CN116068699B - 一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法，该电弧发生器包括初级可调稳压电路、高频变压器升压电路、高压倍压电路及电弧时序控制电路；初级可调稳压电路的输出端与高频变压器升压电路的输入端电连接，高频变压器升压电路的输出端与高压倍压电路的输入端电连接，高压倍压电路的输出端与电弧时序控制电路的输入端电连接包括。本发明通过分时高压放电控制技术实现了三电极的环形放电，能够在环形电弧的中心高温区域进行石英光纤的熔融，并且可以调节环形电弧强度，可均匀熔融80um至2000um的石英光纤，是设计大芯径熔接机的关键技术之一，且环形三电极间的空气可靠电离击穿并能对其进行精准强度控制。

Description

一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法

技术领域

本发明涉及三电极环形高压电弧发生器领域，具体来说，涉及一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法。

背景技术

利用高压电弧熔接光纤的技术在我国已出现30多年的时间，如图6所示，采用一对电极棒产生高温电弧的方式能够稳定可靠地熔融并接续通讯领域普遍使用的包层直径125um石英光纤。

光纤技术的应用不断向其它领域发展，目前市场上出现了包层直径200um以上甚至高达1200um的多种石英光纤，这些类型的光纤在工业、传感、医疗等领域有着重要应用前景。

目前国内光纤熔接机厂家已推出一些型号的大芯径光纤熔接机，这些熔接机还普遍使用传统的双电极电弧放电方式，然而传统的双电极放电方式因电弧高温区受限等原因无法满足大芯径光纤的可靠熔接。

如图7所示，三电极环形放电技术可产生范围更大更均匀的电弧高温区，有助于实现大芯径光纤的可靠熔融。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种强度可控的环形高压电弧发生器，该电弧发生器包括初级可调稳压电路、高频变压器升压电路、高压倍压电路及电弧时序控制电路；初级可调稳压电路的输出端与高频变压器升压电路的输入端电连接，高频变压器升压电路的输出端与高压倍压电路的输入端电连接，高压倍压电路的输出端与电弧时序控制电路的输入端电连接。

进一步的，初级可调稳压电路包括芯片U1、运算放大器U2、电感L1、电阻R1、电阻R2、可变电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、可变电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、二极管V1、二极管V2、场效应管V3、稳压二极管V4、三极管V5、对管V6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12；

芯片U1的第一引脚与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端分别与电阻R2、电阻R11的一端及三极管V5的集电极连接，电阻R2的另一端与可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端接地，R11的另一端分别与二极管V1的负极及电容C5的一端连接，二极管V1的正极分别与信号Input2及二极管V2的负极连接，二极管V2的正极与电容C5的另一端连接且接地，三极管V5的基极与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与运算放大器U2的第一引脚连接，运算放大器U2的第三引脚分别与电阻R22及电阻R23的一端连接，电阻R22的另一端与信号Input3连接，R23的另一端接地，运算放大器U2的第四引脚分别与电阻R21及电容C11的一端连接，电阻R21的另一端分别与电容C11的另一端、三极管V5的发射极及电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端接地，运算放大器U2的第五引脚与电容C12的一端连接且8V输入，电容C12的另一端接地，运算放大器U2的第二引脚接地；

芯片U1的第二引脚分别与电阻R7、电容C1、电阻R4及电阻R5的一端连接，电阻R7的另一端分别与电容C1的另一端及芯片U1的第三引脚连接，电阻R4的另一端分别与电阻R6、电容C4、电阻R9、电容C6的一端及芯片U1的第十四引脚连接，R5的另一端接地，电阻R6的另一端与芯片U1的第十五引脚连接，电容C4的另一端分别与电阻R9的另一端、芯片U1的第四引脚及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，电容C6的另一端接地；

芯片U1的第五引脚与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与电阻R14及可变电阻R16的一端连接且接地，可变电阻R16的另一端与电阻R15连接，电阻R15的另一端与芯片U1第六引脚连接，电阻R14的另一端分别与电阻R13、电阻R12的一端及信号Input1连接，电阻R13的另一端与芯片U1的第十六引脚连接，电阻R12的另一端分别与电容C10的一端及稳压二极管V4的负极连接且输出Vout，电容C10的另一端接地，稳压二极管V4的正极分别与电感L1、电容C8的一端及场效应管V3的漏极相连接，电感L1的另一端分别与VCC及电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地，电容C8的另一端与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地，场效应管V3的栅极与电阻R19的一端连接，场效应管V3的源极接地，电阻R19的另一端分别与对管V6的第四引脚及对管V6的第一引脚连接，对管V6的第三引脚分别与电容C7及电阻R18的一端连接，电容C7的另一端接地，电阻R18的另一端8V输入，对管V6的第六引脚接地，对管V6的第五引脚分别与对管V6的第二引脚、芯片U1的第九引脚及芯片U1的第十引脚连接，对管V6的第二引脚与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端接地；

芯片U1的第七引脚接地，芯片U1的第八引脚分别与芯片U1的第十一引脚及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端8V输入；

芯片U1的第十二引脚与电容C3的一端连接且8V输入，电容C3的另一端接地，芯片U1的第十三引脚接地。

进一步的，初级可调稳压电路的输入电压为DC9V-15V，初级可调稳压电路的输出电压为18V-22V，初级可调稳压电路的最大输出电流为2A。

进一步的，初级可调稳压电路中高压感应保护方式为欠高压过流保护。

进一步的，高频变压器升压电路包括电阻R26、电阻R27、可变电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、可变电阻R41、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、稳压二极管V7、三极管V8、三极管V9、对管V10、场效应管V11、场效应管V12、对管V13、三极管V14、三极管V15、稳压二极管V16、变压器T1；

