新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源的研制

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子技術(shù)的發(fā)展，道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機(jī)、高速攝像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，其中高速攝像機(jī)主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進(jìn)行圖像采集。然而在使用高速攝像機(jī)時(shí)，大多數(shù)檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強(qiáng)度較低，在實(shí)際使用時(shí)往往需要增加曝光時(shí)間來達(dá)到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此，提高照射的光源強(qiáng)度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1]。

脈沖氙燈的優(yōu)點(diǎn)是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的光，但閃光持續(xù)時(shí)間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時(shí)光能量大，圖像的層次還原較好。為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉(zhuǎn)換效率，在重復(fù)率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預(yù)燃電流[2]。如果采用傳統(tǒng)的工頻變壓器式預(yù)燃電路，就必須增大濾波電容和大功率限流電阻，增大了電路的體積，電路也容易因干擾而被誤認(rèn)為解除預(yù)燃[3]。另外，脈沖氙燈在工作時(shí)，弧光放電時(shí)間較長，放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導(dǎo)致放電電容不能正常放電的現(xiàn)象出現(xiàn)。本文根據(jù)脈沖氙燈的工作原理，提出了一種脈沖氙燈起輝預(yù)燃的電源結(jié)構(gòu)，并研制了脈沖氙燈的預(yù)燃電源。該電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個電源，起輝時(shí)為電壓源，預(yù)燃時(shí)為恒流源。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源效率較高，工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導(dǎo)致的不正常放電現(xiàn)象。

2 脈沖氙燈的工作原理

脈沖氙燈的工作分為起輝、預(yù)燃和高壓放電三階段[4]，如圖1所示。其工作過程比較復(fù)雜，是一種非穩(wěn)態(tài)的氣體放電。起輝階段，放電首先在石英管內(nèi)壁接近觸發(fā)絲處產(chǎn)生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內(nèi)的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構(gòu)成起輝電路，當(dāng)VT2 關(guān)斷時(shí)，電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲能量，通常U1 為1kV左右，充電時(shí)間很短。當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產(chǎn)生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強(qiáng)的軸向電場及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預(yù)燃階段，當(dāng)輸入的能量足夠大時(shí)，電極加熱到具有一定的熱發(fā)射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時(shí)，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2 通過電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預(yù)燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當(dāng)VT1 關(guān)斷時(shí)，電壓U3 向電容C1 充電，當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現(xiàn)弧光頻閃現(xiàn)象。在高壓放電階段，預(yù)燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流（約100mA）。

在傳統(tǒng)的脈沖氙燈起輝預(yù)燃系統(tǒng)中，起輝階段和預(yù)燃階段分別需要電壓源，如圖1所示，U1為起輝電壓，U2為預(yù)燃電壓，從而增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個電源，起輝時(shí)為電壓源，預(yù)燃時(shí)為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過串聯(lián)諧振得到高壓起輝電壓；預(yù)燃階段，通過調(diào)整占空比恒流輸出維持電流（約100mA）。