專利名稱：數字化機車金鹵前照燈控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種前金屬鹵化物燈的控制電路，具體的說是一種數字化機車金鹵前 照燈控制電路。
背景技術：
隨著國民經濟的快速發展，軌道交通事業和技術不斷發展，鐵路干線、高速鐵路、 城際鐵路、地方鐵路、地下鐵路迅猛增長，伴隨著人們的生活水平的不斷提高，人們對出行 的交通工具的安全、舒適性的要求越來越高。由于安全、快捷的鐵路網絡已逐漸形成，鐵路 列車將成為人們首選的出行工具。因此，安全、可靠的鐵路產品將是為之研發人員的責任。目前大部分鐵路機車前照燈使用的是鹵鎢燈，也有部分機車仍使用汞氙燈。上世 紀八十年代初，汞氙燈以其即開即亮、光效較高的優點受到機車工作人員的歡迎。但是，由 于汞氙燈和日光之間有相當大的差別，藍綠色光比較強、顯色性不好、色彩失真，機車工作 人員可能會對機車前方的物體和信號燈顏色產生錯誤的判斷，因此鐵道部在上世紀九十年 代開始推廣鹵鎢燈。鹵鎢燈是熱輻射光源，體積小、重量輕、顯色性好，有效的解決了汞氙燈 顯色性不好、色彩失真的弊端。但鹵鎢燈與汞氙燈相比功率大、亮度低、光效低，光效只有汞 氙燈的一半，壽命短，照射距離近。隨著我國鐵路技術的不斷發展，近年來已經歷了六次大 規模提速，原有機車前照燈的光源已不能滿足提速后的需求。金屬鹵化物燈是一種高強度 氣體放電燈，被確認為是“21世紀最有發展前景的光源產品”之一，它克服了汞氙燈和鹵鎢 燈存在的不足，同時具有汞氙燈和鹵鎢燈的優點，具有體積小、光效高、照射距離遠、顯色性 好、壽命長、節能環保等優點。但是，由于復雜的啟動過程和時序控制要求，現有的金屬鹵化 物燈控制電路往往顯得麻煩且復雜，在高頻下工作容易產生聲諧振現象，使燈電弧不穩定， 燈光閃爍，甚至熄滅，嚴重時會損壞放電管，大大損害燈的壽命。因此，金屬鹵化物燈在鐵路機車前照燈上的應用和推廣是機車發展的趨勢，符合 鐵道部在引進國外機車國產化過程中“引進、消化、吸收、創新”的宗旨和TB/T2325. 1-2006 機車前照燈新標準的要求，研制高技術、優質產品替代進口，逐步實現國產化，提高機車夜 間照明性能和安全性，降低能耗，是我國軌道交通的發展方向之一。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對以上現有技術存在的缺點，提出一種數字化 機車金鹵前照燈控制電路，可以實現燈管的冷熱啟動，采用低頻掃頻方波工作方式，避免金 鹵燈的聲諧振現象，實現鎮流器與燈的不同階段的不同負載特性相匹配。本發明解決以上技術問題的技術方案是數字化機車金鹵前照燈控制電路，包括輸入電路、APFC電路、DC/DC變換電路、DC/ AC變換電路、CPU控制電路和HID燈，輸入電路將輸入電壓整流濾波以及電磁波抑制處理后 輸出給APFC電路，APFC電路進行功率因數校后輸出直流電壓給DC/DC變換電路，DC/DC變 換電路進行功率處理后輸出直流電壓給DC/AC變換電路，同時DC/DC變換電路將電流采樣