电阻R26的一端分别与脉冲信号CON1-P及稳压二极管V7的负极连接，稳压二极管V7的正极分别与电阻R28的一端、三极管V8的发射极、三极管V9的发射极、对管V10的第六引脚、场效应管V11的源极及电阻R33的一端连接且接地，电阻R28的另一端分别与电阻R26的另一端及三极管V8的基极连接，三极管V8的集电极分别与电阻R27的一端及三极管V9的基极连接，电阻R27的另一端分别与VCC及电阻R29的一端连接，电阻R29的另一端分别与三极管V9的集电极、对管V10的第五引脚及对管V10的第二引脚连接，对管V10的第三引脚与电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端分别与VCC及电容C13的一端连接，电容C13的另一端接地，对管V10的第四引脚分别与电阻R32的一端及对管V10的第一引脚连接，电阻R32的另一端与场效应管V11的栅极连接，场效应管V11的漏极分别与电容C14的一端及变压器T1的第一引脚连接，电容C14的另一端与电阻R33的另一端连接；

电阻R34的一端分别与脉冲信号CON1-N及稳压二极管V16的负极连接，稳压二极管V16的正极分别与电阻R36的一端、三极管V15的发射极、三极管V14的发射极、对管V13的第六引脚、场效应管V12的源极及电阻R41的一端连接且接地，电阻R36的另一端分别与电阻R34的另一端及三极管的V15的基极连接，三极管V15的集电极分别与电阻R35及电阻R38的一端连接，电阻R38的另一端与三极管V14的基极连接，电阻R35的另一端分别与VCC及电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端分别与三极管V14的集电极、对管V13的第五引脚及对管V13的第二引脚连接，对管V13的第三引脚与电阻R39的一端连接，电阻R39的另一端分别与VCC及电容C16的一端连接，电容C16的另一端接地，对管V13的第四引脚分别与对管V13的第一引脚及电阻R40的一端连接，电阻R40的另一端与场效应管V12的栅极连接，场效应管V12的漏极分别与电容C15的一端及变压器T1的第四引脚连接，电容C15的另一端与电阻R41的另一端连接；

变压器T1的第二引脚分别与变压器T1的第三引脚及VIN端连接，且VIN端与初级可调稳压电路的输出端连接。

进一步的，高频变压器升压电路中的升压变压器由双初级绕组及40倍匝数比单次级绕组设计实现，且双初级绕组输入信号为1/6占空比的交错等间隔脉冲电压。

进一步的，高压倍压电路包括变压器T1、变压器T2、变压器T3、二极管V100、二极管V101、二极管V102、二极管V103、二极管V104、二极管V105、二极管V106、二极管V107、二极管V108、二极管V109、二极管V110、二极管V111、二极管V112、二极管V113、二极管V114、二极管V115、二极管V116、二极管V117、电容C100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C107、电容C108、电容C109、电容C110、电容C111、电容C112、电容C113、电容C114、电容C115、电容C117、电容C114、电容C115、电容C116、电容C117、电容C118、电容C119、电阻R100、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105；

变压器T1的第六引脚分别与二极管V100的正极及电容C101的一端连接，电容C101的另一端分别与二极管V101的负极、二极管V102的正极及电容C103的一端连接，电容C103的另一端分别与二极管V103的负极、二极管V112的正极及电容C116的一端连接，电容C116的另一端分别与二极管V113的负极及电阻R100的一端连接，二极管V113的正极分别与二极管V112的负极及电容C115的一端连接，电容C115的另一端分别与二极管V103的正极、二极管V102的负极及电容C102的一端连接，电容C102的另一端分别与二极管V101的正极、二极管V100的负极及电容C100的一端连接，电容C100的另一端分别与电容C104的一端及变压器T1的第五引脚连接，电容C104的另一端与电阻R101的一端连接，电阻R101的另一端与电阻R100的另一端连接且输出E1-PH信号；

变压器T1的第六引脚分别与变压器T2的第五引脚、电容C109及电容C105的一端连接，电容C109的另一端与电阻R103的一端连接，电阻R103的另一端与电阻R102的一端连接且输出E2-PH信号，电阻R102的另一端分别与电容C118的一端及二极管V115的负极连接，电容C118的另一端分别与二极管V114的正极、二极管V107的负极及电容C108的一端连接，电容C108的一端分别与二极管V106的正极、二极管V105的负极及电容C106的一端连接，电容C106的另一端分别与二极管V104的正极及变压器T2的第六引脚连接，二极管V104的负极分别与电容C105、电容C107的一端及二极管V105的正极连接，电容C105的另一端与变压器T2的第五引脚连接，电容C107的另一端分别与二极管V106的负极、二极管V107的正极及电容C117的一端连接，电容C117的另一端分别与二极管V114的负极及二极管V115的正极连接；

