CN106872444A - 一种数控式火花电源 - Google Patents
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Abstract
一种数控式火花电源，包括：脉冲发生器电路，与低压直流电源连接，用于产生脉冲信号；升压电路，与所述脉冲发生器电路连接，用于根据所述脉冲信号，将接入的直流低压处理为可以进行电弧放电的脉冲电压；激发控制电路，与所述升压电路连接，用于利用所述脉冲电压在电极与光谱激发台的金属样品间进行弧光放电，解决了现有火花电源的产生的结构过于复杂，且电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种数控式火花电源。
背景技术
火花电源是光谱分析仪中极为重要的核心部件，主要用于产生光谱分析仪所需要的激发光源，继而为光谱分析试样提供蒸发、原子化的激发能量，在光谱分析仪中，样品激发光源是测试未知样品元素含量的基础，现有国产火花光谱仪配备的火花电源中，一般分为火花电源电路和电弧电源电路两部分构成，结构过于复杂，同时接入高电压交流电，使电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有火花电源的产生的结构过于复杂，且电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患。
有鉴于此，本发明提供一种数控式火花电源，包括：
脉冲发生器电路，与低压直流电源连接，用于产生脉冲信号；
升压电路，与所述脉冲发生器电路连接，用于根据所述脉冲信号，将接入的直流低压处理为可以进行电弧放电的脉冲电压；
激发控制电路，与所述升压电路连接，用于利用所述脉冲电压在电极与光谱激发台的金属样品间进行弧光放电。
优选地，还包括：微控制器检测及控制电路，与所述脉冲发生器电路连接，用于触发所述脉冲发生器电路产生所述脉冲信号；
行程开关状态检测控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于检测光谱激发台行程开关状态，
当所述光谱激发台行程开关打开时，控制所述微控制器检测及控制电路触发所述脉冲发生器电路产生所述脉冲信号。
优选地，所述电极与所述光谱激发台之间填充气体，所述气体为氩气，所述数控式火花电源还包括：氩气控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于控制氩气电磁阀开/闭。
优选地，所述微控制器检测及控制电路，通过光纤与上位机控制系统连接，用于接收并执行所述上位机控制系统的操作指令。
优选地，还包括：整流滤波电路，与所述升压电路连接，用于稳定输出所述脉冲电压。
优选地，所述整流滤波电路包括：储能电容，用于进行电能储存。
优选地，还包括：点火脉冲控制电路，分别与所述微控制器检测及控制电路、所述激发控制电路连接，
用于根据所述微控制器检测及控制电路发出的操作指令，驱动所述激发控制电路进行弧光放电。
优选地，还包括电压反馈及控制电路，与所述脉冲发生器电路连接，
所述电压反馈及控制电路包括至少一个可变电阻，通过调节所述可变电阻的电阻值，控制所述脉冲电压的电压值。
优选地，还包括电压变换及控制电路，分别与所述低压直流电源、所述微控制器检测及控制电路连接，用于向所述微控制器检测及控制电路提供工作电压。
优选地，还包括：功率输出控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于控制输出不同功率的脉冲电压。
本发明提供的数控式火花电源，通过设置与低压直流电源连接的脉冲发生器电路根据输入的直流电压生成脉冲电压，通过升压电路将脉冲电压处理为可以进行电弧放电的激发脉冲电压，继而激发控制电路利用激发脉冲电压在电极与光谱激发台间进行弧光放电，解决了现有火花电源的产生的结构过于复杂，且电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的系统框图；
图3是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的脉冲发生器的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的升压电路的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的整流滤波电路的电路原理图；
图6是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的电压反馈及控制电路的电路原理图；