4和電壓采樣輸出給CPU控制電路，DC/AC變換電路將直流電壓變為交流電壓，同時接受CPU 控制電路的控制信號后將交流電壓輸出給HID燈，在DC/DC變換電路和HID燈之間接有一 個用來產生高壓啟動HID燈的二級觸發電路，二級觸發電路包括一個整流橋、兩個觸發管、 兩個電感、兩個電容和一個二極管，整流橋的兩個交流輸入端連接DC/AC變換電路的輸出 的200Hz調制方波，整流橋的輸出的正極與第一電容及第一電感的初級連接，整流橋的輸 出的負極經電阻限流后與第一觸發管連接，第一電感的次級連接到二極管的正極，二極管 的負極連接第二電容與第二觸發管的一端，第二觸發管的另一端與第二電感的初級的一端 相連；來自DC/AC電路的200Hz調制方波經整流橋整流濾波后得到400V的直流電壓，經第 一觸發管導通，第一電感與第一電容諧振產生約150kHz的高頻波，再經第二電感升壓，經 二極管整流后得到大于5000V的直流電壓，由第二觸發管導通，第二電感與第二電容諧振 產生約10MHz的高頻波，再經第二電感升壓在第二電感的次級得到大于25kV高頻波，所述 大于25kV高頻波與來自DC/AC電路的400V200HZ低頻方波疊加到HID燈上，使HID燈觸發 啟動；當HID燈啟動后來自DC/AC電路的400V 200Hz低頻方波自動下降到與HID燈電壓一 致，兩個觸發管關斷。輸入電路和APFC電路均為HID燈上的現有電路。DC/DC變換電路包括一個晶體 管，其具有基極、發射極和集電極，其基極接脈寬調制驅動信號，來自APFC電路的正電壓輸 入信號經一個電感接晶體管的集電極，來自APFC電路的負電壓輸入信號經一個電阻接晶 體管的發射極，晶體管的發射極與集電極之間接有一個電容，晶體管的發射極輸出電流采 樣信號，晶體管的集電極經一個二極管接DC/AC變換電路，二極管與晶體管的發射極之間 接有一個電容，在電容上并聯兩個串聯電阻，電阻和電阻之間輸出電壓采樣信號。DC/AC變換電路由四個晶體管組成，其都具有基極、發射極和集電極，第一晶體管 的射極接第三晶體管集電極，第一晶體管的集電極接第二晶體管的集電極，第二晶體管的 發射極接第四晶體管的集電極，第四晶體管的發射極接第三晶體管的發射極，第一晶體管 的集電極、第二晶體管的集電極、第四晶體管的發射極和第三晶體管的發射極共同接DC/DC 變換電路，第一晶體管的射極、第三晶體管集電極、第二晶體管的發射極和第四晶體管的集 電極共同接觸發電路。CPU控制電路采用20個引腳的STC12C2052AD單片機，單片機的16號引腳接電壓 采樣信號，單片機的13號引腳接電流采樣信號，單片機通過一片TL2843EN芯片接DC/AC變 換電路。本發明設有二級觸發電路，分別用于燈管的冷態啟動和熱態啟動，保證了燈管的 啟動特性。本發明的數字控制電路采用低頻掃頻方波工作方式，即由PFC級+DC/DC級+低頻 全橋DC/AC級三級電路組成，避免金鹵燈的聲諧振現象，采用數字控制方法，實現鎮流器與 燈的不同階段的不同負載特性相匹配，能夠簡化硬件電路，克服模擬電路中參數溫度漂移 的問題，而且控制靈活。本發明集機械、數字電子、光學高端技術于一體，采用短弧熱啟動金 屬鹵化物光源，數字化電子鎮流器、觸發器，重點解決熱啟動、聲諧振、電磁兼容技術，不僅 給機車夜間安全形式起到一定的作用，而且其高亮度、遠射程，將給過往行人和車輛起到一 定的警示作用，達到國內同行業的領先水平和國際同行同期的先進水平，將逐步替代現有 的機車前照燈。
本發明將促進數字化機車金鹵前照燈的技術創新，提升項目產品的市場競爭力， 為我國軌道交通的發展提供新型的數字化節能照明電子設備，將有利于鐵道部門實現提速 運行提高運能，降低能耗。
