CN102612242A - 一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，在充电准备期间，直流充放电电源先对多个储能电容进行充电；在氙灯触发工作后，各个储能电容通过相应的开关元件，由时序脉冲发生器控制按顺序依次对氙灯放电，能够很方便地得到超长脉宽的光功率输出，整个电路的工作稳定性和可靠性得到大大提高；其中储能电容的个数可视所需的脉宽而定。同时光强反馈控制回路通过检测氙灯发光状况时刻调整其发光功率，使得氙灯的光功率输出保持恒定状态。

Description

一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路

技术领域

本发明涉及一种脉冲氙灯的控制电路，特别是一种用于脉冲太阳模拟器的超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路。

背景技术

太阳模拟器通常用于产生模拟的太阳光，对太阳能电池或太阳能电池组件进行测试。商业化的太阳模拟器有两类：一类是稳态太阳模拟器，以常亮的灯源(如稳态氙灯、钨灯或汞灯)作为光源，这类太阳模拟器通常光照面积较小，被测物温升较快；第二类是脉冲太阳模拟器，通常由一个或两个长弧脉冲氙灯为光源，这类太阳模拟器光照面积较大，因为是短时间脉冲闪光，所以被测物温升可忽略不计。

目前脉冲太阳模拟器的发光光源通常采用大功率脉冲氙灯，实际应用中，由于大功率脉冲氙灯工作在高电压、大电流状态下，常规的电容和电容组储能放电工作模式的工作脉冲宽度通常小于40ms，如果工作脉冲宽度要求大于40ms(如100ms--200ms)且要求恒光的情况下，常规的控制电路就难以实现了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，能够方便地得到超长脉宽、光强恒定的光功率输出。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，其特征在于：它包括：

直流充放电电源，用于给储能电容组充电和放电，包括接地端、充电端和放电端；

储能电容组，包括N个储能电容，每个储能电容的正极通过充电二极管与直流充放电电源的充电端连接，每个储能电容的正极还通过放电二极管与直流充放电电源的放电端连接，每个储能电容的负极与直流充放电电源的接地端连接并接地；

时序脉冲发生器，包括公共端和脉冲输出端；

脉冲开关组，包括N个开关元件，N个开关元件的正极依次与N个所述储能电容的正极连接，开关元件的负极与时序脉冲发生器的公共端连接，开关元件的控制端与时序脉冲发生器的脉冲输出端连接；开关元件的负极与氙灯正极相连接；

光强反馈控制回路，通过光电传感器将氙灯的光能转换为电压与基准电压相比较，再通过功率调整器控制氙灯的发光功率；

电源，为直流充放电电源、时序脉冲发生器和光强反馈控制回路提供电源；

所述N为大于等于2的自然数。

按上述方案，它还包括缓冲电容，缓冲电容的正极通过放电二极管与所述直流充放电电源的放电端连接，缓冲电容的负极接地；所述开关元件的负极与氙灯正极之间串联一个缓冲电阻和一个限流电阻；同时缓冲电容的正极还与缓冲电阻与限流电阻之间的节点连接。

按上述方案，所述的直流充放电电源包括充电电路、放电电路和充放电控制电路；充放电控制电路设定充电电压阀值V1和放电电压阀值V2，并将所述储能电容的电压分别与充电电压阀值V1和放电电压阀值V2比较以控制充电电路和放电电路的开启和关闭。

按上述方案，所述的充电电路上串联一个固态继电器SSR，充放电控制电路的充电控制端与固态继电器SSR的控制端连接；

所述的放电电路包括放电控制管、放电开关和限流电阻，所述储能电容、放电二极管、限流电阻、放电开关和接地端构成放电回路，放电开关由放电控制管控制，放电控制管由充放电控制电路的放电控制端控制；

