CN2724358Y - 用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源 - Google Patents
用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种驱动连续氪灯的电源。用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源,交流电经整流桥整流,电容(C0)滤波后,给主电源提供直流电源,由绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)、滤波电感(L)、电容(C1)、续流二极管(D1)组成串联开关调制电源主电路;滤波电感(L)、点火线圈(BT2)的输出端与氪灯相连;其特征是:绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)与驱动模块(EXB841)的脚(1)、脚(3)、脚(6)相连接,驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)与单片机控制电路的插座(CZ4)相连接,单片机控制电路的由插座(CZ3)继电器线圈的驱动单元(GD1、GD2、GD3)相连接。它具有稳定性好、工作电流范围值大的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电源,具体涉及一种驱动连续氪灯的电源,用于标刻、焊接等领域。
背景技术
目前,连续氪灯泵浦的YAG激光器,正广泛应用于打标、刻线、划片、焊接等领域。针对不同的应用,其激光系统的组成和驱动连续氪灯的激光电源是不相同的。在驱动连续氪灯的电源中,大部分都是采用IGBT开关作PWM调制的开关电源。它们作用于激光氪灯上的电流波形是一条连续的直线,如图1,主电路原理图如图2。从原理图上看是串联调压式开关电源。由于控制量是灯上的电流,实际上就是恒流电源。调节给定的电流量,就可以实现对激光能量或功率的调节。这种电源的控制电路通常采用专用集成电路如TL494、SG3525、VC3842等。工作电流一般设定在8A~30A。对于某种规格的氪灯而言,其最大注入功率是一定的。电流太大就有炸灯的危险,同时由于专用PWM集成电路的控制方式存在局限性,其控制电流的调节范围也不能太大,那样会降低电源的稳定性。所以这种电源驱动的激光器,只能工作在低峰值的连续状态,其氪灯上的瞬时电流就是平均电流。对应输出的激光能量或功率也处于低峰值的连续状态。
另外,在驱动连续氪灯的电源中,还有一种用可控硅作移相调压的电源,它们作用于激光氪灯上的的电流波形是一组脉冲,如图3,主电路原理图如图4。由上图可以看出,改变可控硅的导通角,可调节电路的输出电压,从而改变氪灯上的的电流,达到调节激光功率的目的。由于工业用电是50Hz,在单相整流后,电源脉冲频率是100Hz,并且只能是100Hz。通过移相调压调功率,不能调频调功。通过从原理上看,这种电源的稳定性是比前者差的,但灯上的瞬时电流即脉冲的峰值电流可达50A~60A。因此这种电源驱动的激光器相对来说是工作在高峰值脉冲状态下的,相比前一种电源在相同的平均电流下,其出光效率要高一些,在低电流下尤其明显。
发明内容
针对上述不足,本实用新型的目的在于提供一种稳定性好、工作电流范围值大的用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源。
为了实现上述目的,本实用新型的技术方案是:用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源,继电器J1一端与交流电相连,继电器J1另一端经整流桥整流,电容C0滤波后,给主电源提供直流电源,由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C1、续流二极管D1组成串联开关调制电源主电路;继电器J3、高压变压器BT1、整桥流QL2、滤波电容C3、分压电阻R1、继电器J2、分压电阻R2、放电电容C4、点火线圈BT2组成高压触发电路;继电器J1、继电器J2、继电器J3分别与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3的输出端相连接,电容C1、电容C0与点火线圈BT2之间设有隔离二极管D2,滤波电感L、点火线圈BT2的输出端与氪灯相连;其特征是:绝缘栅型场效应晶体管IGBT与驱动模块EXB841的脚1、脚3、脚6相连接,驱动模块EXB841的脚14、脚15与单片机控制电路的插座CZ4相连接,单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3相连接。
