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摘 要：对汽车前照灯用的金属卤化物灯的性能特点和普通触发点亮电路和的致命缺点作了简要说明。介绍人一种能快速点亮金卤灯的电路，可在0.3s内使灯的光输出达到现用卤钨灯的水平，在3s～5s使灯的光输出达到其额定值。
关键词：金属卤化物灯 电子镇流器 触发器
1 前言
随着人们生活及交往节奏的加快和一条条高速公路的建成，要求不断地改善汽车夜间驾驶的安全性。为此就需要有良好的前照灯视觉构造，为改善空气动力特性，就需要把前照灯的外形做成斜面流线型。现在欧、美、日等国，已用小功率金属卤化物灯代换常规的卤钨灯作为汽车前照灯的光源。因为卤钨灯的光效低，一般为15～35lm/W，显色指数为60～65。而小功率金属卤化物灯，30W的光效为85lm/W，显色指数大于70。35W的光效为67lm/W，显色指数大于75。所以，金属卤化物灯比卤钨灯体积小，光效更高、显色性更好。采用金属卤化物灯作汽车前照灯，可大大改善汽车夜间驾驶的安全性，并可显著改善汽车前部的空气动力特性，利于高速行驶。
金卤灯的玻璃壳内填充着引燃气体（氩气等）、汞及金属卤化物。当把高压电加到灯的放电极上时，在引燃气体放电之后，紧接着就产生汞弧光，由此，也就产生热量，使金属碘化物气化，在汞弧中分解为金属原子和碘原子，金属原子参与放电，并辐射出具有特殊金属光谱的强光。
包括金卤灯在内的普通高强度气体放电灯的供电点亮电路，如图1所示。 （图片） 汽车中的直流电源UDC一般为12V蓄电池，经过直流电压提升电路升压，再经过DC／AC变换器变换成正弦交流电压，然后由起动触发电路产生高压脉冲触发灯管，灯点亮后，管压降低，管流增大，由限流电感进行限流。为保证加到灯管上的电压可调节，把DC电压升压器输出的电压，设计成可控制的。
虽然上述的供电点亮电路可使用DC电压来点亮金卤灯，但此种灯从起动点亮至达到规定的亮度，需要一定的时间（一般叫“起动时间”），或者在灯暂时熄灭后，再起动时（再起动时间）需较长的时间。这是因为，当该金卤灯从冷态开始起动时（把这种起动叫“冷起动”），为使灯泡内的金属卤化物气化，需要时间；当该放电灯从点亮状态被暂时熄灭一会儿后再点亮时，灯泡内的气压依点亮状态持续时间的长短，会有不同程度的升高。这就需要相应地增加触发电压的幅值；另外，当环境温度高低变化时，也会影响所需起动电压幅值的大小。这对用作汽车前照灯来说，是个致命的缺点。
本文介绍一种快速点亮汽车用金卤灯的供电电路；它克服了上述一般点亮电路的缺点，可在0.3s内使灯的光输出达到现用的卤钨灯的水平，在3s～5s内灯的光输出达到其额定值。
2快速起动点亮供电电路
2．1快速起动点亮供电电路原理
快速起动点亮供电电路原理框图可参见图2，该点亮电路由12V蓄电池供电，电源电压E经灯开关K及继电器触点Jɑ后，一路通过二极管D1到端子B，供电给后级控制电路；另一路供给DC电压提升电路②，把输入电池电压E提升后，再经DC／AC高频变换电路③，变成高频正弦交流电压供点亮金卤灯。（图片）（图片） 电路③的输出经过变压器T1的次级绕组T1－2，接到金卤灯H的电极。电容C1和变压器T1次级绕组T1－2的漏感构成限流电路。电容C1还用来检测金卤灯电流，以判断金卤灯是否接通。当灯处于未点亮状态时，灯点亮起动电路⑦发出信号给灯点亮电路④，使之产生点亮脉冲。
控制电路⑧产生控制脉冲PS，其占空比是根据电路②的输出电压和输出电流检测电阻R3上的电压信号的变化进行调整的，然后，通过栅极驱动电路⑤把该脉冲信号PS加到电路②以控制其输出电压。
控制电路的工作过程如下：
在灯点亮后，即刻又关断，此时，电路②的输出电压为零。再起动时，电路②的输出电压为高电平。从关断到再起动之间的时间间隔长短可由电路②输出端的“零电平”与“高电平”之间的时间间隔来检测。这可通过定时电路⑥来完成。电路⑥检测出此时间间隔信号，并把此信号传送给电路⑧，电路⑧输出相应的控制信号给电路②，使其输出电平改变，最终达到灯的恒功率控制。如果在灯点亮后，立即进行恒功率控制，会大大缩短灯的起动时间。
