峰電壓吸收網絡，吸收因開關變壓器初級繞組自感電勢，避免在開關MOS管截止瞬間出現過高的反峰高電壓損壞開關管；R1、R7電阻起到改變控制脈衝的前後沿陡度和防止震蕩，減小MOS漏極的電壓尖峰；R3、R4的作用是當MOS管的柵極由高電平變為低電平時，快速洩放柵極電荷將MOS管儘快截止。
激發控制電路13，與升壓電路12連接，用於利用脈衝電壓在電極與光譜激發臺27的金屬樣品間進行弧光放電。結合圖13所示，該激發控制電路可以實現產生樣品激發光源，M1接口分別輸入點火電壓和功率電壓，M2接口輸入點火控制脈衝信號。TR1為點火變壓器，結合D2、D3、D18、D19、T1、T2等器件，實現點火信號控制；TR2為升壓變壓器，實現產生高壓點火電壓。TR2的1腳輸入高脈衝電壓，在升壓變壓器TR2次級的同名端3腳輸出高達十幾KV的點火脈衝電壓，由於此時變壓器TR2的3腳電壓遠遠大於4腳電壓，二極體D4～D17處於截止狀態，該十幾KV的點火脈衝電壓經過電感L1施加到激發臺的激發電極上，電極與金屬樣品之間的氬氣瞬間被擊穿，由於瞬間電流很大，金屬局部溫度很高，使金屬氣化，在電極和金屬樣品之間形成金屬氣體橋，即弧光放電。隨後，TR2的初級線圈的1腳點火脈衝電壓消失，TR2次級線圈產生反生電動勢，TR2的4腳產生高電壓，二極體D4～D17依次導通，同時功率電壓通過M1的1腳輸入，為火花放電提供能量，L1有儲能的作用。
本實用新型實施例提供的數控式火花電源，通過設置與低壓直流電源連接的脈衝發生器電路根據輸入的直流電壓生成脈衝電壓，通過升壓電路將脈衝電壓處理為可以進行電弧放電的激發脈衝電壓，繼而激發控制電路利用激發脈衝電壓在電極與光譜激發臺間進行弧光放電，解決了現有火花電源的產生的結構過於複雜，且電源板長期存在高電壓，對電路的檢修和維護帶來人身安全隱患的問題。
作為一個優選的實施方式，如圖2所示的數控式火花電源，還包括：
微控制器檢測及控制電路18，與所述脈衝發生器電路11連接，用於觸發所述脈衝發生器電路11產生所述脈衝信號；結合圖8所示的微控制器檢測及控制電路包括型號為AT89C2051的微控制器IC2及其外圍輔助電路，C101和R101構成了單片機復位電路，C12、C13、X1構成IC2的時鐘電路；C6、C26、C27、C102為電源濾波電容，R105、R104、R107、R106、R108、R103、R16為上拉電阻，R17、R21、R19、R25、R102為限流電阻；光耦IC3A和圖3脈衝發生器電路中的IC3B連接，實現對電源輸出電壓的控制，當IC2的8腳輸出高電平時，電源有輸出；IC5C和圖6中的IC5D實現對反饋電壓的隔離控制；IC6C和圖10中的IC6D實現功率輸出切換；光耦IC7A和圖11中的IC7B實現激發脈衝控制；IC6A和圖12中的IC6B實現對氬氣電磁閥的隔離控制；IC5B和圖6中的IC5A實現檢測火花電源高壓輸出信號。
優選地，所述微控制器檢測及控制電路通過光纖與上位機控制系統連接，用於接收並執行上位機控制系統的操作指令。
由於電源在激發輸出能量輸出時強電磁幹擾比較大，一般的電纜通信方式容易受到幹擾，為保證對該數控式火花電源可靠的控制，該系統採用光纖與上位機進行通信，如圖8所示，R102、J3、R103、C102、J4和IC2構成了光纖通信電路20，實現上位機與電源板之間的UART通信；R102、J3構成數據發送電路，J3為光纖信號發送端子；R103、C102、J4構成數據接收電路，J4為光纖信號接收端子，該端子內部帶有信號放大整型電路。
