CN203858030U - 便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，电路中的单片机控制电路分别与反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路连接，反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路分别与脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯放电电路与光强检测电路连接，光强检测电路与单片机控制电路连接。本实用新型通过反激式升压原理，将充电电容充电到300V，通过控制IGBT的通断达到控制脉冲氙灯放电电路，脉冲氙灯闪光光强由滤光片衰减后通过光强检测电路，经采集和检测，可用于对设计的电源和所应用的脉冲氙灯性能检测。使用时脉冲氙灯不需预热，闪光频率和脉宽可控。本电路原理简单，体积小，成本低，电路性能稳定、充电速度快、输出电压稳定性好。

Description

便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路

技术领域

本实用新型涉及一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，具体地说是一种通过反激式升压原理，将充电电容充到300V，通过控制IGBT的通断达到控制脉冲氙灯放电电路，脉冲氙灯闪光光强通过滤光片衰减后经光强检测电路采集，可用于对设计的电源和所应用的脉冲氙灯性能检测。

背景技术

现有的便携式光谱仪光源一般为氘灯、钨灯、碘钨灯、氢灯等，波长范围窄，测量不同物质需要换用不同类型灯，使用前需要预热，因此应用中多有不便。

为了提高光谱仪用光源的通用性，简化应用操作，必须研究与设计新型灯源和相应配套的驱动电源。由于脉冲氙灯波长范围宽，发光能量大，脉冲闪光效率高等一系列优点，成为新型光谱仪用灯源的最佳选择，因此设计一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源具有重要意义与实用价值。但设计便携式光谱仪用脉冲氙灯电源，需要解决以下几个技术要求：一是储能电容充电速度快；二是电源输出电压稳定性好；三是脉冲氙灯闪光频率和脉宽可控。

发明内容

本实用新型的目的为了解决现有技术中光谱仪用光源不能通用给光谱仪带来的不便，而提供了一种结构简单、充电速度快、性能稳定，能够驱动小功率脉冲氙灯闪光，并能控制闪光频率和脉宽，适用于便携式光谱仪用脉冲氙灯的电源及光强检测电路，且光强检测电路可以同步采集脉冲氙灯闪光光强信息，用于分析设计的电源电路的性能。

本实用新型为了实现上述目的，所采用的技术方案为：提供一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，包括单片机控制电路、反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路、脉冲氙灯放电电路、光强检测电路,所述的单片机控制电路分别与反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路连接，反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路分别与脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯放电电路与光强检测电路连接，光强检测电路与单片机控制电路连接；所述的单片机控制电路用于控制PWM控制电路及控制ADC模数转换电路。

所述的单片机控制电路采用STM32芯片，STM32芯片内置PWM控制电路、ADC模数转换电路和UART串口，PWM控制电路用于控制单片机输出PWM波的频率和占空比，ADC模数转换电路用于采集电压信号实现光强的检测，UART串口用于与上位机进行通信。

本实用新型的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，升压电路将12V电压升高到300V并将能量存储在充电电容C6里，电容充电控制电路U1采用LT3751-UFD芯片，通过控制脉冲氙灯放电回路中的IGBT的通断，实现脉冲氙灯的闪光放电，脉冲氙灯的闪光光强通过滤光片衰减后被光强检测电路同步采集，实现对设计的电源性能的分析。

所述的光强检测电路采用高速光电二极管D9，经运放U3作信号变换后被单片机内部最高采样频率1MHz的ADC电路采集，经串口将数据传送到上位机保存，用于对电源电路和脉冲氙灯闪光性能的分析。为保证采集信号的完整性，脉冲氙灯闪光触发与ADC信号采集采用同步触发的方式实现。

本实用新型的光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路与现有技术相比有以下优点：

1、本实用新型的电路原理简单，体积小，成本低。本实用新型中升压电路采用反激式升压电路，具有体积小、工作电路外围器件少，结构简单，适合于小功率电容充电电路。所用的高频变压器参数根据LT3751-UFD芯片工作方式、所用电容、脉冲氙灯闪光频率等共同确定，可根据需要简单地调节外部电阻和高频变压器的匝数比就可以实现输出电压的调节。

2、本实用新型的电路脉冲氙灯闪光频率和脉宽可控。应用STM32单片机输出可控占空比的PWM波控制IGBT的通断，实现控制脉冲氙灯放电回路，应用STM32单片机编程灵活，控制简单，可同时控制脉冲氙灯的闪光频率和闪光脉宽。

3、本实用新型的电路使用时脉冲氙灯不需预热，即开即用。所述的脉冲氙灯采用外部触发方式，闪光前应用特斯拉线圈瞬间产生8KV左右的高压，8KV高压加在脉冲氙灯触发丝上脉冲氙灯被电离，阴阳两极在300V的作用下就放电闪光。