所述的充放电控制电路包括取样电路、分压电路、充放电禁止端子、第一比较器和第二比较器；取样电路对所述储能电容的电压进行取样，分压电路输出充电电压阀值V1和放电电压阀值V2，充放电禁止端子输入氙灯亮灭信息；第一比较器输入端输入放电电压阀值V2、储能电容电压和氙灯亮灭信息，输出端为放电控制端；第二比较器输入端输入充电电压阀值V1、储能电容电压和氙灯亮灭信息，输出端为充电控制端。

本发明的工作状态分为充电准备期、放电调整期和氙灯工作期三个阶段：在充电准备期内，直流充放电电源的充电端通过相应的充电二极管分别对各个储能电容进行充电，直至各储能电容的端电压达到直流充放电电源设定的充电电压阀值后停止充电；在放电调整期内，如果储能电容的端电压达到直流充放电电源放电阀值，储能电容可以通过直流充放电电源的放电端进行放电；在上述充电准备期和放电调整期间内，通过不断的充电和放电调整过程，使得各个储能电容的端电压保持在直流充放电电源所设定的电压区间内；在氙灯被触发开始工作后，时序脉冲发生器的每个脉冲输出端按顺序依次输出控制脉冲，分别依次开启与之相连接的各个开关元件，使相应的储能电容依次向氙灯放电，每个储能电容只是在一个相对较短的时段内对氙灯进行放电，各个储能电容的放电时间累加从而达到所需要的超长工作脉冲宽度。

本发明的有益效果为：

1、在充电准备期间，直流充放电电源先对多个储能电容进行充电；在氙灯触发工作后，各个储能电容通过相应的开关元件，由时序脉冲发生器控制按顺序依次对氙灯放电，能够很方便地得到超长脉宽的光功率输出，整个电路的工作稳定性和可靠性得到大大提高；其中储能电容的个数可视所需的脉宽而定。

2、同时光强反馈控制回路通过检测氙灯发光状况时刻调整其发光功率，使得氙灯的光功率输出保持恒定状态。

3、通过增加缓冲电阻和缓冲电容的滤波作用，使得缓冲电容两端的电压相对平滑，无尖峰和毛刺。

4、直流充放电电源内部的充放电控制电路既能按设定的电压控制充电电路对储能电容充电，也能在储能电容端电压达到设定的放电阀值时控制放电电路对储能电容进行放电；还能在充放电控制电路失电等紧急情况时直接对储能电容进行放电；在氙灯工作期间，充放电控制电路将禁止充电电路和放电电路的充电、放电操作。

附图说明

图1为本发明一实施例的主电路原理图。

图2为图1中各相关点的波形及时序脉冲发生器输出波形图。

图3为直流充放电电源内部电路结构图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的主电路原理图，它包括：

直流充放电电源1，用于给储能电容组充电和放电，包括接地端GND、充电端OUT1和放电端OUT2。

储能电容组，包括N个储能电容Ca、Cb、…、Cn，每个储能电容的正极通过充电二极管Da1、Db1、…、Dn1与直流充放电电源1的充电端OUT1连接，每个储能电容的正极还通过放电二极管Da2、Db2、…、Dn2与直流充放电电源1的放电端OUT2连接，每个储能电容的负极与直流充放电电源1的接地端GND连接并接地。

时序脉冲发生器2，包括公共端G和脉冲输出端a、b、…、n。

脉冲开关组，包括N个开关元件Ka、Kb、…、Kn，N个开关元件的正极依次与N个所述储能电容的正极连接，即Ka正极与Ca正极连接、…、Kn正极与Cn正极连接，开关元件的负极与时序脉冲发生器的公共端G连接，开关元件的控制端与时序脉冲发生器的脉冲输出端连接，即Ka控制端与a连接、…、Kn控制端与n连接；开关元件的负极与氙灯L正极相连接。