变压器T1的第五引脚分别与变压器T3的第六引脚、二极管V108的正极及电容C111的一端连接，电容C111的另一端分别与二极管V109的负极、二极管V110的正极及电容C113的一端连接，电容C113的另一端分别与二极管V111的负极、二极管V116的正极及电容C120的一端连接，电容C120的另一端分别与二极管V117的负极及电阻R104的一端连接，R104的另一端与电阻R105的一端连接且输出E3-PH信号，电阻R105的另一端与电容C114的一端连接，电容C114的另一端分别与变压器T2的第六引脚、变压器T3的第五引脚及电容C110的一端连接，电容C110的另一端分别与二极管V108的负极、二极管V109的正极及电容C112的一端连接，电容C112的另一端分别与二极管V110的负极、二极管V111的正极及电容C119的一端连接，电容C119的另一端分别与二极管V116的负极及二极管V117的正极连接。

进一步的，电弧时序控制电路中驱动脉冲输出频率为100KHz。

进一步的，高压倍压电路中的三组变压器次级倍压由6000V耐压高压电容及二极管网络组成，用于提高电极棒的空气电离击穿能力。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种强度可控的环形高压电弧发生方法，该发生方法包括以下步骤：

S1、利用初级可调稳压电路进行电压升压，对高压感应整流带来的反馈信号进行输出，并控制放电电弧的强度及稳定度；

S2、将高频变压器升压电路的输入端连至初级可调稳压电路的输出端，并控制变压器的两个初级线圈交替产生相位相反的电流；

S3、通过高压倍压电路中的三组变压器次级倍压实现次级输出的6倍压整流，并提高电极棒的空气电离击穿能力；

S4、在电弧时序控制电路的控制下，并通过三个电极棒实现循环交替交流电弧输出。

本发明的有益效果为：本发明通过分时高压放电控制技术实现了三电极的环形放电，能够在环形电弧的中心高温区域进行石英光纤的熔融，并且可以调节环形电弧强度(即电弧区温度)，可均匀熔融80um至2000um的石英光纤，是设计大芯径熔接机的关键技术之一，且环形三电极间的空气可靠电离击穿并能对其进行精准强度控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器的原理框图；

图2是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中初级可调稳压电路的电路图；

图4是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中高频变压器升压电路的电路图；

图5是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中高压倍压电路的电路图；

图6是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中电极棒产生高温电弧的示意图；

图7是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中三电极环形放电技术的示意图；

图8是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中初级可调稳压电路的原理框图；

图9是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中电弧时序控制电路；

图10是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中电弧脉冲控制时序图；

图11是根据本发明实施例的一种强度可控的环形高压电弧发生器中电极棒的连接示意图。

图中：

1、初级可调稳压电路；2、高频变压器升压电路；3、高压倍压电路；4、电弧时序控制电路。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

根据本发明的实施例，提供了一种强度可控的环形高压电弧发生器及发生方法。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的强度可控的环形高压电弧发生器，该电弧发生器包括初级可调稳压电路1、高频变压器升压电路2、高压倍压电路3及电弧时序控制电路4；初级可调稳压电路1的输出端与高频变压器升压电路2的输入端电连接，高频变压器升压电路2的输出端与高压倍压电路3的输入端电连接，高压倍压电路3的输出端与电弧时序控制电路4的输入端电连接。

其中，初级可调稳压电路1包括芯片U1、运算放大器U2、电感L1、电阻R1、电阻R2、可变电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、可变电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、二极管V1、二极管V2、场效应管V3、稳压二极管V4、三极管V5、对管V6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12；

芯片U1的第一引脚与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端分别与电阻R2、电阻R11的一端及三极管V5的集电极连接，电阻R2的另一端与可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端接地，R11的另一端分别与二极管V1的负极及电容C5的一端连接，二极管V1的正极分别与信号Input2及二极管V2的负极连接，二极管V2的正极与电容C5的另一端连接且接地，三极管V5的基极与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与运算放大器U2的第一引脚连接，运算放大器U2的第三引脚分别与电阻R22及电阻R23的一端连接，电阻R22的另一端与信号Input3连接，R23的另一端接地，运算放大器U2的第四引脚分别与电阻R21及电容C11的一端连接，电阻R21的另一端分别与电容C11的另一端、三极管V5的发射极及电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端接地，运算放大器U2的第五引脚与电容C12的一端连接且8V输入，电容C12的另一端接地，运算放大器U2的第二引脚接地；

芯片U1的第二引脚分别与电阻R7、电容C1、电阻R4及电阻R5的一端连接，电阻R7的另一端分别与电容C1的另一端及芯片U1的第三引脚连接，电阻R4的另一端分别与电阻R6、电容C4、电阻R9、电容C6的一端及芯片U1的第十四引脚连接，R5的另一端接地，电阻R6的另一端与芯片U1的第十五引脚连接，电容C4的另一端分别与电阻R9的另一端、芯片U1的第四引脚及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，电容C6的另一端接地；

芯片U1的第五引脚与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与电阻R14及可变电阻R16的一端连接且接地，可变电阻R16的另一端与电阻R15连接，电阻R15的另一端与芯片U1第六引脚连接，电阻R14的另一端分别与电阻R13、电阻R12的一端及信号Input1连接，电阻R13的另一端与芯片U1的第十六引脚连接，电阻R12的另一端分别与电容C10的一端及稳压二极管V4的负极连接且输出Vout，电容C10的另一端接地，稳压二极管V4的正极分别与电感L1、电容C8的一端及场效应管V3的漏极相连接，电感L1的另一端分别与VCC及电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地，电容C8的另一端与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地，场效应管V3的栅极与电阻R19的一端连接，场效应管V3的源极接地，电阻R19的另一端分别与对管V6的第四引脚及对管V6的第一引脚连接，对管V6的第三引脚分别与电容C7及电阻R18的一端连接，电容C7的另一端接地，电阻R18的另一端8V输入，对管V6的第六引脚接地，对管V6的第五引脚分别与对管V6的第二引脚、芯片U1的第九引脚及芯片U1的第十引脚连接，对管V6的第二引脚与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端接地；