单片机控制电路包括二单片机芯片87C51(U8和U6),单片机芯片U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与按键显示电路的插座CZ1相连,U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放0P37在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压,电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入,在比较器LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压,当电流传感器的信号电压高于给定电压时,比较器的输出信号去触发D触发器74LS74翻转,关断绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动信号,单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块EXB841的脚14、脚15相连接,驱动模块EXB841由脚1、脚3、脚6与绝缘栅型场效应晶体管IGBT相连接,二单片机芯片U6通过P1.1口线与D触发器74LS74的CL端相连;单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3相连接。
本实用新型采用单片机控制电路,具有稳定性好、工作电流范围值大的特点。在连续恒流模式下,通过D/A转换器送出稳定的相应于8A~30A电流的给定电压,使电源工作在8A~30A的恒流模式下。在脉冲调制模式下,通过D/A转换,以用户设定的某个频率、脉宽、电路峰值送出变化的给定电压,使电源工作在脉冲模式下或者说电流的脉动状态下,脉冲调制频率必须远远低于电源本身的开关频率20KHz。目前本电源的脉冲频率暂定为250Hz、脉宽2ms、电流峰值30A~60A。在规定的参数限额内,用户以所设置的参数运行,是不会造成氪灯的损害的,其稳定性好。
附图说明
图1是现有的恒流模式电源(IGBT开关作PWM调制的开关电源)的电流波形图
图2是现有的恒流模式电源(IGBT开关作PWM调制的开关电源)的主电路原理图
图3是现有的脉冲模式电源(可控硅作移相调压的电源)的电流波形图
图4是现有的脉冲模式电源(可控硅作移相调压的电源)的主电路原理图
图5是本实用新型在脉冲调制模式下的电流波形图
图6是本实用新型的主电路原理图
图7是本实用新型的单片机控制电路原理图
图8是本实用新型的按键显示电路原理图
具体实施方式
如图6所示,用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源,继电器J1一端与交流电相连,继电器J1另一端经整流桥整流,电容C0滤波后,给主电源提供直流电源,由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C1、续流二极管D1组成串联开关调制电源主电路;继电器J3、高压变压器BT1、整桥流QL2、滤波电容C3、分压电阻R1、继电器J2、分压电阻R2、放电电容C4、点火线圈BT2组成高压触发电路;继电器J1、继电器J2、继电器J3分别与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3的输出端相连接,电容C1、电容C0与点火线圈BT2之间设有隔离二极管D2,滤波电感L、点火线圈BT2的输出端与氪灯相连;其特征是:绝缘栅型场效应晶体管IGBT与驱动模块EXB841的脚1、脚3、脚6相连接,驱动模块EXB841的脚14、脚15与单片机控制电路的插座CZ4相连接,单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3相连接。
如图7所示,单片机控制电路包括二单片机芯片87C51(U8和U6),单片机芯片U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与按键显示电路的插座CZ1相连,U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放OP27在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压,电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入,在比较器LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压,当电流传感器的信号电压高于给定电压时,比较器的输出信号去触发D触发器74LS74翻转,关断绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动信号,单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块EXB841的脚14、脚15相连接,驱动模块EXB841由脚1、脚3、脚6与绝缘栅型场效应晶体管IGBT相连接,二单片机芯片U6通过P1.1口线与D触发器74LS74的CL端相连;单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD1、GD2、GD3相连接。