图7是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的电压变换及控制电路的电路原理图；
图8是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的微控制器检测及控制电路的电路原理图；
图9是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的行程开关状态检测控制电路的电路原理图；
图10是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的功率输出控制电路的电路原理图；
图11是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的点火脉冲控制电路的电路原理图；
图12是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的氩气控制电路的电路原理图；
图13是本发明实施例提供的一种数控式火花电源的激发控制电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种数控式火花电源，应用于光谱分析仪中的光谱分析的火花电源，主要用于产生光谱分析仪所需要的激发光源，在电极与光谱激发台间进行弧光放电，继而通过分光系统及数据采集系统，分析光谱激发台上金属样品中各元素的含量，本实施例提供的数控式火花电源主要由微控制器、高频升压变压器、脉冲发生器、电感器、继电器、电容器、光耦、可控硅、二极管、三极管、场效应管、电阻、可调电阻、接插件等元器件组成，如图1所示，本实施例提供的数控式火花电源包括：
脉冲发生器电路11，与低压直流电源14连接，用于产生脉冲信号。其中低压直流电源14可以通过外部接入开关电源得到，通过开关电源将外部高压交流电转换为低压直流电，接入脉冲发生器电路，该开关电源的输出电压为15V，将15V电压输入到脉冲发生器中；具体结合图3所示，脉冲发生器电路包括型号为SG3525的高性能电源管理芯片IC4及其外围辅助电路，16脚为基准电压输出端，该脚输出基准电压为+5.1V；通过R14和C9为误差放大器的同相输入端提供基准参考电压，输出端采样电阻取样的反馈电压，经过电阻R26加到误差放大器的反相输入端，R26和C14构成低通滤波电路，去除反馈电压信号中的高频干扰，DZ1为稳压二极管，起到钳位作用，防止反馈电压超过误差放大器的输入电压上限；C11为软启动电容，实现开关接通瞬间避免电流冲激过大的保护措施；15脚为SG3525电源输入脚，13脚为推挽输出级电源输入，C1和C25为电源滤波电容；11脚和14脚为脉冲宽度调制(以下简称PWM)控制信号输出，相位互差180度，控制升压电路中两个开关MOS管的导通截止；10脚为关断端，当该脚电压大于0.7V时，输出PWM信号关闭；IC3B为光耦的输出级部分，当通过高性能电源管理芯片IC4控制关断引脚，使IC3B截止时，SG3525芯片输出被关断，电源无输出电压；C10、R27和R23构成SG3525的振荡器，产生频率为fT的锯齿波。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。
SG3525的锯齿波由RT、RD和CT产生，锯齿波频率如公式(3-1)所示：
其中，当CT＝C10＝1nF，RT＝R27＝22K，RD＝R23＝470，即该电路振荡器产生约65KHZ的锯齿波，振荡电路信号的好坏直接影响到电源的稳定性。
升压电路12，与脉冲发生器电路11连接，用于根据脉冲信号，将接入的直流低压处理为可以进行电弧放电的脉冲电压；具体结合图4所示，该升压电路采用隔离型开关调整器中的推挽式拓扑结构，用于通过升压变压器将能量传递到负载，接入的低压电源+15V电压由J1接口输入，经F1连接到TR1变压器初级线圈的中间抽头上，SG3525芯片14和11脚输出的PWM脉冲信号分别经过电阻R1、R7加到T2、T1栅极控制端上，通过控制T1、T2的交替导通将直流电压转变成脉冲电压，通过高频变压器将能量传递到负载，输入电压和匝数比一定的情况下可以通过调节输出端反馈电压的大小，来实现对输出电压的调节。其中，F1为保险丝，C7和C8为输入端储能电容，为后级电路提供足够的能量；R30和C17组成初级线圈尖峰电压吸收网络，吸收因开关变压器初级绕组自感电势，避免在开关MOS管截止瞬间出现过高的反峰高电压损坏开关管；R1、R7电阻起到改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小MOS漏极的电压尖峰；R3、R4的作用是当MOS管的栅极由高电平变为低电平时，快速泄放栅极电荷将MOS管尽快截止。
