紫外灯电源的制作方法
专利名称:紫外灯电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及电源技术领域，具体为一种紫外灯电源，其电路结构简单，能够灵活调节脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电路，主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，启辉电路包括启辉电压输入单元、启辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，控制电路包括MCU单元，主电路、启辉电路和检测电路均连接MCU单元，主电压输入单元对主电容进行充电以提供放电电压，启辉电压输入单元提供给启辉电路启辉电压来控制脉冲氙灯启辉和通过PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预电离状态，电压检测单元检测主电容的电压，电流检测单元检测脉冲氙灯的电流。
【专利说明】
紫外灯电源
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电源技术领域，具体为一种紫外灯电源。
【背景技术】
[0002] 紫外线英文为Ultraviolet，简称UV，紫外线灯管是利用紫外线的特殊作用制成的 灯管，广泛用于污水处理、杀菌消毒、印刷固化、粘接等领域。强紫外线灯管由高品质的纯石 英管材料制成，纯石英材料每毫米厚度的紫外线透过率约为87%，远高于其他材料。紫外杀 菌的原理是通过辐射导致某些光敏分子诱发自由基和造成脂质过氧化反应等方式而损害 有机体，对微生物作用时，构成生命体基本成分的核酸受紫外辐射达一定剂量时发生变异， 引起微生物体内蛋白质和酶和合成障碍，导致微生物失去繁殖能力或死亡。紫外线杀菌快 速，没有化学反应，不会造成二次污染，在海洋船舶压载水处理系统中有广泛应用。传统连 续型紫外电源驱动的灯管多为汞灯。连续型紫外电源的不足是紫外辐射成分低，启动停止 过程需要数分钟的预热状态，灯管电极材料持续挥发导致工作效率降低。另外一种紫外灯 管是氙灯，氙灯最初用于摄影领域，现已扩展到液体固化和杀菌领域。氙灯里面的氙是气 体，因此它既可作连续光源，也可作脉冲光源。连续发光时紫外输出低而红外区较高;脉冲 方式发光时，因为气体压力增高和等离子区温度上升使紫外输出成分显著提高。用于船舶 压载水杀菌处理的氙灯是脉冲式。脉冲氙灯优点是：（1)激发电位和电离电位相差小；（2)紫 外频段所占比例大于30%，而传统汞灯的紫外频段仅10%左右。（3)光、电参数一致性好， 工作状态受外界影响小；（4)一经点燃，几乎瞬时达到稳定的光输出，灯灭之后可以瞬时再 点燃。
[0003] 在紫外线杀菌的过程中，光化学反应占据了主导地位。紫外线杀菌近似一级光化 学反应，表示为：
[0005]式中：
[0006] N--微生物活体的浓度(个/L);
[0007] t--灭菌照射时间，s;
[0008] I――平均紫外线辐射强度，yW/cm2
[0009] k--一级反应速率常数，cm2/W.s
[0010] 从上式看出，灭菌效果和辐射强度I成正比，脉冲氙灯在放电期间，较大的电压和 电流，实时辐射强度较高。耗费相同的电能，脉冲氙灯杀菌效果比连续汞灯高30%。
[0011]在日常生活中，普通的家庭电炉需要调节功率、电扇需要调节速度、白炽灯需要调 节亮度。脉冲氙灯也不例外，需要根据应用环境的不同对调节紫外线灯管的辐射强度进行 调节，而脉冲氙灯辐射强度(功率）的调节一般是通过调节为紫外线灯管供电频率实现的， 这就要求为紫外线灯管供电的电源必须是输出可调。传统脉冲电源体积较大，电路结构复 杂，频率调节的分辨率低，且不易扩展。
【发明内容】
[0012] 为了解决上述问题，本实用新型提供了一种紫外灯电源，其电路结构简单，能够灵 活调节脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展。
[0013] 其技术方案是这样的：一种紫外灯电源，其特征在于，其包括主电路、启辉电路、控 制电路和检测电路，所述主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，所述启辉电路包 括启辉电压输入单元、启辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，所述检测电路包括电流检测单元 和电压检测单元，所述控制电路包括MCU单元，所述主电路、启辉电路和检测电路均连接所 述MCU单元，所述主电压输入单元包括第一输入整流滤波器、全桥变换器、第一高频变压器 和第一输出整流滤波器，所述电容充放电单元包括主电容，所述主电压输入单元对所述主 电容进行充电以提供放电电压，所述启辉电压输入单元包括第二输入整流滤波器、半桥逆 变器、第二高频变压器、第二输出整流滤波器，所述启辉电压输入单元提供给所述启辉电路 启辉电压来控制所述脉冲氙灯启辉和通过所述PWM控制器提供预燃电流实现所述脉冲氙灯 的预电离状态，所述电压检测单元检测所述主电容的电压，所述电流检测单元检测所述脉 冲氙灯的电流。
[0014] 其进一步特征在于，所述第一输入整流滤波器包括二极管全桥整流电路，所述全 桥变换器包括IGBT模块，所述第一输出整流滤波器通过高压硅堆整流；
[0015] 所述启辉单元包括电阻R016和电容C021，所述电阻R016通过电阻R017连接二极管 D020的正极，所述二极管D020的负极连接电容C020-端、电阻R018-端，所述电阻R018另一 端连接电阻R019-端，所述电阻R019另一端连接所述电容C020另一端、击穿放电管FD2- 端和所述脉冲氙灯，所述击穿放电管Π )2另一端与所述二极管D020的负极连接变压器TG8- 端，所述变压器TG8另一端连接电阻R020-端、二极管D021的负极，所述电容C021-端连接 所述二极管D021的正极、另一端连接所述电阻R020另一端；