在恒流连续电源的基础上,开发出脉冲调制功能。使其既可以工作在连续状态下,又可以工作在脉冲状态下。并且在二种工作模式下,其作用于连续氪灯上的平均功率低于氪灯上允许的最大功率。为此,电源设定二种工作模式,即恒流连续模式和脉冲调制模式。当工作在连续恒流方式时,其工作模式与普通的恒流电源相同,其电源的平均功率与峰值瞬时功率相等,电流的工作范围是8A~30A。对单灯工作而言,通常灯电流在8A~10A时是没有激光产生的,一般情况下要到14A左右激光器才会有激光输出,也就是说激光输出对电流而言是有阈值的。电流越高,其激光峰值功率越大。对于一个φ6×100的连续氪灯最大输出功率在3500W左右。对应的最大电流就在30A左右。在连续工作模式下最大电流就是30A。低于出光阈值的电流称为休眠电流。一般设定为8A。
当电源工作在脉冲调制模式下时,其电流的瞬时值是变化的。控制电流波形如图5。
I0为灯的休眠电流,通常为6A~8A。I1为峰值电流。实际上电源输出的电流是一串峰值为I1,脉宽为t,频率为f的脉冲。I1电流值远远大于平均电流,为30A~60A甚至更大(只要灯容许)。由于灯的最大注入功率是一定的,因此用户设定的I1、t和f是有限的。在不同的I1、t、f的组合下,满足式:
I1 2R×t×f+I02R(1/f-t)×f≤Pmax(注入)(1)
则电源可以安全运行。
(R:灯电阻 f:脉冲频率 t:脉宽 Pmax:灯的最大功率)
这种控制方式是集成专用PWM电路上无法实现的,必须用单片机电路实现控制。二种模式下的工作方式,将大大延伸这种电源的应用领域。
现将工作原理说明如下:
本实用新型的主电路原理图如图6所示,
单相动力交流电经整流桥整流,电容C0滤波后,给主电源提供直流电源。(在这里如果用三相电,就用三相整流桥)。IGBT是绝缘栅型场效应晶体管,起调制开关作用。由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C1、续流二极管D组成串联开关调制电源主电路。由单片机控制单元提供一个10mA电流,控制绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动模块EXB841来驱动IGBT开关。当其导通时,电流经氪灯、电感L形成回路,且不断增加,同时给C1充电,当达到一定的电流后如给定电流值,控制IGBT开关断开。由于电感上的电流不能突变,电流就沿续流二极管D1续流回去。这时是给C1放电,氪灯及电感L上电流开始减少,一定时间后,IGBT又导通。这样周而复始,使电流波动在某个范围内。由于C1的滤波作用,IGBT以20KHz的开关频率调制,在氪灯上近似形成一个连续平稳的电流。其闭环控制的电流取样为LEM电流传感器,单片机控制单元将电流传感器LEM的取样信号与用户输入的电流值给定信号进行比较。用其差值控制相应的绝缘栅型场效应晶体管IGBT开关占空比,达到控制灯上的电流的目的。控制电流的范围为6A~60A,电流传感器LEM的取样范围为0~75A,IGBT开关调制频率为20KHz。由于电流的工作范围大,电感L必须在60A下保证电感量在0.5~0.7MH。不饱和,保证其线性,才能使电路稳定工作。其占空比的变化范围也是非常大的。单片机的控制单元将在后面说明。
高压变压器BT1、整流桥QL2、滤波电容C3、分压电阻R1、分压电阻R2、放电电容C4、点火线圈BT2组成高压触发电路。GD1、GD2、GD3为单片机控制继电器线圈的驱动单元。工作过程如下:
开机后,由单片机控制J1继电器吸合,给主电源回路通电,绝缘栅型场效应晶体管IGBT驱动电路EXB841在单片机控制下进入开关调制状态。开始时由于氪灯内的气体未激发,两电极间的电阻无穷大,因而在主回路中没有电流通过。LEM检测的电流为零,IGBT以最大的占空比开关工作。高压变压器BT1这边产生的高压,经整流桥QL2整流滤波后一路通过点火线圈BT2的次级线圈加在灯上,另一路经分压电阻R1、分压电阻R2分压后在C4上充入约600V~700V的电压,这时候单片机控制继电器J2吸合。放电电容C4通过继电器J2的触头,点火线圈BT2的初级线圈放电,因而在点火线圈BT2的次级上产生约30000V左右的高压,因此氪灯中的气体被击穿,产生弧光放点,又由于主回路的、IGBT处在工作状态,因而主回路立刻开始工作,约1秒钟后电路处于稳定状态,随后单片机控制继电器J3吸合,其常闭触电J3断开高压电路,继电器J2触点返回,高压点火电路退出工作,主回路正常运行。D2是隔离二极管,用于阻止在点火前的高压电路对电容C1、电容C0充高压。以上是主电路的工作过程。
下面简述单片机控制电路的工作原理,原理图如图7、图8所示,
从图中可以看出,其控制核心是二片87C51单片机芯片U8和U6。U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与图8中的按键显示电路相连以建立人机联系通道。U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放OP27在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压,电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入,在LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压,当电流传感器的信号电压高于给定电压时,比较器的输出信号去触发74LS74翻转,关断IGBT的驱动信号(通过CZ4送出)。使每个周波的电流上升值不超过给定电流值。达到稳定恒流的目的。U6 87C51的作用在于控制IGBT的调制周期。