新型脈沖氙燈起輝預燃電源的研制

1 引 言

隨著計算機、機械、電子技術的發(fā)展，道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統按攝像速度分為普通攝像機、高速攝像機和數碼攝像機，其中高速攝像機主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進行圖像采集。然而在使用高速攝像機時，大多數檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強度較低，在實際使用時往往需要增加曝光時間來達到高質量的圖像數據。因此，提高照射的光源強度可以提高圖像數據的質量[1]。

脈沖氙燈的優(yōu)點是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發(fā)出強烈的光，但閃光持續(xù)時間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大，圖像的層次還原較好。為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉換效率，在重復率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預燃電流[2]。如果采用傳統的工頻變壓器式預燃電路，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為解除預燃[3]。另外，脈沖氙燈在工作時，弧光放電時間較長，放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導致放電電容不能正常放電的現象出現。本文根據脈沖氙燈的工作原理，提出了一種脈沖氙燈起輝預燃的電源結構，并研制了脈沖氙燈的預燃電源。該電源采用PWM技術控制，起輝和預燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預燃時為恒流源。試驗結果表明，該電源效率較高，工作可靠，運行穩(wěn)定，有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導致的不正常放電現象。

2 脈沖氙燈的工作原理

脈沖氙燈的工作分為起輝、預燃和高壓放電三階段[4]，如圖1所示。其工作過程比較復雜，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壁接近觸發(fā)絲處產生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構成起輝電路，當VT2 關斷時，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，充電時間很短。當VT2導通時，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強的軸向電場及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預燃階段，當輸入的能量足夠大時，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，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燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當VT1 關斷時，電壓U3 向電容C1 充電，當VT1 導通時，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現弧光頻閃現象。在高壓放電階段，預燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流（約100mA）。

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