[0016] 所述MCU单元包括dsPIC30F2020单片机；
[0017] 所述电容充放电单元还包括可控硅控制电路和可控硅触发电路，所述可控硅触发 电路包括电阻R329,所述电阻R329-端连接所述MCU单元的P-7脚、另一端连接反相器U1A的 输入端和反相器U1B的输入端，所述反相器U1A的输出端和所述反相器U1B输出端均连接电 阻R318-端、电容C329-端，所述电阻R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321 负极，所述电容C329另一端连接所述电阻R319另一端、二极管D321正极，所述二极管D321两 端还通过变压器TQ11连接所述MCU单元的Portl脚和Port2脚；
[0018] 所述可控硅控制电路包括IC3芯片和IC4芯片，所述芯片IC3的la脚通过电阻R45连 接所述Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电阻R46连接所述MCU单元的P-26脚、G脚通过电容C33和 电阻R47连接V脚、0a脚和Ob脚连接变压器TG2-端，所述变压器TG2另一端连接电阻R55 - 端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻R58-端、电阻R59-端、电阻R60-端、稳压管VD14负 极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的2脚和3脚，所述电阻R55另一端连接二极管D11的正 极、所述电阻R57另一端、稳压管VD13负极、接线端子排X9的1脚，所述电阻R56另一端连接所 述二极管D11的负极，所述稳压管VD13的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述电阻R58 另一端连接二极管D12的正极、所述电阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚， 所述电阻R59另一端连接所述二极管D12的负极，所述稳压管VD16的正极与所述稳压管VD14 的正极相连，所述芯片IC4的la脚通过电阻R51连接所述MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2 连接所述Μ⑶单元的P-22脚、Oa脚和Ob脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电 阻R50-端和VCC，所述电阻R50另一端连接LED18-端，所述LED18另一端连接三极管Q11的 集电极，所述三极管Q11的发射极接地、基极连接电阻R49-端，所述电阻R49另一端连接所 述MCU单元的P-26脚，所述变压器TG3另一端连接电阻R61-端、电阻R62-端、电阻R63-端、 电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66-端、稳压管VD17负极、稳压管VD19负极、接线端子排 X10的2脚和3脚，所述电阻R61另一端连接二极管D13的正极、所述电阻R63另一端、稳压管 VD17负极、接线端子排X10的1脚，所述电阻R62另一端连接所述二极管D13的负极，所述稳压 管VD17的正极与所述稳压管VD18的正极相连，所述电阻R64另一端连接二极管D14的正极、 所述电阻R66另一端、稳压管VD19负极、芯片X10的4脚，所述电阻R65另一端连接所述二极管 D12的正极，所述稳压管VD19的正极与所述稳压管VD20的正极相连；
[0019] 所述电压检测单元包括接口 X4，所述接口 X4连接所述主电容，所述接口 X4的2脚连 接电阻R15、电阻R18-端，所述电阻R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，所述运放 U2A的的2脚连接所述MCU单元的P2脚，所述运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，所述 电阻R14另一端与所述运放U2A的12脚相连后接地，所述电阻R13另一端连接电源Μ⑶单元的 电源VCC和电容C7-端，所述电容C7另一端与所述电容C8另一端相连后接地，所述电阻R18 另一端连接电容C9一端、电阻R19-端、稳压管VD 1负极、电阻R20-端，所述电阻R20的另一 端连接电容C10-端、所述MCU单元的Ρ4脚，所述接口 Χ4的一脚、电容C9另一端、电阻R19另一 端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接地；