光强反馈控制回路，通过光电传感器将氙灯的光能转换为电压与基准电压相比较，再通过功率调整器控制氙灯的发光功率；包括光强控制电路3、功率调整器Q、光电传感器Es，光强控制电路3的一个输入端输入基准电压V_REF，另一个输入端与光电传感器Es连接，功率调整器Q的控制端与光强控制电路3的控制输出端连接，功率调整器Q的阳极与氙灯L的阴极连接，功率调整器Q的阴极接地。

电源4，为直流充放电电源1、时序脉冲发生器2和光强反馈控制回路提供电源。

缓冲电容C，缓冲电容C的正极通过放电二极管D与所述直流充放电电源1的放电端OUT2连接，缓冲电容C的负极接地；所述开关元件的负极与氙灯正极之间串联一个缓冲电阻Ra和一个限流电阻Rb；同时缓冲电容C的正极还与缓冲电阻Ra与限流电阻Rb之间的节点连接。

设所有开关元件的负极连接的节点作为公共输出极A，缓冲电容C的正极为节点B。

氙灯工作期间内，通过限流电阻Rb、氙灯L、功率调整器Q、光电传感器Es以及光强控制回路组成的光强反馈控制回路，使得氙灯的光功率输出保持恒定状态。基准电压V_REF的电压幅值可以调整氙灯L的光功率输出量，基准电压V_REF的电压幅值越高，氙灯L的光功率输出也越大。基准电压V_REF的极性可以控制氙灯L的光功率输出的开与关：当基准电压V_REF的极性为正值时，功率调整器Q有驱动信号，可工作于恒光状态，氙灯L工作于恒光输出状态；当基准电压V_REF的极性为负值或为零时，功率调整器Q没有驱动信号，工作于截止状态，氙灯L没有光功率输出。

光强反馈控制回路和时序脉冲发生器均属于已有成熟控制技术，其工作原理在此不再做详细阐述。

直流充放电电源1的内部电路结构如图3所示，包括充电电路5、放电电路6和充放电控制电路7。充放电控制电路7的放电控制端17与放电电路6的放电控制管VT2的控制端相连接；充放电控制电路7的充电控制端18与充电电路5的固态继电器SSR的控制端相连接。

直流充放电电源1内部的充放电控制电路工作时，既能按设定的充电电压阀值控制充电电路对外部储能电容充电，也能在储能电容端电压达到设定的放电电压阀值时控制上述放电电路对外部储能电容进行放电，还能在控制电路失电等紧急情况时直接对储能电容进行放电；在氙灯工作期间，充放电控制电路将禁止充电电路和放电电路的充电、放电操作。

如图3所示，充电电路5由限流电阻R1、固态继电器SSR(固态继电器SSR的控制侧可控制开关侧的导通和关断状态)、二极管D1及电容C1组成。当固态继电器SSR的控制侧高电平时，固态继电器SSR的开关侧导通，交流电源AC IN通过限流电阻R1、固态继电器SSR、二极管D1及电容C1组成的整流滤波电路，通过充电端OUT1输出直流电源，经外接充电二极管Da1、Db1、…、Dn1对储能电容Ca、Cb、…、Cn进行充电操作。

放电电路6由放电控制管VT2、放电开关VT3、限流电阻R3、放电端OUT2、接地端GND等组成。放电开关VT3的开关状态由放电控制管VT2的控制端的电平进行控制。当控制管VT2的控制端为低电平时，放电开关VT3导通，储能电容Ca、Cb、…、Cn可通过外接放电二极管Da2、Db2、…、Dn2、放电端OUT2、限流电阻R3、放电开关VT3及接地端子GND等组成的放电回路进行放电操作。