当IGBT导通时,电流上升。超过给定值时,LM393触发74LS74翻转,关断IGBT,电流开始下降,一定时间后,U6 87C51通过P1.1口线送低电平至74LS74的CL端,将其输出Q清零。IGBT重新导通。本电路U6的控制周期在20KHz.。U6的作用还兼顾所有继电器的驱动及水压、过流检测等工作。当发生故障情况时,U6的INT0、INT1处于低电平,立刻触发中断。中断后首先通过P1.3送高电平,经74LS74的PR端将其置位。关断IGBT。接着将P1.0、P1.4、P1.5送高电平关断相应的继电器。接继电器控制单元的输出线经CZ3插座送出。其中CJ代表主回路中的J1、FIRE代表J2、OUTPOWER代表J3,CZ1是LEM的输入信号插座;脚1接LEM上的+;脚2接LEM上的M;脚3接LEM上的-。CZ4输出驱动IGBT驱动模块EXB841的10mA开关信号。
按键显示电路如图8。整个面板的显示和按键都是通过单片机U8 P0和P2口控制的。P0口控制显示,低四位输出BCD码,一路经4511驱动数码管的段显示,另一路通过U15、U16、74LS75驱动发光二极管作相应的状态显示如脉冲模式、恒流模式、水温、水压故障告警等。P0口的高四位输出至74LS138译码,作数码管的位控选择,六位数码管在不同的工作模式下,显示不同的参数意义。U8的P2口控制按键的输入,各种参数的输入给定,二种工作模式的切换及开机高压点灯等动作均由按键设置输入。在连续工作模式下,单片机U8的内部程序限定了用户所设置的最高工作电流和最低休眠电流。在脉冲工作模式下,U8的内部程序确定了最高功率与峰值电流及脉冲频率关系的算法。对于不同尺寸的氪灯,功率差别很大,因此其电源驱动不同的氪灯时,其最高限额是不同的。
再此重述一下U8的工作过程,在连续恒流模式下,通过D/A转换器送出稳定的相应于8A~30A电流的给定电压,使电源工作在8A~30A的恒流模式下。在脉冲调制模式下,通过D/A转换,以用户设定的某个频率、脉宽、电路峰值送出变化的给定电压,使电源工作在脉冲模式下或者说电流的脉动状态下,脉冲调制频率必须远远低于电源本身的开关频率20KHz。目前本电源的脉冲频率暂定为250Hz、脉宽2ms、电流峰值30A~60A。在规定的参数限额内,用户以所设置的参数运行,是不会造成氪灯的损害的。其U8中算法的依据为前面的算式(1)。
Claims (2)
1.用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源,继电器(J1)一端与交流电相连,继电器(J1)另一端经整流桥整流,电容(C0)滤波后,给主电源提供直流电源,由绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)、滤波电感(L)、电容(C1)、续流二极管(D1)组成串联开关调制电源主电路;继电器(J3)、高压变压器(BT1)、整桥流(QL2)、滤波电容(C3)、分压电阻(R1)、继电器(J2)、分压电阻(R2)、放电电容(C4)、点火线圈(BT2)组成高压触发电路;继电器(J1)、继电器(J2)、继电器(J3)分别与继电器线圈的驱动单元(GD1、GD2、GD3)的输出端相连接,电容(C1)、电容(C0)与点火线圈(BT2)之间设有隔离二极管(D2),滤波电感(L)、点火线圈(BT2)的输出端与氪灯相连;其特征是:绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)与驱动模块(EXB841)的脚(1)、脚(3)、脚(6)相连接,驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)与单片机控制电路的插座CZ4相连接,单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元(GD1、GD2、GD3)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源,其特征是:单片机控制电路包括二单片机芯片(U8、U6),单片机芯片(U8)的P0口线和P2口线通过插座(CZ7)与按键显示电路的插座(CZ1)相连,单片机芯片(U8)的P1口线通过D/A转换芯片(DAC0832)及运放(OP27)在比较器(LM393)的负输入端建立一个给定电压,电流传感器(LEM)的输入信号由插座(CZ1)输入,在比较器(LM393)正输入端建立一个电流反馈信号电压,当电流传感器的信号电压高于给定电压时,比较器的输出信号去触发D触发器(74LS74)翻转,单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)相连接,驱动模块(EXB841)由脚(1)、脚(3)、脚(6)与绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)相连接,二单片机芯片(U6)通过P1.1口线与D触发器(74LS74)的CL端相连;单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元(GD1、GD2、GD3)相连接。
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