[0020] 所述电流检测单元包括接线端子排Χ22,所述接线端子排Χ22的1脚连接电阻R100、 电容C108-端，所述Χ22的4脚连接所述电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、 电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管VD21负极，所述电阻R100，、另一端连接电容C55-端， 所述电容C55另一端连接电容C56-端，所述电容C56另一端连接所述电阻R83-1另一端、电 阻R83-2另一端、电阻R83-4另一端、电容C58另一端、电阻R83-3-端，所述电阻R83-3另一端 连接电容C211-端、稳压管VD211正极、运放U14A的4脚，所述稳压管VD211的负极连接稳压 管VD212的负极，所述稳压管VD212正极连接所述运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212 一端、TIL300芯片Β19的7脚，所述电阻R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均 接地，所述运放U14Α的2脚连接所述电容C212另一端、电阻R212-端，所述电阻R212另一端 连接所述TIL300芯片Β19的3脚，所述TIL300芯片Β19的5脚连接电容C213-端、所述运放 U14A的3脚，所述电容C213另一端和所述TIL300芯片Β19的1脚均接地，所述TIL300芯片Β19 的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213-端，所述运放U15A的2脚与4脚相连并连接电阻R214 一端，所述电阻R214另一端连接接线端子排Χ30的4脚、电容C214-端，所述电容C214另一 端、接线端子排Χ30的3脚、运放U15Α的12脚、电阻R213另一端均接地。
[0021] 采用本实用新型的装置后，主电压输入单元对主电容进行充电提供放电电压，启 辉电压输出单元提供给所述启辉电路启辉电压来控制所述脉冲氙灯启辉，同时还通过所述 PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预电离状态，使得在氙灯工作期间，维持电流始终 存在，电压检测单元检测主电容的电压，对电压的实时调整、确定是否对氙灯放电，电流检 测单元检测脉冲氙灯的电流，实现对氙灯的恒流控制，若氙灯没有电流，则认为不在预燃状 态，则MCU不会对主电容充电，也不会操作主电容对氙灯放电，整体结构简单，能够灵活调节 脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型工作原理图；
[0023]图2为本实用新型系统框图；
[0024]图3为启辉电路系统框图；
[0025]图4为启辉电路图；
[0026]图5为电流检测单元电路图；
[0027]图6为可控硅触发电路图；
[0028]图7为电压检测单元电路图；
[0029] 图8为可控硅控制电路图；
[0030] 图9为脉冲氙灯点亮状态时程序流程图；
[0031] 图10为主电容充电电压模数转换中断响应过程流程图；
【具体实施方式】
[0032] 见图2,图3所示，一种紫外灯电源，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电 路，主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，启辉电路包括启辉电压输入单元、启辉 单元、PWM控制器和脉冲氙灯，检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，控制电路包括 MCU单元，主电路、启辉电路和检测电路均连接MCU单元，主电压输入单元包括第一输入整流 滤波器、全桥变换器、第一高频变压器和第一输出整流滤波器，电容充放电单元包括主电 容，主电压输入单元对主电容进行充电提供放电电压，启辉电压输入单元包括第二输入整 流滤波器、半桥逆变器、第二高频变压器、第二输出整流滤波器，启辉电压输出单元提供给 启辉电路启辉电压来控制脉冲氙灯启辉和通过PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预 电离状态，电压检测单元检测主电容的电压，电流检测单元检测脉冲氙灯的电流。整体的工 作原理如原理图所示，即图1所示，U3是是系统主电容C1提供的放电电压，U1电压用于脉冲 氙灯启辉，U2提供保持灯管处于预燃状态的维持电流。驱动脉冲氙灯的过程是：电压U1向启 辉电容C2充电，然后可控硅VT2导通，电容C2经变压器放电，变压器次级电压很高，使得氙灯 气体电离，氙灯内阻变得很小(约〇. 1欧），此时维持电压U2通过二极管D和电阻R1对氙灯放 电，形成约200mA的维持电流。在氙灯工作期间，维持电流始终存在。系统的能量输入部分不 断对主电容C1充电，提供放电电压U3，当可控硅VT1导通，主电容C1对氙灯放电，电压放完之 后，VT1关闭，系统对主电容C1充电，直到下一次放电。主电容C1充放电的频率即为系统脉冲 的频率，取值范围为1 - 100Hz，调整该频率，实现脉冲氙灯功率的改变，从而实现灭菌剂量的 调整。
[0033] 本实用新型的系统实现电能到紫外光能转换、氙灯启辉、过流保护和电压检测等 功能。Μ⑶单元采用dsPIC30F2020单片机，完成系统时序控制，它含有8路PWM输出，用于完成 系统的电压、电流闭环控制功能。运行在微控制器MCU上的软件功能主要有:主逻辑时序控 制、PWM输出控制、通信模块、数模转换和过载保护。MCU的软件部分采用模块化设计，其中主 程序实现各个模块的初始化，在程序初始期间初始化各个硬件模块，包括I/O 口模块、PWM模 块、AD模块、串口通信模块、定时器模块，模拟比较器模块，然后进入主循环。主循环中判断 各个子程序的标志位，确定是否调用该子程序。用户按钮输入和串口通信响应在中毒服务 程序中实现。整个软件有9个子模块，分别是通信模块、指令处理模块、充电过程模块、放电 过程模块，启辉过程模块，维持电流控制模块、过热处理、灯管报警处理和电源报警处理模 块。其中通信和和指令处理在中断响应中初步操作，置位对应的标志位，返回主程序，由主 程序根据标志位进行进一步处理。通信协议采用MODBUS协议485总线，紫外脉冲电源作为从 站。当氙灯处于点亮状态时的主程序流程图如图9所示。