充放电控制电路7由第一比较器A1、第二比较器A2、电压调节电位器VR、充放电禁止端子Vi、稳压电源VCC、充电控制端18、放电控制端17以及分压电阻Rc、Rd、Re、Rf、Rg等部分组成。电阻Rc、Rd组成的取样电路通过放电端OUT2对外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U进行取样；电阻Re、Rf、Rg组成的分压电路对充放电电压阀值V1、V2进行精确设置；电压调节电位器VR可以对外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U进行初步范围的设定；第一比较器A1的输出端经二极管D3与放电控制端17相连，可对放电控制管VT2进行放电控制；第二比较器A2的输出端即充电控制端18与固态继电器SSR的控制侧相连，可对固态继电器SSR进行充电控制；在氙灯闪光期间，从充放电禁止端子Vi输入高电平，则充电控制端18输出低电平，固态继电器SSR关断，充电电路5停止充电，同时放电控制端17为高电平，通过放电控制管VT2控制开关元件VT3关断，放电电路6停止放电。

充放电控制电路7的控制原理是这样的：当电压调节电位器VR调整固定、Rc、Rd和Re、Rf、Rg均电阻值确定后，充电电压阀值V1和放电电压阀值V2就已确定；如果外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U低于充电电压阀值V1时，第二比较器A2的正输入端比负输入端的电平高，第二比较器A2的输出端即充电控制端18为高电平，此时固态继电器SSR的开关侧导通，交流电源AC IN通过限流电阻R1、固态继电器SSR、二极管D1及电容C1组成的整流滤波电路，通过充电端OUT1输出直流电源，经外接充电二极管Da1、Db1、…、Dn1对储能电容Ca、Cb、…、Cn进行充电操作。当外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U充电到高于充电电压阀值V1时，第二比较器A2的正输入端比负输入端的电平低，第二比较器A2的输出端即充电控制端18为低电平，此时固态继电器SSR的开关侧关断，充电过程停止。

在以上所述充电控制过程中，由于外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U始终低于放电电压阀值V2，第一比较器A1的正输入端始终比负输入端的电平高，第一比较器A1的输出端即放电控制端17始终为高电平，经放电控制管VT2控制使得放电开关VT3一直关断，放电电路6处于停止状态。由于上述的固态继电器SSR等组成的充电回路的控制特点所限，即固态继电器SSR必须过零关断，所以即使固态继电器SSR的开关侧关断，充电过程不一定会马上停止，这样储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U可能继续上升，如果储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U大于放电电压阀值V2，第一比较器A1的正输入端比负输入端的电平低，第一比较器A1的输出端即放电控制端17始终为低电平，经放电控制管VT2控制使得放电开关VT3导通，放电电路6处于放电状态。在此过程中，由于外接储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U始终高于充电电压阀值V1，第二比较器A2的正输入端始终比负输入端的电平低，第二比较器A2的输出端即充电控制端18始终为低电平，固态继电器SSR的开关侧始终处于关断状态，充电电路始终停止充电操作。

图2为图1中各相关点的波形及时序脉冲发生器输出波形图，其中8是储能电容Ca、Cb、Cc、Cn的端电压U的波形图；9是基准电压V_REF的波形图，实际上也就是氙灯发光的控制电压波形图；10是时序脉冲发生器2的脉冲输出端a电压Ua的波形图；11是时序脉冲发生器2的脉冲输出端b电压Ub的波形图；12是时序脉冲发生器2的脉冲输出端c电压Uc的波形图；13是时序脉冲发生器2的脉冲输出端n电压Un的波形图；14是附图1中公共输出极A的电压UA的波形图；15是附图1中节点B的电压UB的波形图；16是附图1中光电传感器Es两端的电压U_Es的波形图，它实际上代表了氙灯输出的光功率波形。

下面结合附图1、附图2，对本发明实施例的控制电路的工作过程进行描述：上述电路的工作状态分为充电准备期、放电调整期和氙灯工作期三个阶段：

在充电准备期内：当储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U低于直流充放电电源1设定的充电电压阀值V1时，直流充放电电源1通过相应的充电二极管Da1、Db1、…、Dn1分别对储能电容Ca、Cb、…、Cn进行充电；当储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U达到直流充放电电源1设定的充电电压阀值V1后停止充电。由于电容器本身的自放电作用，储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U会缓慢下降，所以上述充电过程会间歇进行。