当电源E的端电压跌落到低于预定值时，就由电压降落检测电路⑨，输出一个信号给电路⑧，改用比额定功率小的控制功率来驱动金卤灯工作。
异常状态检测电路⑩从电路②的输出电压和输出电流之间的关系，检测出电路的异常状态，并把异常状态信号传送到电路①，切断电源。当电池电压恢复到等于或大于预定的电平时，灯又起动点亮。
2．2快速起动点亮电路功能介绍
下面对图2框图中的主要部分功能进行说明（参见图3）。（图片）（图片） （1）DC电压提升电路②电路②是按斩波型DC／DC变换器构成的；电感L1接在电源E的正端，N沟道场效应晶体管S1接在电感L1之后，跨在电源正端和地线之间。S1是按照来自控制电路⑧与栅极驱动电路⑤所产生的驱动脉冲来进行开关工作的，当S1在控制脉冲作用下导通时，电感L1就储能，当S1截止时，电感L1就释放能量，从而提升了DC电压。
（2）DC电压提升电路②的输出电压检测电路⑾
电路⑾通过分压电阻R1和R2检测出电路②的输出电压作为采样信号送入误差运算放大器N1的同相输入端，而将预置参考电压信号V1送入N1的反相输入端进行比较，N1输出的误差信号用以控制PWM电路，调节电路②的输出电压。
（3）DC电压提升电路②的输出电流检测电路15
电路15通过R3检测出的输出电流信号（电压值），经运算放大器N2放大后，再经R11送入误差运算放大器N3的同相输入端；而将预置参考电流信号（电压值）V2经缓冲运算放大器N4放大后，再经R16送入N3的反相输入端进行比较，N3的输出误差放大信号用以控制PWM电路，以调节电压提升电路②的输出电流。
（4）电源电压降落检测电路⑨
电路⑨依据来自电源E的采样电压（端子B）的减少量作为采样信号送入缓冲运算放大器N5的同相输入端，经N5放大后再经D4、R19送入N4同相输入端，经放大后再经R16送入N3的反向输入端，其作用同前所述，只是N5的输出使V2被箝位，其结果是用比额定功率小的控制来驱动金卤灯的工作。
（5）定时电路⑥
电路⑥是按照点亮的灯被熄灭的时间长短来保证跃变到恒功率控制状态。该定时电路是由晶体管V1和R-C时间常数电路构成的。其工作原理见3.1条所述。
（6）PWM电路14
电路14由比较器N6，缓冲放大器N7和振荡器OSC构成。N6将其输入电压（N1及N3的输出电压信号）同来自振荡器OSC的锯齿电压进行比较后送入N7，经N7产生控制脉冲PS，其占空比是由其输入电压决定的。PWM电路产生的控制脉冲PS经栅极驱动电路⑤去控制电路②的输出电压幅值。
（7）低压关灯电路12
电路12具体可参见图4。该电路由电阻R23稳压管D7和比较器N8等组成。由图4可知N8的反相输入端通过电阻R26接在电阻R24和R25之间，N8的同相输入端接在分压电阻R27和R28之间。N8的输出送到切断电源继电器电路①中，控制继电器的合、分。其工作原理见3.3条所述。（图片） （8）DC／AC高频变换电路③
电路③具体线路见图5（a）。它是用两只场效应晶体管S2、S3组成的推挽电路，把输入的DC电压变换成高频正弦电压。（图片） （图片） 图中R31、R32作为输出电流检测电阻，电容C4、C5、稳压二极管D8和D9的作用是抑制浪涌电压。恒流二极管D10和D11对S2和S3产生恒定的偏置电压，控制开关晶体管的定时工作。以此来减小开关损耗。
S2、S3的控制电压是由反馈绕组T2－3提供的。这样，所产生的正弦电压经次级绕组T2－2输出。图5（b）为该高频变换电路工作时的部分电压波形：上半部分为输入电压Vin和扼流圈L2的电压VL2；下半部分有两种电压，一种是用虚线表示的，为S2或S2的偏置电位VB，另一种是S2或S2的栅极电压VG。