[0034]第一输入整流滤波器包括二极管全桥整流电路，全桥转换器使用IGBT模块，高频 驱动部分输出高压，第一输出滤波器使用高压硅堆进行整流，电容器过可控硅对脉冲氙灯 进行放电。全桥变换器工作在高频开关状态，需要对其电流进行检测，以便确定MCU是否进 行保护动作。
[0035] 见图4所示，其中，启辉单元包括电阻R016和电容C021，电阻R016通过电阻R017连 接二极管D020的正极，二极管D020的负极连接电容C020-端、电阻R018-端，电阻R018另一 端连接电阻R019-端，电阻R019另一端连接电容C020另一端、击穿放电管Π )2-端和脉冲氙 灯，击穿放电管Π )2另一端与二极管D020的负极连接变压器TG8-端，变压器TG8另一端连接 电阻R020-端、二极管D021的负极，电容C021-端连接二极管D021的正极、另一端连接电阻 R020另一端。其余电路为常规电路，具体见图所示。
[0036] 见图6，图8所示，电容充放电单元还包括可控硅控制电路和可控硅触发电路，可控 硅触发电路包括电阻R329,电阻R329-端连接MCU单元的Ρ-7脚、另一端连接反相器U1A的输 入端和反相器U1B的输入端，反相器U1A的输出端和反相器U1B输出端均连接电阻R318-端、 电容C329-端，电阻R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321负极，电容C329另 一端连接电阻R319另一端、二极管D321正极，二极管D321两端还通过变压器TQ11连接MCU单 元的Portl脚和Port2脚。根据脉冲氙灯放电的特点，当触发脉冲到来，主电容对氙灯放电， 即电能从主电容转换到氙灯，部分以紫外光能的形式发散出去，实现对微生物紫外辐射。根 据设计指标，每个脉冲能量大于80焦耳，主电容电压常规之为3千伏，根据电容储能公式
[0038]确定主电容容值大于20微法。根据容值、耐压和体积要求，选定了某型耐压5.5千 伏、容值22微法的电容器。当需要主电容放电时，MCU使能P-7脚，使可控硅迅速导通，放电电 路接通。可控硅输入端并联的反相器是为了增加负载驱动能力。电容充电电压为3KV附近可 调，脉冲氙灯最大电流为1500A。
[0039] 可控硅控制电路包括IC3芯片和IC4芯片，IC3和IC4是IXDN504,即4安培双低侧超 快M0SFET驱动器。芯片IC3的la脚通过电阻R45连接Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电阻R46连 接MCU单元的P-26脚、G脚通过电容C33和电阻R47连接V脚、0a脚和Ob脚连接变压器TG2-端， 变压器TG2另一端连接电阻R55-端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻R58-端、电阻R59- 端、电阻R60-端、稳压管VD14负极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的2脚和3脚，电阻R55另 一端连接二极管D11的正极、电阻R57另一端、稳压管VD13负极、接线端子排X9的1脚，电阻 R56另一端连接二极管D11的负极，稳压管VD13的正极与稳压管VD14的正极相连，电阻R58另 一端连接二极管D12的正极、电阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚，电阻 R59另一端连接二极管D12的负极，稳压管VD16的正极与稳压管VD14的正极相连，芯片IC4 的la脚通过电阻R51连接MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2连接MCU单元的P-22脚、Oa脚和 〇b脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电阻R50-端和VCC，电阻R50另一端连 接LED18-端，LED18另一端连接三极管Ql 1的集电极，三极管Ql 1的发射极接地、基极连接电 阻R49-端，电阻R49另一端连接Μ⑶单元的P-26脚，变压器TG3另一端连接电阻R61-端、电 阻R62-端、电阻R63-端、电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66-端、稳压管VD17负极、稳压 管VD19负极、接线端子排Χ10的2脚和3脚，电阻R61另一端连接二极管D13的正极、电阻R63另 一端、稳压管VD17负极、接线端子排Χ10的1脚，电阻R62另一端连接二极管D13的负极，稳压 管VD17的正极与稳压管VD18的正极相连，电阻R64另一端连接二极管D14的正极、电阻R66另 一端、稳压管VD19负极、接线端子排Χ10的4脚，电阻R65另一端连接二极管D12的正极，稳压 管VD19的正极与稳压管VD20的正极相连;对灯管放电的可控硅模块由IGBT逆变器控制。为 了简化电路设计，IGBT的驱动信号由单片机产生，为降低开关损耗，采用移相PWM技术，见图 8,单片机的21、22、25和26管脚是PWM波输出管脚。由于逆变器工作在高频开关状态，容易干 扰单片机，IGBT的驱动信号需要15-20V的电压，需把单片机输出用变压器TG2隔离并放大， 然后再驱动IGBT工作。驱动IGBT的四路信号结构相似，单片机输出P-25和P-26经过电阻R45 和R46进入IC3功率放大芯片，IC3的5脚和脉冲变压器之间连接电容C34,以加速IGBT关断和 平衡ΠΜ波不对称引起的脉冲变压器饱和问题。为了限制驱动电流和更好的关闭IGBT，在 变压器的副端，驱动信号经过并联电阻R55和R56和二极管D1，然后经过稳压管才接到IGBT 丰旲块上，实现对后者的驱动。