芯片U1的第七引脚接地，芯片U1的第八引脚分别与芯片U1的第十一引脚及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端8V输入；

芯片U1的第十二引脚与电容C3的一端连接且8V输入，电容C3的另一端接地，芯片U1的第十三引脚接地。

其中，如图3所示，初级可调稳压电路1的输入电压为DC9V-15V，初级可调稳压电路1的输出电压为18V-22V，初级可调稳压电路1的最大输出电流为2A。

其中，初级可调稳压电路1中高压感应保护方式为欠高压过流保护，响应时间为100ms。

具体的，初级可调稳压电路1的输出电压控制方式为电压控制，且控制电压为0-2.5V。

具体的，如图8所示，该初级可调稳压电路1中以TL494脉宽调制芯片为核心，以N-MOS驱动LC储能进行电压升压，并通过DA转换器以及Vout输出和高压感应整流带来的反馈信号实现稳定控制，该初级可调稳压电路1能够控制放电电弧的强度和稳定度。具体的，TL494是以两路误差比较运算放大器为基础组成的电压驱动型脉宽调制集成电路，脉宽频率由管脚PIN5、PIN6的外围RC时间常数决定；

该初级可调稳压电路1中的对管V6采用集电极开路并接芯片U1的第九引脚及第十引脚，起到两路运放共同调节脉宽输出的作用，且内部电压基准VREF输出+5V；其中，第一运算放大器的负向输入端PIN2接入VREF的1/2分压为2.5V，正向输入端(PIN1)接入来自于电弧强度控制的D/A转换器输出电压(input3：0-2.5V)及电弧的电磁感应反馈(input2：0-100mV)；

第二运算放大器的负向输入端PIN15接入基准电压+5V，正向输入端(PIN16)接入电压输出Vout的分压[input1：Vout*R14/(R12+R14)]，两路运算放大器叠加输出的脉冲经对管V6驱动连接N沟道场效应管V3，电感L1经过场效应管V3充放电储能升压，然后经稳压二极管V4、电容C10隔离整流滤波后即获得输出电压。

其中，高频变压器升压电路2包括电阻R26、电阻R27、可变电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、可变电阻R41、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、稳压二极管V7、三极管V8、三极管V9、对管V10、场效应管V11、场效应管V12、对管V13、三极管V14、三极管V15、稳压二极管V16、变压器T1；

电阻R26的一端分别与脉冲信号CON1-P及稳压二极管V7的负极连接，稳压二极管V7的正极分别与电阻R28的一端、三极管V8的发射极、三极管V9的发射极、对管V10的第六引脚、场效应管V11的源极及电阻R33的一端连接且接地，电阻R28的另一端分别与电阻R26的另一端及三极管V8的基极连接，三极管V8的集电极分别与电阻R27的一端及三极管V9的基极连接，电阻R27的另一端分别与VCC及电阻R29的一端连接，电阻R29的另一端分别与三极管V9的集电极、对管V10的第五引脚及对管V10的第二引脚连接，对管V10的第三引脚与电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端分别与VCC及电容C13的一端连接，电容C13的另一端接地，对管V10的第四引脚分别与电阻R32的一端及对管V10的第一引脚连接，电阻R32的另一端与场效应管V11的栅极连接，场效应管V11的漏极分别与电容C14的一端及变压器T1的第一引脚连接，电容C14的另一端与电阻R33的另一端连接；

电阻R34的一端分别与脉冲信号CON1-N及稳压二极管V16的负极连接，稳压二极管V16的正极分别与电阻R36的一端、三极管V15的发射极、三极管V14的发射极、对管V13的第六引脚、场效应管V12的源极及电阻R41的一端连接且接地，电阻R36的另一端分别与电阻R34的另一端及三极管的V15的基极连接，三极管V15的集电极分别与电阻R35及电阻R38的一端连接，电阻R38的另一端与三极管V14的基极连接，电阻R35的另一端分别与VCC及电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端分别与三极管V14的集电极、对管V13的第五引脚及对管V13的第二引脚连接，对管V13的第三引脚与电阻R39的一端连接，电阻R39的另一端分别与VCC及电容C16的一端连接，电容C16的另一端接地，对管V13的第四引脚分别与对管V13的第一引脚及电阻R40的一端连接，电阻R40的另一端与场效应管V12的栅极连接，场效应管V12的漏极分别与电容C15的一端及变压器T1的第四引脚连接，电容C15的另一端与电阻R41的另一端连接；

变压器T1的第二引脚分别与变压器T1的第三引脚及VIN端连接，且VIN端与初级可调稳压电路1的输出端连接。

其中，高频变压器升压电路2中的升压变压器由双初级绕组及40倍匝数比单次级绕组设计实现，且双初级绕组输入信号为1/6占空比的交错等间隔脉冲电压。

具体的，如图4所示，该高频变压器升压电路2中的变压器T1由双初级绕组及40倍匝数比单次级绕组设计实现，两初级绕组输入信号为1/6占空比的交错等间隔脉冲电压，次级输出为40倍高压交流脉冲。