圖1是本發明的電路框圖。圖2是二級觸發電路的電路圖。圖3是DC/DC變換電路的電路圖。圖4是DC/AC變換電路的電路圖。圖5是CPU控制電路的電路圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種數字化機車金鹵前照燈控制電路，其電路框圖如圖1所示，包括 輸入電路、APFC電路、DC/DC變換電路、DC/AC變換電路、CPU控制電路和HID燈，輸入電路 將輸入電壓整流濾波以及電磁波抑制處理后輸出給APFC電路，APFC電路進行功率因數校 后輸出直流電壓給DC/DC變換電路，DC/DC變換電路進行功率處理后輸出直流電壓給DC/AC 變換電路，同時DC/DC變換電路將電流采樣和電壓采樣輸出給CPU控制電路，DC/AC變換電 路將直流電壓變為交流電壓，同時接受CPU控制電路的控制信號后將交流電壓輸出給HID 燈，在DC/DC變換電路和HID燈之間接有一個用來產生高壓啟動HID燈的二級觸發電路。輸 入電路將輸入電壓整流濾波以及進行電磁波的抑制處理；APFC級輸出400V直流電壓，作為 DC/DC級的輸入電壓；DC/DC級進行功率處理；DC/AC級實現直流變為交流，其IGBT管的驅 動由單片機的I/O 口輸出固定占空比為50%的低頻掃頻方波來實現；二級觸發器用來產生 高壓啟動HID燈；數字控制器用來實現電壓，電流和功率控制以及異常狀態保護。二級觸發電路如圖2所示，包括一個整流橋BG1、兩個觸發管CF1和CF2、兩個電感 T5和T6、兩個電容C5和C7和一個二極管D2，整流橋BG1的兩個交流輸入端連接DC/AC變 換電路的輸出的200Hz調制方波，整流橋BG1的輸出的正極與第一電容C5及第一電感T5的 初級連接，整流橋BG1的輸出的負極經電阻R100限流后與第一觸發管CF1連接，第一電感 T5的次級連接到二極管D2的正極，二極管D2的負極連接第二電容C7與第二觸發管CF2的 一端，第二觸發管CF2的另一端與第二電感T6的初級的一端相連；來自DC/AC電路的200Hz 調制方波經整流橋BG1整流濾波后得到400V的直流電壓，經第一觸發管CF1導通，第一電 感T5與第一電容C5諧振產生約150kHz的高頻波，再經第二電感T5升壓，經二極管D2整流 后得到大于5000V的直流電壓，由第二觸發管CF2導通，第二電感T6與第二電容C7諧振產 生約10MHz的高頻波，再經第二電感T6升壓在第二電感T6的次級得到大于25kV高頻波， 大于25kV高頻波與來自DC/AC電路的400V 200Hz低頻方波疊加到HID燈上，使HID燈觸 發啟動；當HID燈啟動后來自DC/AC電路的400V 200Hz低頻方波自動下降到與HID燈電壓 一致，兩個觸發管CF1和CF2關斷。輸入電路和APFC電路均為HID燈上的現有電路，APFC級為功率因數校正，用來減 少輸入電流的諧波，提高功率因數，減少對電網的污染，同時還給DC/DC級提供穩定的輸入電壓，使DC/DC級輸出的電壓不受電網電壓變化的影響，使燈管能在較大的電網電壓變化 范圍內正常啟動和工作，APFC級采用升壓型BOOST DC/DC變換器，其輸出電壓根據電網最 大輸出電壓而定，一般為420V。DC/DC電路如圖3所示，DC/DC級可實現功率控制，電路由ZVRT BUCK電路構成，包 括一個晶體管Q2，其基極接脈寬調制驅動信號，來自APFC電路的正電壓輸入信號經一個電 感L1接晶體管Q2的集電極，來自APFC電路的負電壓輸入信號經一個電阻R2接晶體管Q2 的發射極，晶體管Q2的發射極與集電極之間接有一個電容C2，晶體管Q2的發射極輸出電流 采樣信號，晶體管Q2的集電極經一個二極管D4接DC/AC變換電路，二極管D4與晶體管Q2 的發射極之間接有一個電容C3，在電容C3上并聯兩個串聯電阻R7和R8，電阻R7和電阻R8 之間輸出電壓采樣信號。通過調節電感參數，主開關可實現零電壓開通，有效減小電路中開 關管的損耗，這一級電路采用單片機來控制，實現輸出的恒壓、變流和恒功率以及電路的開 路保護和短路保護、燈管失效和點火失敗保護。