加到S2及S3上的偏压VB是取自扼流圈L2之后，S2、S3导通时VL2的波形是全波整流波形，因此，偏置电位VB波形的波谷就对应于电压VL2的波谷。这样该偏置电位VB的短暂降落，使S2或S3变成截止状态，阻止了因输入电压Vin的变化导致S2、S3都处于导通状态的情况，从而保证了DC／AC变换的稳定运行。
（9）灯的点亮起动电路⑦及点亮电路④
图6上部分为点亮电路④，下部分为点亮起动电路⑦，其工作过程如下：（图片） 当开关K刚合上，金卤灯尚未点亮前，电路⑦中的电容C1的端电压是零，晶体管V2截止。因此，晶闸管SCR2处于导通状态。于是，电路④中的电容C9就被电路③的输出电压逐渐充电。电容C9的端电压由D12、R33、R34构成的电路来检测。当电容C9上的端电压上升到使稳压管D12导通时，晶闸管SCR1被触发导通，电容C9就通过升压变压器T1的初级绕组T1－1放电，并在次级绕组T1－2中感应出高压脉冲叠加在电路③输出的高频正弦电压上，这种合成的高压加到金卤灯H的电极H1及H2上，使金卤灯点亮，接着灯电流给C1充电到预定电平，使晶体管V2导通，使SCR2关断，C9充电中断，从而就终止了点亮起动脉冲的产生。
（10）异常状态检测电路⑩
电路⑩对于诸如金卤灯H正常老化，寿命到期，不能发光，或电路③输出级开路等异常状态均可检测出。并将此异常状态信号送到电路①，使继电器触点Ja断开，并人为地把灯开关K暂时关断，待故障排除后，把电源开关合上，再起动工作。
3系统控制过程
金卤灯快速点亮系统的控制过程分两种情况：第一种情况是电路处于正常状态，金卤灯H在灯开关K一合上，就开始点亮（把此种情况叫“正常时间”）。第二种情况是电路状态出现异常情况（把此种情况叫“异常时间”）。
图7分别为电路②的输出电压VO和输出电流IO，金卤灯H的灯电流IL和灯电压VL，以及灯的光通量等参量随时间变化的情况，时间轴的原点O，对应于灯开关K刚合上的时刻。（图片） （图片） （图片）
(a)DC电压提升电路和输出电压V0与时间的关系曲线
(b)DC电压提升电路和输出电压I0与时间的关系曲线
(c)金卤灯管电流LL与时间的关系曲线
(d)金卤灯管管压VL与时间的关系曲线
(e)金卤灯输出的光通量φ与时间的关系曲线 图8为电路②的输出电压V0和输出电流I0间的关系曲线。（图片） 3．1正常时间
当金卤灯处于冷态时，在开关K刚合上的时刻，定时电路⑥中的电容C3未充电。V1的基极电位很低，V1截止，所以，在电路②的输出电流检测电路(15)（参见图3）中的运放N3的同相输入端上，只加有运放N2的输出电压。而在灯亮起来后，从图7的曲线实线可看出，灯管电压VL和电路②的输出电流IO都很低。这说明运放N2的输出（相应于电路②的输出电流IO）比来自基准电压产生器电路(11)的基准电压V2小，这样，N3的输出就是低电平。因此，PWM电路14所产生的控制脉冲PS的占空比，就由电路②的输出电压检测电路(11)中运放N1的输出电压来决定。控制脉冲PS通过栅极驱动电路⑤加到电路②中的S1的门栅极。电路②的输出电压检测电路11中的基准电压V1这样来设定：使得电路②的输出电压VO变高（大约为正常状态输出电压的2.5～3倍），图8中曲线上的点a，就表示了金卤灯刚点亮后，电路②的输出电压VO为最大值。图8中的曲线a－b段（从点a到点b），电路②的输出电流IO是逐渐增加的而输出电压VO近似为常数，这是电路②在输出电压检测电路11的控制下工作的情况。
随着电容C3被逐渐充电，V1的基极电位增加使V1导通，运放N3的同相输入端上的电位也增加。设这时的充电时间常数为（图片）C1，当该电位达到的电平与基准电压V2相当时，PWM电路输出的控制脉冲PS的占空比就由运放N3的输出来决定。即就是说，当控制脉冲PS的占空比随着运放N3的输出电压的增加而下降时，一直保持在最大值的电路②的输出电压VO也逐渐下降。