激发控制电路13，与升压电路12连接，用于利用脉冲电压在电极与光谱激发台27的金属样品间进行弧光放电。结合图13所示，该激发控制电路可以实现产生样品激发光源，M1接口分别输入点火电压和功率电压，M2接口输入点火控制脉冲信号。TR1为点火变压器，结合D2、D3、D18、D19、T1、T2等器件，实现点火信号控制；TR2为升压变压器，实现产生高压点火电压。TR2的1脚输入高脉冲电压，在升压变压器TR2次级的同名端3脚输出高达十几KV的点火脉冲电压，由于此时变压器TR2的3脚电压远远大于4脚电压，二极管D4～D17处于截止状态，该十几KV的点火脉冲电压经过电感L1施加到激发台的激发电极上，电极与金属样品之间的氩气瞬间被击穿，由于瞬间电流很大，金属局部温度很高，使金属气化，在电极和金属样品之间形成金属气体桥，即弧光放电。随后，TR2的初级线圈的1脚点火脉冲电压消失，TR2次级线圈产生反生电动势，TR2的4脚产生高电压，二极管D4～D17依次导通，同时功率电压通过M1的1脚输入，为火花放电提供能量，L1有储能的作用。
本发明实施例提供的数控式火花电源，通过设置与低压直流电源连接的脉冲发生器电路根据输入的直流电压生成脉冲电压，通过升压电路将脉冲电压处理为可以进行电弧放电的激发脉冲电压，继而激发控制电路利用激发脉冲电压在电极与光谱激发台间进行弧光放电，解决了现有火花电源的产生的结构过于复杂，且电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患的问题。
作为一个优选的实施方式，如图2所示的数控式火花电源，还包括：
微控制器检测及控制电路18，与所述脉冲发生器电路11连接，用于触发所述脉冲发生器电路11产生所述脉冲信号；结合图8所示的微控制器检测及控制电路包括型号为AT89C2051的微控制器IC2及其外围辅助电路，C101和R101构成了单片机复位电路，C12、C13、X1构成IC2的时钟电路；C6、C26、C27、C102为电源滤波电容，R105、R104、R107、R106、R108、R103、R16为上拉电阻，R17、R21、R19、R25、R102为限流电阻；光耦IC3A和图3脉冲发生器电路中的IC3B连接，实现对电源输出电压的控制，当IC2的8脚输出高电平时，电源有输出；IC5C和图6中的IC5D实现对反馈电压的隔离控制；IC6C和图10中的IC6D实现功率输出切换；光耦IC7A和图11中的IC7B实现激发脉冲控制；IC6A和图12中的IC6B实现对氩气电磁阀的隔离控制；IC5B和图6中的IC5A实现检测火花电源高压输出信号。
优选地，所述微控制器检测及控制电路通过光纤与上位机控制系统连接，用于接收并执行上位机控制系统的操作指令。
由于电源在激发输出能量输出时强电磁干扰比较大，一般的电缆通信方式容易受到干扰，为保证对该数控式火花电源可靠的控制，该系统采用光纤与上位机进行通信，如图8所示，R102、J3、R103、C102、J4和IC2构成了光纤通信电路20，实现上位机与电源板之间的UART通信；R102、J3构成数据发送电路，J3为光纤信号发送端子；R103、C102、J4构成数据接收电路，J4为光纤信号接收端子，该端子内部带有信号放大整型电路。
行程开关状态检测控制电路25，与微控制器检测及控制电路18连接，用于检测光谱激发台行程开关状态，当所述光谱激发台行程开关打开时，控制所述微控制器检测及控制电路触发所述脉冲发生器电路产生所述脉冲信号，结合图9所示，M2为激发台行程开关的接线端子，当激发台行程开关26闭合时，1、2脚短接，继电器RL1线圈得电：触点2、4相连，IC2微控制器9脚检测到“0”信号，微控制器检测到激发台行程开关26闭合状态信号，触点7、5相连，则图3中IC4电源管理芯片SG3525得电；反之，触点2、3相连，微控制器IC2的9脚检测到“1”信号，微控制器检测到激发台行程开关26已打开状态信号，触点7、6相连，则图3中IC4电源管理芯片SG3525失电；
本发明实施例提供的行程开关状态检测控制电路25将行程开关和继电器结合起来，实现对IC4供电控制和激发台行程开关26的状态检测，起到安全保护的作用。由于当该火花电源有高压输出时，激发台激发电极上有高压存在，如果这时操作人员不小心触碰到或靠近激发电极，会发生触电危险。由于该电源输出电压高，电流大，带有一定的功率输出，一旦发生触电危险，甚至会危及生命，故采用图9的电路结构有效的避免了这种危险情况的发生，当激发台电极上方有放置激发样品按下压杆时，压杆中的行程开关闭合，高新能电源管理芯片IC4才得电工作，该火花电源才有高压输出；反之，火花电源无高压输出。该部分电路实现了硬件电路上的保护，微控制器IC2的9脚可以检测行程开关的状态变化，6脚可以检测行程开关26的中断信号，响应速度更快，使该火花电源输出更加的安全可靠。其中，该电路中的R8、C3、C4为滤波电阻电容，去除高频干扰，R12为上拉电阻，D1为继电器RL1线圈的续流二极管。