[0040] 见图7所示，电压检测单元包括接口 X4，接口 X4连接主电容，接口 X4的2脚连接电阻 R15、电阻R18-端，电阻R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，运放U2A的的2脚连接 Μ⑶单元的P2脚，运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，电阻R14另一端与运放U2A的12 脚相连后接地，电阻R13另一端连接电源MCU单元的电源VCC和电容C7-端，电容C7另一端与 电容C8另一端相连后接地，电阻R18另一端连接电容C9 一端、电阻R19-端、稳压管VD1负极、 电阻R20-端，电阻R20的另一端连接电容C10-端、Μ⑶单元的Ρ4脚，接口 Χ4的一脚、电容C9 另一端、电阻R19另一端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接地;本系统控制并检测主电 容上的电压，主电容每次放电时，系统检测主电容电压，判断是否放电正常，电压检测电路 如图7所示。电阻R30接控制芯片的模拟量输入接口 P4。P4用于检测充电电压，主电容充电时 电压逐步上升，电压值经过RC滤波和稳压管VD1进入P4口，控制芯片在充电期间读取电压 值。放电时，可控硅每触发一次，主电容放电一次，根据电压判断，若电容一定时间内放电异 常次数超过阈值，则发出报警信息。主电容电压反馈信号经过电阻R15接到比较器负端，正 端接恒定电压。比较器输出接控制芯片2号脚。每次主电容放电3ms后，控制芯片检测2号脚 电压，若为高电平则放电正常。
[0041] 见图5所示，电流检测单元包括接线端子排X22,接线端子排X22的1脚连接电阻 R100、电容C108-端，接线端子排X22的4脚连接电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管VD21负极，电阻R100，、另一端连接电容C55- 端，电容C55另一端连接电容C56-端，电容C56另一端连接电阻R83-1另一端、电阻R83-2另 一端、电阻R83-4另一端、电容C58另一端、电阻R83-3-端，电阻R83-3另一端连接电容C211 一端、稳压管VD211正极、运放U14A的4脚，稳压管VD211的负极连接稳压管VD212的负极，稳 压管VD212正极连接运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212-端、TIL300芯片B19的7脚， 电阻R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均接地，运放U14A的2脚连接电容 C212另一端、电阻R212-端，电阻R212另一端连接TIL300芯片B19的3脚，TIL300芯片B19的5 脚连接电容C213-端、运放U14A的3脚，电容C213另一端和TIL300芯片B19的1脚均接地， TIL300芯片B19的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213-端，运放U15A的2脚与4脚相连并连接 电阻R214-端，电阻R214另一端连接接线端子排X30的4脚、电容C214-端，电容C214另一 端、接线端子排X30的3脚、运放U15A的12脚、电阻R213另一端均接地;根据氙灯的特性，在点 燃后，需要维持预电离状态，若维持电流小，则容易熄灭，若电流太大，则功耗增加。本实用 新型的维持电流为100mA。在氙灯启辉后，UC3825会持续检测灯管维持电流，它根据电流的 大小调整驱动信号的占空比，实现恒流控制。UC3825的11脚和14脚输出ΠΜ波形，通过功率 放大后驱动MOSFET来完成电流控制。为保持恒流，需要检测电流，在灯管回路中串联电阻 R83,其电压和电流成正比，将R83上电压经过VD11稳压后作为运算放大器的输入，稳压管 VD211和VD212限制运放的输入电压，确保不会损坏后续的运算电路。灯管电路电压较大，需 要和弱电部分隔离，元件B19是TIL300芯片，用于信号隔离，并且带宽和线性度满足使用要 求，已知电阻R201和R213的比值，通过运放输出端电压值，可以计算出R83两端电压，由此得 出灯管电流值。
[0042] AD采样中断程序用于对主电容充电电压的读取。单片机根据AD结果确定PWM模块 的开关，确保主电容电压精确地稳定在设定值上。本系统采用的dsPIC30f2020单片机自带 逐次逼近型AD模块分辨率为10位，转换速度和精确度达到本系统要求。AD目标对象电压在 千伏数量级，同时在主控PCB上有开关电源，这些因素对AD模块的抗干扰能力提出很高要 求。图10显示了AD中断处理的全过程，为了消除外部干扰对单片机接收数据的影响，对AD结 果进行预处理，处理方法是每采集到三个数据就排序并取中间值，以此降低外部干扰。然后 判断目标数据数据和预设值的差异，若连续三次接收值大于或等于设定值，则认为充电完 毕，并关闭PWM输出；若接收值小于设定值，若PWM正在关闭状态且连续超过三次，则打开 PWM，对主电容进行充电。
[0043]本实用新型以主电容充放电功能为核心，通过共用的硬件电路实现紫外灯管启辉 和维持，利用控制芯片对主电容充电和放电频率进行调节，就完成了对电源的输出功率的 灵活调节，不仅电路结构简单，而且电源功率易于扩展。除了充放电频率可调，主电容的充 电电压、充电电流和放电电流都可调，能够匹配不同脉冲氙灯的特性，提高了产品的稳定性 和适应性。
【主权项】