从图8曲线上的点b经过电路②的输出电流IO的峰值点c，而达到点d这段控制区域b－c－d段是受图3中的输出电流检测电路15控制的。当电容C3充满电后，晶体管V1就饱和导通，它的射极电位几乎等于电路②的输出电压。此时，系统控制工作是按如下方式进行的：把电压UO和将R3·IO经N2放大后的电压之和与基准电压V2经N4放大后的电压相比较。这样，就在VO及IO为恒定值的条件下，以近似线性的形式实现了恒功率控制。图8曲线中，从点d到点e的d－e段是恒功率区域，近似直线（PO=IOVO，当IO上升时，VO线性下降），在此区域给金卤灯提供额定的功率。这样，在金卤灯点亮初期，其光通量急剧上升[见图7（e）]，经历一定的过冲之后，又回到正常状态。
3．2灯暂时熄灭后再次点亮的控制过程
在灯熄灭期间，定时电路⑥中的电容C3上储存的电荷就以放电时间常数τ2≈R22C3放电。τ2是根据灯熄灭后，灯温度逐渐下渐的速率来决定的。因此，当灯开关断开再合上后，点亮工作过程，就从图8中控制曲线上相应于电容C3的端电压处开始。这就是说，在灯一旦被熄灭之后，为再点亮它，正确的点亮控制过程，是按照从熄灭到灯开关再合上时所需经历的时间来完成的。例如：在灯被熄灭经历几十秒之后，再点亮它时，灯的点亮过程是从图8中曲线的控制区b－c－d段上的工作点开始，并把这种控制方式改变到恒功率控制，因此，电路②的输出电压VO和输出电流IO就从灯点亮过程开始点逐渐下降。正如图7（a)，图7（b）中分别用一点划线所示，而灯的光通量如图7（e）中一点划线所示，在开始处急剧上升，经历过冲量后，就变得稳定了。
对于灯熄灭几秒钟的情况，此时，灯的玻璃泡仍然很热。如图7（a），图7（b）中的双点划线所示，灯再次点亮后灯电压VO立即就升高，电如果蓄电池电压等于或小于10V，运放N5的输出电压就变得低于V2。此时二极管D4导通，这样就使基准电压V2降低。因此，依照电池电压的下降情况，加到金卤灯H上的功率比额定功率低（大约只有额定功率的50％～75％）。当电池电压E再降低到等于或低于某一预定值，例如7V时，已不能再维持灯点亮，这时这个电压被电阻R27和R28分压检测后输入N8的同相输入端（参见图4），在比较器N8中同输入反相输入端的给定电压进行比较后，输出一低电平信号给电路①，切断继电器绕组激磁电源，于是，继电器触点Ja断开，切断了后级电路的电源使灯熄灭。当电池电压回升到等于或路②的输出电流IO也很高，因此，就立即变到恒功率控制，在额定功率下，光通量变成稳定的。定时电路⑥是用来缩短起动时间的。即就是说，如果没有该定时电路，则电路②的输出电压就直接经过电阻R20加到运放N3的同相输入端，不管灯物理状态如何，灯的发光过程就无经过a－b段或b－c－d段的起动过程以及光通量上升时间的延长。
3．3异常时间
现在来说明车上蓄电池电压下降时的情况。
如果电池电压等于或大于预定值，例如10V，图3中放大器N5的输出电压就变得高于基准电压产生电路13中运放N4的输入电压V2，此时二极管D4是被关断的，这样基准电压V2的数值就由电阻R13及R15和可变电阻R14来确定。高于7V时，比较器N8的输出变成高电平，此时继电器触点Ja就又合上，灯又开始点亮工作。
4 小结
定时电路⑥中的电容C3的端电压，表示着灯在熄灭后的状态，据此，可确定给灯供给多大的电压，使之迅速再点亮。由此，就缩短了灯起动点亮的时间（再起动时间），并使之稳定点亮。具体地说，在冷态起动点亮时，给灯供给最大的功率使光通量迅速上升，在灯起动点亮后,其控制作用分两部分（图8中曲线a－b段和b－c－d段）：一部分是受电路②的输出电压与检测电路11控制的区域a－b；另一部分是受电路②输出电流检测电路15所控制的区域b－c－d段。然后，就立即跃变到恒功率控制区d－e段，进行正常工作。这种控制方式，能显著改善金卤灯的快速点亮特性。
4/24/2006
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