优选地，所述电极与所述光谱激发台之间填充气体，所述气体为氩气，所述数控式火花电源还包括：氩气控制电路22，与微控制器检测及控制电路18连接，用于控制氩气电磁阀开/闭；结合图12所示的氩气控制电路实现氩气填充控制，M3为氩气控制输出接口，连接氩气控制电磁阀；D2为齐纳二极管，起保护作用，图8中的IC6A和图12中的IC6B为TLP523-2光耦的输入和输出单元，R32为限流电阻，R15为T3基极下拉电阻，功率三极管T3驱动氩气控制电磁阀，R109为分压电阻。
优选地，为了保证输出激发脉冲电压的稳定性，提高检测的精确度，该数控式火花电源还包括：整流滤波电路15，与升压电路12连接，用于稳定输出脉冲电压。结合图5所示的电路，经过图4所示的升压电路，变压器次级线圈输出交流脉动电压，经过由D6、D7、D10和D11组成的全桥整流电路输出脉动的直流电压，再经过L2和C24组成的LC滤波电路输出稳定的直流电压，再经过D8二极管输出。其中，D8起到电压隔离的作用，该电源电压分两路输出，分别取至D8的阳极和阴极，若该数控式火花电源与点火电路相连接，D8阳极输出电压提供点火电压，D8阴极输出电压提供功率输出；由于该电路输出连接的是感性负载，D9续流作用，同时为了防止电源空载输出，输出端接R44、R45、R46空载时提供最小输出电流。
优选地，整流滤波电路15包括：储能电容，用于进行电能储存，即图5中所示的储能电容C23，当关断升压电路时，通过储能电容C23使金属样品得到充分的激发，提高样品检测的准确度。
优选地，还包括：点火脉冲控制电路21，分别与微控制器检测及控制电路18、激发控制电路13连接，用于根据微控制器检测及控制电路18发出的操作指令，驱动激发控制电路13进行弧光放电。结合图11所示，该数控式火花电源可以通过图11所示电路实现点火脉冲的控制，M4为点火脉冲输出接口，D4为齐纳二极管，起保护作用。图8中的IC7A和图11中的IC7B为4N25光耦的输入和输出单元，R35为限流电阻，R29为T5基极下拉电阻，功率三极管T5构成输出端驱动器。
优选地，还包括电压反馈及控制电路17，与脉冲发生器电路11连接，电压反馈及控制电路17包括至少一个可变电阻，通过调节可变电阻的电阻值，控制脉冲电压的输出的电压值。具体结合6所示的电路，该电路中R48、R43、VR1、VR2构成输出端电压采样电路，采样电压反馈到图3中SG3525芯片误差放大器的反相输入端，通过调节VR1和VR2可以设置输出端电压。其中，VR2固定接入电路，VR1是否接入电路由微控制器控制，微控制器检测及控制电路通过光耦IC5D控制干簧管继电器RL2是否得电。当IC5D导通时，RL2的线圈得电，RL2内部常开触点闭合，1脚和7脚短接，VR1和VR2并接到电路中，输出相应的电压，即当电位器VR1和VR2调节一定的阻值，通过微控制器检测及控制电路控制VR1是否接入电路，可以使输出电路输出两种电压，D5是续流二极管，输出电压与VR1、VR2的关系如式3-2所示。
其中，VR＝VR2或VREF＝5.1V，R48＝R43＝220K。
图6中，R47、R42、R41、R40、T6、DL2、R22、IC5A构成了输出电压反馈信号检测电路。A点电位和VOUT输出电压之间的关系如式3-3所示：
其中，A点的电位如式3-4所示：
UA＝IB*R40+UBE+UDL2+IC*R22+UIC5A (3-4)
根据器件数据手册取：UBE＝0.7,UDL2＝1V，UIC5A＝1.15V，IC＝10mA，IB≈0mA,并根据图6中器件参数和式3-3得：UA≈14.85V，VOUT≈311.85V。即当VOUT输出电压大于311.85V时，DL2指示灯亮，IC5A光耦LED亮，反馈给微控制器检测及控制电路输出高压信号，若光耦LED灯没有亮，表明没有输出高压信号，通过电压反馈及控制电路反馈到脉冲发生器，进行电压值调整，直至输出高压信号。
优选地，还包括电压变换及控制电路19，分别与低压直流电源14、微控制器检测及控制电路18连接，用于向微控制器检测及控制电路18提供工作电压。具体结合图7所示，其中M1为带指示灯开关的接线端子，1、2脚之间连接开关，2、3脚之间连接指示灯，C2为可恢复保险丝，C22、C19、C5、C21、C20、C18、C15、C16为滤波电容，L1为滤波电感，R20、R39为限流电阻，型号为LM7805的电压变换器IC8将+15V变换成+5V给微控制器检测机控制电路IC2供电。