行程開關狀態檢測控制電路25，與微控制器檢測及控制電路18連接，用於檢測光譜激發臺行程開關狀態，當所述光譜激發臺行程開關打開時，控制所述微控制器檢測及控制電路觸發所述脈衝發生器電路產生所述脈衝信號，結合圖9所示，M2為激發臺行程開關的接線端子，當激發臺行程開關26閉合時，1、2腳短接，繼電器RL1線圈得電：觸點2、4相連，IC2微控制器9腳檢測到「0」信號，微控制器檢測到激發臺行程開關26閉合狀態信號，觸點7、5相連，則圖3中IC4電源管理晶片SG3525得電；反之，觸點2、3相連，微控制器IC2的9腳檢測到「1」信號，微控制器檢測到激發臺行程開關26已打開狀態信號，觸點7、6相連，則圖3中IC4電源管理晶片SG3525失電；
本實用新型實施例提供的行程開關狀態檢測控制電路25將行程開關和繼電器結合起來，實現對IC4供電控制和激發臺行程開關26的狀態檢測，起到安全保護的作用。由於當該火花電源有高壓輸出時，激發臺激發電極上有高壓存在，如果這時操作人員不小心觸碰到或靠近激發電極，會發生觸電危險。由於該電源輸出電壓高，電流大，帶有一定的功率輸出，一旦發生觸電危險，甚至會危及生命，故採用圖9的電路結構有效的避免了這種危險情況的發生，當激發臺電極上方有放置激發樣品按下壓杆時，壓杆中的行程開關閉合，高新能電源管理晶片IC4才得電工作，該火花電源才有高壓輸出；反之，火花電源無高壓輸出。該部分電路實現了硬體電路上的保護，微控制器IC2的9腳可以檢測行程開關的狀態變化，6腳可以檢測行程開關26的中斷信號，響應速度更快，使該火花電源輸出更加的安全可靠。其中，該電路中的R8、C3、C4為濾波電阻電容，去除高頻幹擾，R12為上拉電阻，D1為繼電器RL1線圈的續流二極體。
優選地，所述電極與所述光譜激發臺之間填充氣體，所述氣體為氬氣，所述數控式火花電源還包括：氬氣控制電路22，與微控制器檢測及控制電路18連接，用於控制氬氣電磁閥開/閉；結合圖12所示的氬氣控制電路實現氬氣填充控制，M3為氬氣控制輸出接口，連接氬氣控制電磁閥；D2為齊納二極體，起保護作用，圖8中的IC6A和圖12中的IC6B為TLP523-2光耦的輸入和輸出單元，R32為限流電阻，R15為T3基極下拉電阻，功率三極體T3驅動氬氣控制電磁閥，R109為分壓電阻。
優選地，為了保證輸出激發脈衝電壓的穩定性，提高檢測的精確度，該數控式火花電源還包括：整流濾波電路15，與升壓電路12連接，用於穩定輸出脈衝電壓。結合圖5所示的電路，經過圖4所示的升壓電路，變壓器次級線圈輸出交流脈動電壓，經過由D6、D7、D10和D11組成的全橋整流電路輸出脈動的直流電壓，再經過L2和C24組成的LC濾波電路輸出穩定的直流電壓，再經過D8二極體輸出。其中，D8起到電壓隔離的作用，該電源電壓分兩路輸出，分別取至D8的陽極和陰極，若該數控式火花電源與點火電路相連接，D8陽極輸出電壓提供點火電壓，D8陰極輸出電壓提供功率輸出；由於該電路輸出連接的是感性負載，D9續流作用，同時為了防止電源空載輸出，輸出端接R44、R45、R46空載時提供最小輸出電流。
優選地，整流濾波電路15包括：儲能電容，用於進行電能儲存，即圖5中所示的儲能電容C23，當關斷升壓電路時，通過儲能電容C23使金屬樣品得到充分的激發，提高樣品檢測的準確度。
優選地，還包括：點火脈衝控制電路21，分別與微控制器檢測及控制電路18、激發控制電路13連接，用於根據微控制器檢測及控制電路18發出的操作指令，驅動激發控制電路13進行弧光放電。結合圖11所示，該數控式火花電源可以通過圖11所示電路實現點火脈衝的控制，M4為點火脈衝輸出接口，D4為齊納二極體，起保護作用。圖8中的IC7A和圖11中的IC7B為4N25光耦的輸入和輸出單元，R35為限流電阻，R29為T5基極下拉電阻，功率三極體T5構成輸出端驅動器。