该高频变压器升压电路2中VIN表示连至初级可调稳压电路1的输出，CON1-P/CON1-N表示为变压器T1的两个初级绕组控制脉冲，是来自FPGAIO管脚的一对交替脉冲信号；该对脉冲分别经三极管V8及三极管V15、三极管V9及三极管V14，并由0-3.3V脉冲信号转换为0-8V脉冲信号，再经过对管V10及对管V13增加驱动能力控制两个初级线圈的N-MOS的场效应管V11及场效应管V12，控制高压变压器的两个初级线圈交替产生相位相反的电流；

该高频变压器升压电路2的控制脉冲分别标注为：CON1-P、CON1-N；CON2-P、CON2-N；CON3-P、CON3-N。

其中，高压倍压电路3包括变压器T1、变压器T2、变压器T3、二极管V100、二极管V101、二极管V102、二极管V103、二极管V104、二极管V105、二极管V106、二极管V107、二极管V108、二极管V109、二极管V110、二极管V111、二极管V112、二极管V113、二极管V114、二极管V115、二极管V116、二极管V117、电容C100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C107、电容C108、电容C109、电容C110、电容C111、电容C112、电容C113、电容C114、电容C115、电容C117、电容C114、电容C115、电容C116、电容C117、电容C118、电容C119、电阻R100、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105；

变压器T1的第六引脚分别与二极管V100的正极及电容C101的一端连接，电容C101的另一端分别与二极管V101的负极、二极管V102的正极及电容C103的一端连接，电容C103的另一端分别与二极管V103的负极、二极管V112的正极及电容C116的一端连接，电容C116的另一端分别与二极管V113的负极及电阻R100的一端连接，二极管V113的正极分别与二极管V112的负极及电容C115的一端连接，电容C115的另一端分别与二极管V103的正极、二极管V102的负极及电容C102的一端连接，电容C102的另一端分别与二极管V101的正极、二极管V100的负极及电容C100的一端连接，电容C100的另一端分别与电容C104的一端及变压器T1的第五引脚连接，电容C104的另一端与电阻R101的一端连接，电阻R101的另一端与电阻R100的另一端连接且输出E1-PH信号；

变压器T1的第六引脚分别与变压器T2的第五引脚、电容C109及电容C105的一端连接，电容C109的另一端与电阻R103的一端连接，电阻R103的另一端与电阻R102的一端连接且输出E2-PH信号，电阻R102的另一端分别与电容C118的一端及二极管V115的负极连接，电容C118的另一端分别与二极管V114的正极、二极管V107的负极及电容C108的一端连接，电容C108的一端分别与二极管V106的正极、二极管V105的负极及电容C106的一端连接，电容C106的另一端分别与二极管V104的正极及变压器T2的第六引脚连接，二极管V104的负极分别与电容C105、电容C107的一端及二极管V105的正极连接，电容C105的另一端与变压器T2的第五引脚连接，电容C107的另一端分别与二极管V106的负极、二极管V107的正极及电容C117的一端连接，电容C117的另一端分别与二极管V114的负极及二极管V115的正极连接；

变压器T1的第五引脚分别与变压器T3的第六引脚、二极管V108的正极及电容C111的一端连接，电容C111的另一端分别与二极管V109的负极、二极管V110的正极及电容C113的一端连接，电容C113的另一端分别与二极管V111的负极、二极管V116的正极及电容C120的一端连接，电容C120的另一端分别与二极管V117的负极及电阻R104的一端连接，R104的另一端与电阻R105的一端连接且输出E3-PH信号，电阻R105的另一端与电容C114的一端连接，电容C114的另一端分别与变压器T2的第六引脚、变压器T3的第五引脚及电容C110的一端连接，电容C110的另一端分别与二极管V108的负极、二极管V109的正极及电容C112的一端连接，电容C112的另一端分别与二极管V110的负极、二极管V111的正极及电容C119的一端连接，电容C119的另一端分别与二极管V116的负极及二极管V117的正极连接。

具体的，如图5所示，该高压倍压电路3中的三组变压器次级倍压能够实现次级输出的约6倍压整流，并且由6000V耐压高压电容和二极管网络组成，能够提高电极棒的空气电离击穿能力，变压器初级线圈的电压约20V，经40倍匝数比的放大，次级线圈感应电压约为800V，且各自跟随一个6倍压整流电路；

三组变压器分别标注为T1、T2及T3，以变压器T1为例，在变压器T1次级正半周，二极管V100导通，二极管V101截止，V1＝√2VE1；在变压器T1负半周时，二极管V100截止，二极管V101导通，V2＝√2VE2＝2VE1；在变压器T1的第二个正半周，二极管V100、二极管V102导通，二极管V101、二极管V103截止……E1-PH点的电压升至V6约等于6倍VE1后，第一电极棒和第二电极棒之间的空气被电离击穿，两电极棒之间的空气阻抗迅速减小，变压器T1次级主电流将通过电阻R104、电容C101的RC网络输出形成电弧；