1. 一种紫外灯电源，其特征在于，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电路，所述 主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，所述启辉电路包括启辉电压输入单元、启 辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，所述检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，所述控 制电路包括MCU单元，所述主电路、启辉电路和检测电路均连接所述MCU单元，所述主电压输 入单元包括第一输入整流滤波器、全桥变换器、第一高频变压器和第一输出整流滤波器，所 述电容充放电单元包括主电容，所述主电压输入单元对所述主电容进行充电以提供放电电 压，所述启辉电压输入单元包括第二输入整流滤波器、半桥逆变器、第二高频变压器、第二 输出整流滤波器，所述启辉电压输入单元提供给所述启辉电路启辉电压来控制所述脉冲氙 灯启辉和通过所述PWM控制器提供预燃电流实现所述脉冲氙灯的预电离状态，所述电压检 测单元检测所述主电容的电压，所述电流检测单元检测所述脉冲氙灯的电流。2. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述第一输入整流滤波器包括 二极管全桥整流电路，所述全桥变换器包括IGBT模块，所述第一输出整流滤波器通过高压 硅堆整流。3. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述启辉单元包括电阻R016和 电容C021，所述电阻R016通过电阻R017连接二极管D020的正极，所述二极管D020的负极连 接电容C020-端、电阻R018-端，所述电阻R018另一端连接电阻R019-端，所述电阻R019另 一端连接所述电容C020另一端、击穿放电管Π )2-端和所述脉冲氙灯，所述击穿放电管Π )2 另一端与所述二极管D020的负极连接变压器TG8-端，所述变压器TG8另一端连接电阻R020 一端、二极管D021的负极，所述电容C021-端连接所述二极管D021的正极、另一端连接所述 电阻R020另一端。4. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述MCU单元包括 dsPIC30F2020 单片机。5. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电容充放电单元还包括可 控硅控制电路和可控硅触发电路，所述可控硅触发电路包括电阻R329，所述电阻R329-端 连接所述MCU单元的P-7脚、另一端连接反相器U1A的输入端和反相器U1B的输入端，所述反 相器U1A的输出端和所述反相器U1B输出端均连接电阻R318-端、电容C329-端，所述电阻 R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321负极，所述电容C329另一端连接所述 电阻R319另一端、二极管D321正极，所述二极管D321两端还通过变压器TQ11连接所述MCU单 元的Portl脚和Port2脚。6. 根据权利要求5所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述可控硅控制电路包括IC3 芯片和IC4芯片，所述芯片IC3的la脚通过电阻R45连接所述Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电 阻R46连接所述Μ⑶单元的P-26脚、G脚通过电容C33和电阻R47连接V脚、Oa脚和Ob脚连接变 压器TG2-端，所述变压器TG2另一端连接电阻R55-端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻 R58-端、电阻R59-端、电阻R60-端、稳压管VD14负极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的 2脚和3脚，所述电阻R55另一端连接二极管D11的正极、所述电阻R57另一端、稳压管VD13负 极、接线端子排X9的1脚，所述电阻R56另一端连接所述二极管D11的负极，所述稳压管VD13 的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述电阻R58另一端连接二极管D12的正极、所述电 阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚，所述电阻R59另一端连接所述二极管 D12的负极，所述稳压管VD16的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述芯片IC4的la脚通 过电阻R51连接所述MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2连接所述MCU单元的P-22脚、Oa脚和 〇b脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电阻R50-端和VCC，所述电阻R50另一 端连接LED18-端，所述LED18另一端连接三极管Q11的集电极，所述三极管Q11的发射极接 地、基极连接电阻R49-端，所述电阻R49另一端连接所述MCU单元的P-26脚，所述变压器TG3 另一端连接电阻R61-端、电阻R62-端、电阻R63-端、电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66 一端、稳压管VD17负极、稳压管VD19负极、接线端子排X10的2脚和3脚，所述电阻R61另一 端连接二极管D13的正极、所述电阻R63另一端、稳压管VD17负极、接线端子排X10的1脚，所 述电阻R62另一端连接所述二极管D13的负极，所述稳压管VD17的正极与所述稳压管VD18的 正极相连，所述电阻R64另一端连接二极管D14的正极、所述电阻R66另一端、稳压管VD19负 极、芯片X10的4脚，所述电阻R65另一端连接所述二极管D12的正极，所述稳压管VD19的正极 与所述稳压管VD20的正极相连。7. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电压检测单元包括接口 X4，所述接口 X4连接所述主电容，所述接口 X4的2脚连接电阻R15、电阻R18-端，所述电阻 R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，所述运放U2A的2脚连接所述Μ⑶单元的P2脚，所 述运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，所述电阻R14另一端与所述运放U2A的12脚相 连后接地，所述电阻R13另一端连接电源MCU单元的电源VCC和电容C7-端，所述电容C7另一 端与所述电容C8另一端相连后接地，所述电阻R18另一端连接电容C9 一端、电阻R19-端、稳 压管VD1负极、电阻R20-端，所述电阻R20的另一端连接电容C10-端、所述Μ⑶单元的Ρ4脚， 所述接口 Χ4的一脚、电容C9另一端、电阻R19另一端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接 地。8. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电流检测单元包括接线端 子排Χ22,所述接线端子排Χ22的1脚连接电阻R100、电容C108-端，所述Χ22的4脚连接所述 电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管 VD21负极，所述电阻R100,另一端连接电容C55-端，所述电容C55另一端连接电容C56-端， 所述电容C56另一端连接所述电阻R83-1另一端、电阻R83-2另一端、电阻R83-4另一端、电容 C58另一端、电阻R83-3-端，所述电阻R83-3另一端连接电容C211-端、稳压管VD211正极、 运放U14A的4脚，所述稳压管VD211的负极连接稳压管VD212的负极，所述稳压管VD212正极 连接所述运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212-端、TIL300芯片Β19的7脚，所述电阻 R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均接地，所述运放U14Α的2脚连接所述电 容C212另一端、电阻R212-端，所述电阻R212另一端连接所述TIL300芯片Β19的3脚，所述 TIL300芯片Β19的5脚连接电容C213-端、所述运放U14A的3脚，所述电容C213另一端和所述 TIL300芯片Β19的1脚均接地，所述TIL300芯片Β19的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213- 端，所述运放U15A的2脚与4脚相连并连接电阻R214-端，所述电阻R214另一端连接接线端 子排Χ30的4脚、电容C214-端，所述电容C214另一端、接线端子排Χ30的3脚、运放U15A的12 脚、电阻R213另一端均接地。
【文档编号】H05B37/02GK205726583SQ201620126901
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月18日
【发明人】胡业磊, 黄波, 郭昭存
【申请人】无锡蓝天电子股份有限公司
【专利摘要】本实用新型涉及电源技术领域，具体为一种紫外灯电源，其电路结构简单，能够灵活调节脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电路，主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，启辉电路包括启辉电压输入单元、启辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，控制电路包括MCU单元，主电路、启辉电路和检测电路均连接MCU单元，主电压输入单元对主电容进行充电以提供放电电压，启辉电压输入单元提供给启辉电路启辉电压来控制脉冲氙灯启辉和通过PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预电离状态，电压检测单元检测主电容的电压，电流检测单元检测脉冲氙灯的电流。
【专利说明】
紫外灯电源
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电源技术领域，具体为一种紫外灯电源。
【背景技术】
[0002] 紫外线英文为Ultraviolet，简称UV，紫外线灯管是利用紫外线的特殊作用制成的 灯管，广泛用于污水处理、杀菌消毒、印刷固化、粘接等领域。强紫外线灯管由高品质的纯石 英管材料制成，纯石英材料每毫米厚度的紫外线透过率约为87%，远高于其他材料。紫外杀 菌的原理是通过辐射导致某些光敏分子诱发自由基和造成脂质过氧化反应等方式而损害 有机体，对微生物作用时，构成生命体基本成分的核酸受紫外辐射达一定剂量时发生变异， 引起微生物体内蛋白质和酶和合成障碍，导致微生物失去繁殖能力或死亡。紫外线杀菌快 速，没有化学反应，不会造成二次污染，在海洋船舶压载水处理系统中有广泛应用。传统连 续型紫外电源驱动的灯管多为汞灯。连续型紫外电源的不足是紫外辐射成分低，启动停止 过程需要数分钟的预热状态，灯管电极材料持续挥发导致工作效率降低。另外一种紫外灯 管是氙灯，氙灯最初用于摄影领域，现已扩展到液体固化和杀菌领域。氙灯里面的氙是气 体，因此它既可作连续光源，也可作脉冲光源。连续发光时紫外输出低而红外区较高;脉冲 方式发光时，因为气体压力增高和等离子区温度上升使紫外输出成分显著提高。用于船舶 压载水杀菌处理的氙灯是脉冲式。脉冲氙灯优点是：（1)激发电位和电离电位相差小；（2)紫 外频段所占比例大于30%，而传统汞灯的紫外频段仅10%左右。（3)光、电参数一致性好， 工作状态受外界影响小；（4)一经点燃，几乎瞬时达到稳定的光输出，灯灭之后可以瞬时再 点燃。