優選地，還包括電壓反饋及控制電路17，與脈衝發生器電路11連接，電壓反饋及控制電路17包括至少一個可變電阻，通過調節可變電阻的電阻值，控制脈衝電壓的輸出的電壓值。具體結合6所示的電路，該電路中R48、R43、VR1、VR2構成輸出端電壓採樣電路，採樣電壓反饋到圖3中SG3525晶片誤差放大器的反相輸入端，通過調節VR1和VR2可以設置輸出端電壓。其中，VR2固定接入電路，VR1是否接入電路由微控制器控制，微控制器檢測及控制電路通過光耦IC5D控制幹簧管繼電器RL2是否得電。當IC5D導通時，RL2的線圈得電，RL2內部常開觸點閉合，1腳和7腳短接，VR1和VR2並接到電路中，輸出相應的電壓，即當電位器VR1和VR2調節一定的阻值，通過微控制器檢測及控制電路控制VR1是否接入電路，可以使輸出電路輸出兩種電壓，D5是續流二極體，輸出電壓與VR1、VR2的關係如式3-2所示。
其中，VR＝VR2或VREF＝5.1V，R48＝R43＝220K。
圖6中，R47、R42、R41、R40、T6、DL2、R22、IC5A構成了輸出電壓反饋信號檢測電路。A點電位和VOUT輸出電壓之間的關係如式3-3所示：
其中，A點的電位如式3-4所示：
UA＝IB*R40+UBE+UDL2+IC*R22+UIC5A (3-4)
根據器件數據手冊取：UBE＝0.7,UDL2＝1V，UIC5A＝1.15V，IC＝10mA，IB≈0mA,並根據圖6中器件參數和式3-3得：UA≈14.85V，VOUT≈311.85V。即當VOUT輸出電壓大於311.85V時，DL2指示燈亮，IC5A光耦LED亮，反饋給微控制器檢測及控制電路輸出高壓信號，若光耦LED燈沒有亮，表明沒有輸出高壓信號，通過電壓反饋及控制電路反饋到脈衝發生器，進行電壓值調整，直至輸出高壓信號。
優選地，還包括電壓變換及控制電路19，分別與低壓直流電源14、微控制器檢測及控制電路18連接，用於向微控制器檢測及控制電路18提供工作電壓。具體結合圖7所示，其中M1為帶指示燈開關的接線端子，1、2腳之間連接開關，2、3腳之間連接指示燈，C2為可恢復保險絲，C22、C19、C5、C21、C20、C18、C15、C16為濾波電容，L1為濾波電感，R20、R39為限流電阻，型號為LM7805的電壓變換器IC8將+15V變換成+5V給微控制器檢測機控制電路IC2供電。
優選地，還包括：功率輸出控制電路，由功率輸出檢測電路23和功率輸出切換電路24構成，與微控制器檢測及控制電路18連接，用於控制輸出不同功率的脈衝電壓。具體結合圖10所示，通過圖10所示電路實現功率輸出切換控制，由於火花電源在激發控制的過程中需要通過適當切換不同的光源，通過變化不同的電流大小實現不同的激發效果，M5為功率輸出接口，1腳為點火脈衝供電輸出，2、3腳為兩路功率電壓輸出，通過圖10功率輸出控制電路和在2腳輸出端串接大功率限流電阻，可以方便快捷的實現不同的功率電壓輸出；如圖10所示，IC6D為光耦TLP532-2的接收控制端，R33為限流電阻，三極體T4控制繼電器RL3，D3為齊納二極體，起到保護作用；R24為下拉電阻，當IC6D截止時，保證T4的基極為低電平。
上述實施例提供的數控式火花電源，通過低壓直流電源連接脈衝發生器電路、升壓電路、激發控制電路、微控制器檢測及控制電路、行程開關狀態檢測控制電路、氬氣控制電路、通信電路、整流濾波電路、點火脈衝控制電路、電壓反饋及控制電路、電壓變換及控制電路以及功率輸出控制電路，利用激發脈衝電壓在電極與光譜激發臺間進行弧光放電，解決了現有火花電源的產生的結構過於複雜，且電源板長期存在高電壓，對電路的檢修和維護帶來人身安全隱患的問題。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。