4、本实用新型的电路采用脉冲氙灯作为便携式光谱仪用光源，光强大，脉冲式闪光比连续光源效率高。

5、本实用新型的电路电路性能稳定、充电速度快、输出电压稳定性好。

附图说明

图1为本实用新型便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路的结构框图。

图2为本实用新型提供的反激式升压电路图。

图3为本实用新型提供的脉冲氙灯触发及放电电路图。

图4为本实用新型提供的光强检测电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。但是本实用新型的保护范围并不局限于以下实施例。

实施例1：本实用新型提供的一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其结构框图如图1所示，包括单片机控制电路、反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路、脉冲氙灯放电电路、光强检测电路；所述的单片机控制电路分别与反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路连接，反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路分别与脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯放电电路与光强检测电路连接，光强检测电路与单片机控制电路连接。

如图2所示，本实用新型所述的反激式升压电路设有外部开关电源POWER1、检测高频变压器T1、MOS管Q1和电容充电控制电路U1，其中电容充电控制电路U1采用LT3751-UFD芯片；外部开关电源提供12V电压，POWER1的1端接地，2端连接开关S1，开关S1通过并联的C1和C2接地，开关S1连接检测高频变压器T1的1端，T1的1、2端与串接的电容C3和D1并联，T1的1、2端还与串接的电阻R1和R2并联，T1的2端与场效应管Q1的漏极连接,Q1的源极经电阻R3接地，T1的3端经过D2后接检测电容C6接地，T1的4端接地，D2的2端还通过串接的电阻R5和R6接地，电阻R6与电容C5并联，电阻R5和R6中间的FB端与电容充电控制电路LT3751-UFD芯片U1相连，LT3751-UFD芯片U1的OUT端与MOS管Q1的栅极连接，电容充电控制电路U1用于控制反激式升压电路中的电容C6快速充电升压至300V。

参见图3，本实用新型所述的脉冲氙灯放电电路与脉冲氙灯触发电路连接，脉冲氙灯放电电路设有特斯拉线圈T2和脉冲氙灯F1，特斯拉线圈T2的1端连接300V电源，T2的1端同时通过电容C7后接地，T2的1端还通过D5与电阻R7并联后与脉冲氙灯F1的1端连接，特斯拉线圈T2的2端与4端连接后与脉冲氙灯F1的2端连接，特斯拉线圈T2的2端与4端还与脉冲氙灯触发电路的Q2的2端连接，特斯拉线圈T2的副边3、4端分别连接脉冲氙灯F1的3、2端，脉冲氙灯F1的1端连接300V电源。

参见图3，所述的脉冲氙灯触发电路分别与单片机控制电路、脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯触发电路设有驱动芯片U2和绝缘栅双极型晶体管Q2，即IGBT，U2采用FAN3121驱动芯片，U2的第1引脚VDD通过电容C8接地，同时第1、8引脚与VCC连接；U2的第2引脚IN连接电阻R8，U2的第3引脚EN与单片机连接，U2的第4、5引脚GND接地，U2的第6、7引脚相连后通过电阻R9接地；U2的第6、7引脚还通过并联的电阻R10、R11与Q2的门级连接，Q2的发射极接地，Q2的集电极通过D8接地，Q2的集电极通过并联的D6、D7后串接并联的C9、C10、C11、C12再接地，并联的D6、D7与并联的C9、C10、C11、C12之间的连接点与300V电源连接。

参见图4，本实用新型所述的光强检测电路分别与脉冲氙灯放电电路和单片机控制电路连接，设有高速光电二极管D9、运算放大器U3和外围电阻R12；高速光电二极管D9两端与U3的2、3端连接，运算放大器U3的3、4端接地，U3的7端连接3.3V的电源，U3的6端连接STM32单片机的ADC，光强检测电路用于实现光强的检测。

本实用新型的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其工作过程是：

1、由单片机控制电路输出PWM波控制充电电容充电和调节脉冲氙灯闪光频率和脉宽。反激式升压电路通过电容充电控制电路U1控制充电电容C6的电压，只需设置电容充电控制电路U1外围的电阻和高频变压器T1的参数，即可控制充电电容C6的电压，在设定外围的电阻和高频变压器的参数后，可通过控制MOS管Q1的通断，实现控制充电电容C6两端的电压值，并且会通过检测高频变压器T1原边感应电压确定副边充电电容C6电压是否到达设定电压值。在图2中的电容C6充电时，图3中电容C7也被充电到相同的电压值。其中图2与图3中的电容C6为同一元件。

2、当单片机控制电路输出的PWM波通过控制图3中的脉冲氙灯触发电路，FAN3121驱动芯片U2实现控制IGBT(Q2)导通时，特斯拉线圈T2在C7电容电压作用下副边感应出8KV左右的脉冲高压，脉冲高压作用在脉冲氙灯F1的触发丝上将脉冲氙灯电离，脉冲氙灯导电通道形成。脉冲氙灯F1两极在C6电容中300V电压作用下，脉冲氙灯闪光放电，当PWM波控制IGBT(Q2)关断或是电容C6中电压不足以支持脉冲氙灯闪光时，脉冲氙灯F1熄灭，完成一个闪光周期。图2中R5和R6中间FB端与电容充电控制电路U1相连，使电容充电控制电路U1更准确地检测电容C6充电电压。