三组变压器次级输出分别标注为：E1-N、E1-P；E2-N、E2-P；E3-N、E3-P；

三组变压器次级倍压输出分别标注为：E1-PH、E2-PH、E3-PH。

其中，电弧时序控制电路4中驱动脉冲输出频率为100KHz。

具体的，电弧时序控制电路4由FPGA设计实现，且每路驱动脉冲输出频率为100KHz，脉冲控制的核心代码如下：

parameter Freq＝24’d99；

reg[9：0]counter；

reg[5：0]arc；

always@(posedge CLK or negedge Sys_Rst_n)begin

if(！Sys_Rst_n)

counter<＝0；

arc<＝6'b100000；

else if(counter2＝＝Freq)//根据输入时钟频率调节脉宽周期和占空比

arc[5：0]<＝{arc[4：0]，arc[5]}；

else begin

arc<＝arc；

counter<＝counter+1’b1；

end

end

assign CON1-P＝arc[5]；

assign CON1-N＝arc[2]；

assign CON2-P＝arc[4]；

assign CON2-N＝arc[1]；

assign CON3-P＝arc[3]；

assign CON3-N＝arc[0]；

其中，高压倍压电路3中的三组变压器次级倍压由6000V耐压高压电容及二极管网络组成，用于提高电极棒的空气电离击穿能力。

具体的，如图9-图10所示，在输入时序脉冲控制下，三个电极棒实现两两分时循环放电，实现图7的放电效果。

具体的，如图4、图5、图10及图11所示，根据图10的电弧脉冲控制时序图和图4中的变压器初级线圈驱动连接得知，图5中的三个变压器初级线圈将轮流有电流通过，在变压器T1中，当P11-P10有电流流过(1号脉冲控制)时，次级线圈S0-S产生感应高压，线圈的一端E1-N通过电容C109、电阻R103连接第二电极棒的尖端，线圈的另一端E1-P通过电容C104、电阻R101连接第一电极棒的尖端，第一电极棒和第二电极棒之间的空气被电离击穿后，变压器T1的次级线圈S0-S1通过电容C104、电阻R101、电容C109及电阻R103形成正向电流；当反向绕组P20-P21有电流通过时(4号脉冲控制)，次级线圈S0-S1通过电容C104、电阻R101、电容C109、电阻R103形成反向电流，由此变压器T1产生的高压通过第一电极棒、第二电极棒形成交流电弧，同理脉冲2/5控制的变压器T2产生的高压通过第二电极棒、第三电极棒形成交流电弧，脉冲3/6控制的变压器T3产生的高压通过第三电极棒、第一电极棒形成交流电弧；

通过分时控制，三电极棒实现循环交替交流电弧输出，由于视觉暂留的原因，整体显示为三电弧同时存在并形成环形放电。

如图2所示，根据本发明的另一个实施例，还提供了一种强度可控的环形高压电弧发生方法，该发生方法包括以下步骤：

S1、利用初级可调稳压电路1进行电压升压，对高压感应整流带来的反馈信号进行输出，并控制放电电弧的强度及稳定度；

S2、将高频变压器升压电路2的输入端连至初级可调稳压电路1的输出端，并控制变压器的两个初级线圈交替产生相位相反的电流；

S3、通过高压倍压电路3中的三组变压器次级倍压模块实现次级输出的6倍压整流，并提高电极棒的空气电离击穿能力；

S4、在电弧时序控制电路4的控制下，并通过三个电极棒实现循环交替交流电弧输出。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过分时高压放电控制技术实现了三电极的环形放电，能够在环形电弧的中心高温区域进行石英光纤的熔融，并且可以调节环形电弧强度(即电弧区温度)，可均匀熔融80um至2000um的石英光纤，是设计大芯径熔接机的关键技术之一，且环形三电极间的空气可靠电离击穿并能对其进行精准强度控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，该电弧发生器包括初级可调稳压电路(1)、高频变压器升压电路(2)、高压倍压电路(3)及电弧时序控制电路(4)；

所述初级可调稳压电路(1)的输出端与所述高频变压器升压电路(2)的输入端电连接，所述高频变压器升压电路(2)的输出端与所述高压倍压电路(3)的输入端电连接，所述高压倍压电路(3)的输出端与所述电弧时序控制电路(4)的输入端电连接；

所述初级可调稳压电路(1)包括芯片U1、运算放大器U2、电感L1、电阻R1、电阻R2、可变电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、可变电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、二极管V1、二极管V2、场效应管V3、稳压二极管V4、三极管V5、对管V6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12；

所述芯片U1的第一引脚与所述电阻R1的一端相连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2、所述电阻R11的一端及所述三极管V5的集电极连接，所述电阻R2的另一端与所述可变电阻R3的一端连接，所述可变电阻R3的另一端接地，所述R11的另一端分别与所述二极管V1的负极及所述电容C5的一端连接，所述二极管V1的正极分别与信号Input2及所述二极管V2的负极连接，所述二极管V2的正极与所述电容C5的另一端连接且接地，所述三极管V5的基极与所述电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端与运算放大器U2的第一引脚连接，所述运算放大器U2的第三引脚分别与所述电阻R22及所述电阻R23的一端连接，所述电阻R22的另一端与信号Input3连接，所述R23的另一端接地，所述运算放大器U2的第四引脚分别与所述电阻R21及所述电容C11的一端连接，所述电阻R21的另一端分别与所述电容C11的另一端、所述三极管V5的发射极及所述电阻R25的一端连接，所述电阻R25的另一端接地，所述运算放大器U2的第五引脚与所述电容C12的一端连接且8V输入，所述电容C12的另一端接地，所述运算放大器U2的第二引脚接地；