优选地，还包括：功率输出控制电路，由功率输出检测电路23和功率输出切换电路24构成，与微控制器检测及控制电路18连接，用于控制输出不同功率的脉冲电压。具体结合图10所示，通过图10所示电路实现功率输出切换控制，由于火花电源在激发控制的过程中需要通过适当切换不同的光源，通过变化不同的电流大小实现不同的激发效果，M5为功率输出接口，1脚为点火脉冲供电输出，2、3脚为两路功率电压输出，通过图10功率输出控制电路和在2脚输出端串接大功率限流电阻，可以方便快捷的实现不同的功率电压输出；如图10所示，IC6D为光耦TLP532-2的接收控制端，R33为限流电阻，三极管T4控制继电器RL3，D3为齐纳二极管，起到保护作用；R24为下拉电阻，当IC6D截止时，保证T4的基极为低电平。
上述实施例提供的数控式火花电源，通过低压直流电源连接脉冲发生器电路、升压电路、激发控制电路、微控制器检测及控制电路、行程开关状态检测控制电路、氩气控制电路、通信电路、整流滤波电路、点火脉冲控制电路、电压反馈及控制电路、电压变换及控制电路以及功率输出控制电路，利用激发脉冲电压在电极与光谱激发台间进行弧光放电，解决了现有火花电源的产生的结构过于复杂，且电源板长期存在高电压，对电路的检修和维护带来人身安全隐患的问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种数控式火花电源，其特征在于，包括：
脉冲发生器电路，与低压直流电源连接，用于产生脉冲信号；
升压电路，与所述脉冲发生器电路连接，用于根据所述脉冲信号，将接入的直流低压处理为可以进行电弧放电的脉冲电压；
激发控制电路，与所述升压电路连接，用于利用所述脉冲电压在电极与光谱激发台的金属样品间进行弧光放电。
2.根据权利要求1所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括：
微控制器检测及控制电路，与所述脉冲发生器电路连接，用于触发所述脉冲发生器电路产生所述脉冲信号；
行程开关状态检测控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于检测光谱激发台行程开关状态，
当所述光谱激发台行程开关打开时，控制所述微控制器检测及控制电路触发所述脉冲发生器电路产生所述脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的数控式火花电源，其特征在于，所述电极与所述光谱激发台之间填充气体，所述气体为氩气，所述数控式火花电源还包括：氩气控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于控制氩气电磁阀开/闭。
4.根据权利要求2所述的数控式火花电源，其特征在于，所述微控制器检测及控制电路，通过光纤与上位机控制系统连接，用于接收并执行所述上位机控制系统的操作指令。
5.根据权利要求1所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括：整流滤波电路，与所述升压电路连接，用于稳定输出所述脉冲电压。
6.根据权利要求5所述的数控式火花电源，其特征在于，所述整流滤波电路包括：储能电容，用于进行电能储存。
7.根据权利要求2所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括：点火脉冲控制电路，分别与所述微控制器检测及控制电路、所述激发控制电路连接，
用于根据所述微控制器检测及控制电路发出的操作指令，驱动所述激发控制电路进行弧光放电。
8.根据权利要求1所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括电压反馈及控制电路，与所述脉冲发生器电路连接，
所述电压反馈及控制电路包括至少一个可变电阻，通过调节所述可变电阻的电阻值，控制所述脉冲电压的电压值。
9.根据权利要求2所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括电压变换及控制电路，分别与所述低压直流电源、所述微控制器检测及控制电路连接，用于向所述微控制器检测及控制电路提供工作电压。
10.根据权利要求2所述的数控式火花电源，其特征在于，还包括：功率输出控制电路，与所述微控制器检测及控制电路连接，用于控制输出不同功率的脉冲电压。
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