3、光强检测电路如图4所示，光强检测是将经过滤光片衰减的脉冲氙灯光强经高速光电二极管D9转换为电流信号，再经过运放电路U3将电流信号转换为电压信号，电压信号被单片机控制电路内部ADC电路采集转换为数字信号，然后经单片机串口传送到上位机保存。通过调节运放外围电阻R12的阻值调节光强采集电路的灵敏度。

本实用新型的电路原理简单，体积小，成本低，电路性能稳定、充电速度快、输出电压稳定性好。采用脉冲氙灯作为光源，光强大，脉冲式闪光比连续光源效率高，使用时脉冲氙灯不需预热，即开即用，闪光频率和脉宽可控。

Claims (6)

1.一种便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，包括单片机控制电路、反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路、脉冲氙灯放电电路和光强检测电路,其特征在于：所述的单片机控制电路分别与反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路连接，反激式升压电路、脉冲氙灯触发电路分别与脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯放电电路与光强检测电路连接，光强检测电路与单片机控制电路连接；所述的单片机控制电路用于控制PWM控制电路及控制ADC模数转换电路。

2.根据权利要求1所述的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其特征在于：所述的单片机控制电路采用STM32芯片，STM32芯片内置PWM控制电路、ADC模数转换电路和UART串口，PWM控制电路用于控制单片机输出PWM波的频率和占空比，ADC模数转换电路用于采集电压信号实现光强的检测，UART串口用于与上位机进行通信。

3.根据权利要求1所述的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其特征在于：所述的反激式升压电路设有外部开关电源POWER1、检测高频变压器T1、MOS管Q1和电容充电控制电路U1，其中电容充电控制电路U1采用LT3751-UFD芯片；外部开关电源提供12V电压，POWER1的1端接地，2端连接开关S1，开关S1通过并联的C1和C2接地，开关S1连接检测高频变压器T1的1端，T1的1、2端与串接的电容C3和D1并联，T1的1、2端还与串接的电阻R1和R2并联，T1的2端与场效应管Q1的漏极连接,Q1的源极经电阻R3接地，T1的3端经过D2后接检测电容C6接地，T1的4端接地，D2的2端还通过串接的电阻R5和R6接地，电阻R6与电容C5并联，电阻R5和R6中间的FB端与电容充电控制电路LT3751-UFD芯片U1相连，LT3751-UFD芯片U1的OUT端与MOS管Q1的栅极连接，电容充电控制电路U1用于控制反激式升压电路中的电容C6快速充电升压至300V。

4.根据权利要求1所述的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其特征在于：所述的脉冲氙灯放电电路与脉冲氙灯触发电路连接，脉冲氙灯放电电路设有特斯拉线圈T2和脉冲氙灯F1，特斯拉线圈T2的1端连接300V电源，T2的1端同时通过电容C7后接地，T2的1端还通过D5与电阻R7并联后与脉冲氙灯F1的1端连接，特斯拉线圈T2的2端与4端连接后与脉冲氙灯F1的2端连接，特斯拉线圈T2的2端与4端还与脉冲氙灯触发电路的Q2的2端连接，特斯拉线圈T2的副边3、4端分别连接脉冲氙灯F1的3、2端，脉冲氙灯F1的1端连接300V电源。

5.根据权利要求1所述的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其特征在于：所述的脉冲氙灯触发电路分别与单片机控制电路、脉冲氙灯放电电路连接，脉冲氙灯触发电路设有驱动芯片U2和绝缘栅双极型晶体管Q2，即IGBT，U2采用FAN3121驱动芯片，U2的第1引脚VDD通过电容C8接地，同时第1、8引脚与VCC连接；U2的第2引脚IN连接电阻R8，U2的第3引脚EN与单片机连接，U2的第4、5引脚GND接地，U2的第6、7引脚相连后通过电阻R9接地；U2的第6、7引脚还通过并联的电阻R10、R11与Q2的门级连接，Q2的发射极接地，Q2的集电极通过D8接地，Q2的集电极通过并联的D6、D7后串接并联的C9、C10、C11、C12再接地，并联的D6、D7与并联的C9、C10、C11、C12之间的连接点与300V电源连接。

6.根据权利要求1所述的便携式光谱仪用脉冲氙灯电源及光强检测电路，其特征在于：所述的光强检测电路分别与脉冲氙灯放电电路和单片机控制电路连接，设有高速光电二极管D9、运算放大器U3和外围电阻R12；高速光电二极管D9两端与U3的2、3端连接，运算放大器U3的3、4端接地，U3的7端连接3.3V的电源，U3的6端连接STM32单片机的ADC，光强检测电路用于实现光强的检测。