所述芯片U1的第二引脚分别与所述电阻R7、所述电容C1、所述电阻R4及所述电阻R5的一端连接，所述电阻R7的另一端分别与所述电容C1的另一端及所述芯片U1的第三引脚连接，所述电阻R4的另一端分别与所述电阻R6、所述电容C4、所述电阻R9、所述电容C6的一端及芯片U1的第十四引脚连接，所述R5的另一端接地，所述电阻R6的另一端与所述芯片U1的第十五引脚连接，所述电容C4的另一端分别与所述电阻R9的另一端、所述芯片U1的第四引脚及所述电阻R10的一端连接，所述电阻R10的另一端接地，所述电容C6的另一端接地；

所述芯片U1的第五引脚与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所述电阻R14及所述可变电阻R16的一端连接且接地，所述可变电阻R16的另一端与所述电阻R15连接，所述电阻R15的另一端与所述芯片U1第六引脚连接，所述电阻R14的另一端分别与所述电阻R13、所述电阻R12的一端及信号Input1连接，所述电阻R13的另一端与所述芯片U1的第十六引脚连接，所述电阻R12的另一端分别与所述电容C10的一端及所述稳压二极管V4的负极连接且输出Vout，所述电容C10的另一端接地，所述稳压二极管V4的正极分别与所述电感L1、所述电容C8的一端及所述场效应管V3的漏极相连接，所述电感L1的另一端分别与VCC及所述电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端接地，所述电容C8的另一端与所述电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端接地，所述场效应管V3的栅极与所述电阻R19的一端连接，所述场效应管V3的源极接地，所述电阻R19的另一端分别与所述对管V6的第四引脚及所述对管V6的第一引脚连接，所述对管V6的第三引脚分别与所述电容C7及所述电阻R18的一端连接，所述电容C7的另一端接地，所述电阻R18的另一端8V输入，所述对管V6的第六引脚接地，所述对管V6的第五引脚分别与所述对管V6的第二引脚、所述芯片U1的第九引脚及所述芯片U1的第十引脚连接，所述对管V6的第二引脚与所述电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端接地；

所述芯片U1的第七引脚接地，所述芯片U1的第八引脚分别与所述芯片U1的第十一引脚及所述电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端8V输入；

所述芯片U1的第十二引脚与所述电容C3的一端连接且8V输入，所述电容C3的另一端接地，所述芯片U1的第十三引脚接地；

所述初级可调稳压电路(1)的输入电压为DC9V-15V，所述初级可调稳压电路(1)的输出电压为18V-22V，所述初级可调稳压电路(1)的最大输出电流为2A；

所述初级可调稳压电路(1)中高压感应保护方式为欠高压过流保护。

2.根据权利要求1所述的一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，所述高频变压器升压电路(2)包括电阻R26、电阻R27、可变电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、可变电阻R41、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、稳压二极管V7、三极管V8、三极管V9、对管V10、场效应管V11、场效应管V12、对管V13、三极管V14、三极管V15、稳压二极管V16、变压器T1；

所述电阻R26的一端分别与脉冲信号CON1-P及稳压二极管V7的负极连接，所述稳压二极管V7的正极分别与所述电阻R28的一端、所述三极管V8的发射极、所述三极管V9的发射极、所述对管V10的第六引脚、所述场效应管V11的源极及所述电阻R33的一端连接且接地，所述电阻R28的另一端分别与所述电阻R26的另一端及所述三极管V8的基极连接，所述三极管V8的集电极分别与所述电阻R27的一端及所述三极管V9的基极连接，所述电阻R27的另一端分别与VCC及所述电阻R29的一端连接，所述电阻R29的另一端分别与所述三极管V9的集电极、所述对管V10的第五引脚及所述对管V10的第二引脚连接，所述对管V10的第三引脚与所述电阻R31的一端连接，所述电阻R31的另一端分别与VCC及所述电容C13的一端连接，所述电容C13的另一端接地，所述对管V10的第四引脚分别与所述电阻R32的一端及所述对管V10的第一引脚连接，所述电阻R32的另一端与所述场效应管V11的栅极连接，所述场效应管V11的漏极分别与所述电容C14的一端及所述变压器T1的第一引脚连接，所述电容C14的另一端与所述电阻R33的另一端连接；

所述电阻R34的一端分别与脉冲信号CON1-N及所述稳压二极管V16的负极连接，所述稳压二极管V16的正极分别与所述电阻R36的一端、所述三极管V15的发射极、所述三极管V14的发射极、所述对管V13的第六引脚、所述场效应管V12的源极及所述电阻R41的一端连接且接地，所述电阻R36的另一端分别与所述电阻R34的另一端及所述三极管的V15的基极连接，所述三极管V15的集电极分别与所述电阻R35及所述电阻R38的一端连接，所述电阻R38的另一端与所述三极管V14的基极连接，所述电阻R35的另一端分别与VCC及所述电阻R37的一端连接，所述电阻R37的另一端分别与所述三极管V14的集电极、所述对管V13的第五引脚及所述对管V13的第二引脚连接，所述对管V13的第三引脚与所述电阻R39的一端连接，所述电阻R39的另一端分别与VCC及所述电容C16的一端连接，所述电容C16的另一端接地，所述对管V13的第四引脚分别与所述对管V13的第一引脚及所述电阻R40的一端连接，所述电阻R40的另一端与所述场效应管V12的栅极连接，所述场效应管V12的漏极分别与所述电容C15的一端及所述变压器T1的第四引脚连接，所述电容C15的另一端与所述电阻R41的另一端连接；