在放电调整期内：由于固态继电器SSR必须过零关断，所以即使固态继电器SSR的开关侧关断，充电过程不一定会马上停止，这样储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U有可能继续上升，如果储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U达到或超过直流充放电电源1的放电电压阀值V2时，储能电容Ca、Cb、…、Cn通过直流充放电电源1的放电端OUT2进行放电。

在上述充电准备期和放电调整期间内，通过不断的充电和放电调整过程，使得储能电容Ca、Cb、…、Cn的端电压U保持在直流充放电电源1所设定的电压区间V1≤U≤V2内。

在氙灯工作期内，时序脉冲发生器2的脉冲输出端a、b、…、n按顺序依次输出控制脉冲Va、Vb、…、Vn，分别依次开启与之相连接的开关元件Ka、Kb、…、Kn，使相应的储能电容Ca、Cb、…、Cn通过缓冲电阻Ra和缓冲电容C依次向氙灯L放电，从而达到所需要的工作脉宽；公共输出极A的输出电压为VA，经过缓冲电阻Ra和缓冲电容C的滤波作用，使得缓冲电容C两端的电压VB相对平滑，无尖峰和毛刺。

Claims (4)

1.一种超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，其特征在于：它包括：

直流充放电电源，用于给储能电容组充电和放电，包括接地端、充电端和放电端；

储能电容组，包括N个储能电容，每个储能电容的正极通过充电二极管与直流充放电电源的充电端连接，每个储能电容的正极还通过放电二极管与直流充放电电源的放电端连接，每个储能电容的负极与直流充放电电源的接地端连接并接地；

时序脉冲发生器，包括公共端和脉冲输出端；

脉冲开关组，包括N个开关元件，N个开关元件的正极依次与N个所述储能电容的正极连接，开关元件的负极与时序脉冲发生器的公共端连接，开关元件的控制端与时序脉冲发生器的脉冲输出端连接；开关元件的负极与氙灯正极相连接；

光强反馈控制回路，通过光电传感器将氙灯的光能转换为电压与基准电压相比较，再通过功率调整器控制氙灯的发光功率；

电源，为直流充放电电源、时序脉冲发生器和光强反馈控制回路提供电源；

所述N为大于等于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，其特征在于：它还包括缓冲电容，缓冲电容的正极通过放电二极管与所述直流充放电电源的放电端连接，缓冲电容的负极接地；所述开关元件的负极与氙灯正极之间串联一个缓冲电阻和一个限流电阻；同时缓冲电容的正极还与缓冲电阻与限流电阻之间的节点连接。

3.根据权利要求1或2所述的超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，其特征在于：所述的直流充放电电源包括充电电路、放电电路和充放电控制电路；充放电控制电路设定充电电压阀值V1和放电电压阀值V2，并将所述储能电容的电压分别与充电电压阀值V1和放电电压阀值V2比较以控制充电电路和放电电路的开启和关闭。

4.根据权利要求3所述的超长脉宽的大功率脉冲氙灯恒光控制电路，其特征在于：所述的充电电路上串联一个固态继电器SSR，充放电控制电路的充电控制端与固态继电器SSR的控制端连接；

所述的放电电路包括放电控制管、放电开关和限流电阻，所述储能电容、放电二极管、限流电阻、放电开关和接地端构成放电回路，放电开关由放电控制管控制，放电控制管由充放电控制电路的放电控制端控制；

所述的充放电控制电路包括取样电路、分压电路、充放电禁止端子、第一比较器和第二比较器；取样电路对所述储能电容的电压进行取样，分压电路输出充电电压阀值V1和放电电压阀值V2，充放电禁止端子输入氙灯亮灭信息；第一比较器输入端输入放电电压阀值V2、储能电容电压和氙灯亮灭信息，输出端为放电控制端；第二比较器输入端输入充电电压阀值V1、储能电容电压和氙灯亮灭信息，输出端为充电控制端。

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