DC/AC電路采用全橋電路，電路如圖4所示，由四個晶體管Q13、Q14、Q24和Q27組 成，第一晶體管Q13的射極接第三晶體管Q24集電極，第一晶體管Q13的集電極接第二晶體 管Q14的集電極，第二晶體管Q14的發射極接第四晶體管Q27的集電極，第四晶體管Q27的 發射極接第三晶體管Q24的發射極，第一晶體管Q13的集電極、第二晶體管Q14的集電極、 第四晶體管Q27的發射極和第三晶體管Q24的發射極共同接DC/DC變換電路，第一晶體管 Q13的射極、第三晶體管Q24集電極、第二晶體管Q14的發射極和第四晶體管Q27的集電極 共同接觸發電路。DC/AC電路把DC/DC級輸出的直流電壓變為交流，使燈工作在低頻掃頻方 波，有效防止燈管的極化，有利于燈的正常工作，而且工作在低頻掃頻方式，有效避免金鹵 燈的聲諧振現象，減少電磁輻射。CPU控制電路如圖5所示，采用20個引腳的STC12C2052AD單片機，單片機的16號 引腳接電壓采樣信號，單片機的13號引腳接電流采樣信號，單片機通過一片TL2843EN芯片 接DC/AC變換電路。STC12C2052AD單片機，具有兩個定時器，10位AD采樣精度，尤其是具 有兩個PWM 口，在工作頻率為39K時，其輸出精度可達9位，這樣就可以省去外圍的D/A轉 換器和專用的PWM芯片，從而簡化了硬件電路，該系列單片機引腳少，價格便宜，功能強，是 單片機芯片中很好的選擇，其具體的參數如下表所示采用STC12C2052AD加高速光電耦合 器CNY17F和分立元件驅動，這樣可設置死區時間和更好的電路隔離，使其輸出的驅動波形 可以直接驅動BUCK電路的上下兩個IGBT管，而簡化了 BUCK電路的驅動電路，解決了 BUCK 電路驅動難的問題，既簡單又方便，并且該芯片的邏輯輸入能與標準的CMOS或LSTTL輸出 電路兼容，完全可以由單片機產生的信號來直接驅動。本發明還可以有其它實施方式，凡采用同等替換或等效變換形成的技術方案，均 落在本發明要求保護的范圍之內。
權利要求
數字化機車金鹵前照燈控制電路，包括輸入電路、APFC電路、DC/DC變換電路、DC/AC變換電路、CPU控制電路和HID燈，所述輸入電路將輸入電壓整流濾波以及電磁波抑制處理后輸出給APFC電路，所述APFC電路進行功率因數校后輸出直流電壓給DC/DC變換電路，所述DC/DC變換電路進行功率處理后輸出直流電壓給DC/AC變換電路，同時DC/DC變換電路將電流采樣和電壓采樣輸出給CPU控制電路，所述DC/AC變換電路將直流電壓變為交流電壓，同時接受CPU控制電路的控制信號后將交流電壓輸出給HID燈，其特征在于在所述DC/AC變換電路和HID燈之間接有一個用來產生高壓啟動HID燈的二級觸發電路，所述二級觸發電路包括一個整流橋(BG1)、兩個觸發管(CF1和CF2)、兩個電感(T5和T6)、兩個電容(C5和C7)和一個二極管(D2)，所述整流橋(BG1)的兩個交流輸入端連接所述DC/AC變換電路的輸出，所述整流橋(BG1)的輸出的正極與第一電容(C5)及第一電感(T5)的初級連接，所述整流橋(BG1)的輸出的負極經電阻(R100)與第一觸發管(CF1)連接，第一電感(T5)的次級連接到二極管(D2)的正極，二極管(D2)的負極連接第二電容(C7)與第二觸發管(CF2)的一端，第二觸發管(CF2)的另一端與第二電感(T6)的初級的一端相連；來自DC/AC電路的200Hz調制方波經整流橋(BG1)整流濾波后得到400V的直流電壓，經第一觸發管(CF1)導通，導通電流由電阻(R100)限制，第一電感(T5)與第一電容(C5)諧振產生約150kHz的高頻波，再經第二電感(T5)升壓，經二極管(D2)整流后得到大于5000V的直流電壓，由第二觸發管(CF2)導通，第二電感(T6)與第二電容(C7)諧振產生約10MHz的高頻波，再經第二電感(T6)升壓在第二電感(T6)的次級得到大于25kV高頻波，所述大于25kV高頻波與來自DC/AC電路的400V 