所述变压器T1的第二引脚分别与所述变压器T1的第三引脚及VIN端连接，且所述VIN端与所述初级可调稳压电路(1)的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，所述高频变压器升压电路(2)中的升压变压器由双初级绕组及40倍匝数比单次级绕组设计实现，且双初级绕组输入信号为1/6占空比的交错等间隔脉冲电压。

4.根据权利要求3所述的一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，所述高压倍压电路(3)包括所述变压器T1、变压器T2、变压器T3、二极管V100、二极管V101、二极管V102、二极管V103、二极管V104、二极管V105、二极管V106、二极管V107、二极管V108、二极管V109、二极管V110、二极管V111、二极管V112、二极管V113、二极管V114、二极管V115、二极管V116、二极管V117、电容C100、电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C107、电容C108、电容C109、电容C110、电容C111、电容C112、电容C113、电容C114、电容C115、电容C117、电容C114、电容C115、电容C116、电容C117、电容C118、电容C119、电阻R100、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105；

所述变压器T1的第六引脚分别与所述二极管V100的正极及所述电容C101的一端连接，所述电容C101的另一端分别与所述二极管V101的负极、所述二极管V102的正极及所述电容C103的一端连接，所述电容C103的另一端分别与所述二极管V103的负极、所述二极管V112的正极及所述电容C116的一端连接，所述电容C116的另一端分别与所述二极管V113的负极及所述电阻R100的一端连接，所述二极管V113的正极分别与所述二极管V112的负极及所述电容C115的一端连接，所述电容C115的另一端分别与所述二极管V103的正极、所述二极管V102的负极及所述电容C102的一端连接，所述电容C102的另一端分别与所述二极管V101的正极、所述二极管V100的负极及所述电容C100的一端连接，所述电容C100的另一端分别与所述电容C104的一端及所述变压器T1的第五引脚连接，所述电容C104的另一端与所述电阻R101的一端连接，所述电阻R101的另一端与所述电阻R100的另一端连接且输出E1-PH信号；

所述变压器T1的第六引脚分别与所述变压器T2的第五引脚、所述电容C109及所述电容C105的一端连接，所述电容C109的另一端与所述电阻R103的一端连接，所述电阻R103的另一端与所述电阻R102的一端连接且输出E2-PH信号，所述电阻R102的另一端分别与所述电容C118的一端及所述二极管V115的负极连接，所述电容C118的另一端分别与所述二极管V114的正极、二极管V107的负极及所述电容C108的一端连接，所述电容C108的一端分别与所述二极管V106的正极、所述二极管V105的负极及所述电容C106的一端连接，所述电容C106的另一端分别与所述二极管V104的正极及所述变压器T2的第六引脚连接，所述二极管V104的负极分别与所述电容C105、所述电容C107的一端及所述二极管V105的正极连接，所述电容C105的另一端与所述变压器T2的第五引脚连接，所述电容C107的另一端分别与所述二极管V106的负极、所述二极管V107的正极及所述电容C117的一端连接，所述电容C117的另一端分别与所述二极管V114的负极及所述二极管V115的正极连接；

所述变压器T1的第五引脚分别与所述变压器T3的第六引脚、所述二极管V108的正极及所述电容C111的一端连接，所述电容C111的另一端分别与所述二极管V109的负极、所述二极管V110的正极及所述电容C113的一端连接，所述电容C113的另一端分别与所述二极管V111的负极、所述二极管V116的正极及所述电容C120的一端连接，所述电容C120的另一端分别与所述二极管V117的负极及所述电阻R104的一端连接，所述R104的另一端与所述电阻R105的一端连接且输出E3-PH信号，所述电阻R105的另一端与所述电容C114的一端连接，所述电容C114的另一端分别与所述变压器T2的第六引脚、所述变压器T3的第五引脚及所述电容C110的一端连接，所述电容C110的另一端分别与所述二极管V108的负极、所述二极管V109的正极及所述电容C112的一端连接，所述电容C112的另一端分别与所述二极管V110的负极、所述二极管V111的正极及所述电容C119的一端连接，所述电容C119的另一端分别与所述二极管V116的负极及所述二极管V117的正极连接。

5.根据权利要求4所述的一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，所述电弧时序控制电路(4)中驱动脉冲输出频率为100KHz。

6.根据权利要求5所述的一种强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，所述高压倍压电路(3)中的三组变压器次级倍压由6000V耐压高压电容及二极管网络组成，用于提高电极棒的空气电离击穿能力。

7.一种强度可控的环形高压电弧发生方法，用于实现权利要求1-6中任一项所述的强度可控的环形高压电弧发生器，其特征在于，该发生方法包括以下步骤：

S1、利用初级可调稳压电路进行电压升压，对高压感应整流带来的反馈信号进行输出，并控制放电电弧的强度及稳定度；

S2、将高频变压器升压电路的输入端连至初级可调稳压电路的输出端，并控制变压器的两个初级线圈交替产生相位相反的电流；

S3、通过高压倍压电路中的三组变压器次级倍压实现次级输出的6倍压整流，并提高电极棒的空气电离击穿能力；

S4、在电弧时序控制电路的控制下，并通过三个电极棒实现循环交替交流电弧输出。