一種基于K60的氙燈電源控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

引言

氙燈光源相比于其它電光源的優(yōu)點是發(fā)光效率高、能耗浪費低，可實現(xiàn)高能量密度、長時間連續(xù)照射，氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近，色溫約為 6000K,近似點光源。廣泛應(yīng)用于布匹織物的顏色檢驗，藥物、塑料的老化試驗，植物栽培，光化學(xué)等方面充當(dāng)人工老化的光源和模擬日光。

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，尤其是電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)的日趨成熟，各種功率器件不斷涌現(xiàn)，氙燈電源驅(qū)動技術(shù)也在不斷發(fā)展，從而使氙燈的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。因此很有必要設(shè)計出一款穩(wěn)定，可靠的氙燈電源控制系統(tǒng)。

氙燈的工作原理

氙燈結(jié)構(gòu)與常用的白熾燈不同，沒有鎢絲，其石英泡殼內(nèi)充有0.019~0.0266MPa高壓氙氣，是通過氣體放電而達(dá)到照明效果的光源，它有正負(fù)兩個電極，極間距離小于10mm,氙氣在高壓的條件下電離成正負(fù)離子而具有導(dǎo)電性，正負(fù)電極進(jìn)行極間放電產(chǎn)生電弧，利用電弧激活隋性氣體氙氣，促使金屬鹽發(fā)光。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

氙燈電源控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩大部分。其中硬件系統(tǒng)主要包括主控制器和氙燈電源系統(tǒng)，組成原理框圖如圖1所示。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計包括液晶顯示程序、按鍵掃描程序、電流、電壓、光采樣程序以及電流和光反饋控制算法程序等。通過對氙燈光源軟硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計和聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)該控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的工作。

硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分主要包括電源轉(zhuǎn)換電路，升壓控制電路，繼電器控制電路以及人及交互接口電路等，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

硬件系統(tǒng)以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優(yōu)點，其片內(nèi)128KB的RAM,512KB的FLASH,高達(dá)16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統(tǒng)開發(fā)的需要[5].通過按、旋鈕的調(diào)節(jié)實現(xiàn)定時關(guān)燈、累計工作時間、亮度可調(diào)等主要功能，并把相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶顯示屏上。繼電器的吸合控制了觸發(fā)器的觸發(fā)時刻，升壓電路工作以后，電壓迅速上升，當(dāng)達(dá)到氙燈啟輝的電壓值時，繼電器吸合，給出觸發(fā)信號，帶動觸發(fā)器工作，瞬時產(chǎn)生近萬伏的高壓，擊穿氙氣，完成啟輝，而后只需24V開關(guān)電源正常供電，氙燈即可持續(xù)工作。為了減少功率驅(qū)動電路工作時對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，為此在數(shù)字電路與功率驅(qū)動電路之間加入了光電隔離器進(jìn)行隔離。1、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

氙燈工作需要直流供電，電源選用24V直流開關(guān)電源模塊，控制系統(tǒng)的其他外圍模塊，例如輸入設(shè)備、液晶顯示器、其它數(shù)字芯片、模擬運放等大多為5V 供電，主控芯片需要3.3V工作電壓，本系統(tǒng)先采用變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓將220V交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V直流電，給常規(guī)元器件供電，主控制器再將5V轉(zhuǎn)換成3.3V，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加細(xì)致、緊湊，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

4.2 升壓控制電路設(shè)計

由氙燈的工作原理可知，氙氣是一種惰性氣體，若要擊穿氙氣使氙燈工作，必須提供足夠高的啟輝電壓，這就要求控制系統(tǒng)必須包括升壓電路。電壓升到一定的值后，驅(qū)動繼電器電路，觸發(fā)器由此得以觸發(fā)。觸發(fā)電壓高達(dá)上萬伏，足以使氙燈光源啟輝成功。升壓電路簡圖如圖4所示。