200Hz低頻方波疊加到HID燈上，使HID燈觸發啟動；當HID燈啟動后來自DC/AC電路的400V 200Hz低頻方波自動下降到與HID燈電壓一致，所述兩個觸發管(CF1和CF2)關斷。
2.如權利要求1所述的數字化機車金鹵前照燈控制電路，其特征在于所述DC/DC變 換電路包括一個晶體管(Q2)，其具有基極、發射極和集電極，其基極接脈寬調制驅動信號， 來自APFC電路的正電壓輸入信號經一個電感(L1)接晶體管(Q2)的集電極，來自APFC電 路的負電壓輸入信號經一個電阻(R2)接晶體管(Q2)的發射極，晶體管(Q2)的發射極與集 電極之間接有一個電容(C2)，晶體管(Q2)的發射極輸出電流采樣信號，晶體管(Q2)的集電 極經一個二極管(D4)接所述DC/AC變換電路，二極管(D4)與晶體管(Q2)的發射極之間接 有一個電容(C3)，在電容(C3)上并聯兩個串聯電阻(R7和R8)，電阻(R7)和電阻(R8)之 間輸出電壓采樣信號。
3.如權利要求1所述的數字化機車金鹵前照燈控制電路，其特征在于所述DC/AC變 換電路由四個晶體管(Q13、Q14、Q24和Q27)組成，其都具有基極、發射極和集電極，所述第 一晶體管(Q13)的射極接第三晶體管(Q24)集電極，所述第一晶體管(Q13)的集電極接第 二晶體管(Q14)的集電極，所述第二晶體管(Q14)的發射極接第四晶體管(Q27)的集電極， 所述第四晶體管(Q27)的發射極接第三晶體管(Q24)的發射極，所述第一晶體管(Q13)的 集電極、第二晶體管(Q14)的集電極、第四晶體管(Q27)的發射極和第三晶體管(Q24)的發 射極共同接所述DC/DC變換電路，所述第一晶體管(Q13)的射極、第三晶體管(Q24)集電 極、第二晶體管(Q14)的發射極和第四晶體管(Q27)的集電極共同接所述觸發電路。
4.如權利要求1所述的數字化機車金鹵前照燈控制電路，其特征在于所述CPU控制 電路采用20個引腳的STC12C2052AD單片機，所述單片機的16號引腳接電壓采樣信號，所述單片機的13號引腳接電流采樣信號，所述單片機通過一片TL2843EN芯片接DC/AC變換 電路。
全文摘要
本發明涉及一種前金屬鹵化物燈的控制電路，是一種數字化機車金鹵前照燈控制電路，主要由以下五個部分組成輸入電路將輸入電壓整流濾波以及進行電磁波的抑制處理；APFC級輸出400V直流電壓，作為DC/DC級的輸入電壓；DC/DC級進行功率處理；DC/AC級實現直流變為交流，其IGBT管的驅動由單片機的I/O口輸出固定占空比為50％的低頻掃頻方波來實現；二級觸發器用來產生高壓啟動HID燈；數字控制器用來實現電壓，電流和功率控制以及異常狀態保護。本發明可以實現燈管的冷熱啟動，采用低頻掃頻方波工作方式，避免金鹵燈的聲諧振現象，實現鎮流器與燈的不同階段的不同負載特性相匹配。
文檔編號H05B41/24GK101861039SQ20101015608
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者虞興保 申請人:南京眾森太盛機電實業有限公司;虞興保;王傳芳