[0003] 在紫外线杀菌的过程中，光化学反应占据了主导地位。紫外线杀菌近似一级光化 学反应，表示为：
[0005]式中：
[0006] N--微生物活体的浓度(个/L);
[0007] t--灭菌照射时间，s;
[0008] I――平均紫外线辐射强度，yW/cm2
[0009] k--一级反应速率常数，cm2/W.s
[0010] 从上式看出，灭菌效果和辐射强度I成正比，脉冲氙灯在放电期间，较大的电压和 电流，实时辐射强度较高。耗费相同的电能，脉冲氙灯杀菌效果比连续汞灯高30%。
[0011]在日常生活中，普通的家庭电炉需要调节功率、电扇需要调节速度、白炽灯需要调 节亮度。脉冲氙灯也不例外，需要根据应用环境的不同对调节紫外线灯管的辐射强度进行 调节，而脉冲氙灯辐射强度(功率）的调节一般是通过调节为紫外线灯管供电频率实现的， 这就要求为紫外线灯管供电的电源必须是输出可调。传统脉冲电源体积较大，电路结构复 杂，频率调节的分辨率低，且不易扩展。
【发明内容】
[0012] 为了解决上述问题，本实用新型提供了一种紫外灯电源，其电路结构简单，能够灵 活调节脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展。
[0013] 其技术方案是这样的：一种紫外灯电源，其特征在于，其包括主电路、启辉电路、控 制电路和检测电路，所述主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，所述启辉电路包 括启辉电压输入单元、启辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，所述检测电路包括电流检测单元 和电压检测单元，所述控制电路包括MCU单元，所述主电路、启辉电路和检测电路均连接所 述MCU单元，所述主电压输入单元包括第一输入整流滤波器、全桥变换器、第一高频变压器 和第一输出整流滤波器，所述电容充放电单元包括主电容，所述主电压输入单元对所述主 电容进行充电以提供放电电压，所述启辉电压输入单元包括第二输入整流滤波器、半桥逆 变器、第二高频变压器、第二输出整流滤波器，所述启辉电压输入单元提供给所述启辉电路 启辉电压来控制所述脉冲氙灯启辉和通过所述PWM控制器提供预燃电流实现所述脉冲氙灯 的预电离状态，所述电压检测单元检测所述主电容的电压，所述电流检测单元检测所述脉 冲氙灯的电流。
[0014] 其进一步特征在于，所述第一输入整流滤波器包括二极管全桥整流电路，所述全 桥变换器包括IGBT模块，所述第一输出整流滤波器通过高压硅堆整流；
[0015] 所述启辉单元包括电阻R016和电容C021，所述电阻R016通过电阻R017连接二极管 D020的正极，所述二极管D020的负极连接电容C020-端、电阻R018-端，所述电阻R018另一 端连接电阻R019-端，所述电阻R019另一端连接所述电容C020另一端、击穿放电管FD2- 端和所述脉冲氙灯，所述击穿放电管Π )2另一端与所述二极管D020的负极连接变压器TG8- 端，所述变压器TG8另一端连接电阻R020-端、二极管D021的负极，所述电容C021-端连接 所述二极管D021的正极、另一端连接所述电阻R020另一端；
[0016] 所述MCU单元包括dsPIC30F2020单片机；
[0017] 所述电容充放电单元还包括可控硅控制电路和可控硅触发电路，所述可控硅触发 电路包括电阻R329,所述电阻R329-端连接所述MCU单元的P-7脚、另一端连接反相器U1A的 输入端和反相器U1B的输入端，所述反相器U1A的输出端和所述反相器U1B输出端均连接电 阻R318-端、电容C329-端，所述电阻R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321 负极，所述电容C329另一端连接所述电阻R319另一端、二极管D321正极，所述二极管D321两 端还通过变压器TQ11连接所述MCU单元的Portl脚和Port2脚；
[0018] 所述可控硅控制电路包括IC3芯片和IC4芯片，所述芯片IC3的la脚通过电阻R45连 接所述Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电阻R46连接所述MCU单元的P-26脚、G脚通过电容C33和 电阻R47连接V脚、0a脚和Ob脚连接变压器TG2-端，所述变压器TG2另一端连接电阻R55 - 端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻R58-端、电阻R59-端、电阻R60-端、稳压管VD14负 极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的2脚和3脚，所述电阻R55另一端连接二极管D11的正 极、所述电阻R57另一端、稳压管VD13负极、接线端子排X9的1脚，所述电阻R56另一端连接所 述二极管D11的负极，所述稳压管VD13的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述电阻R58 另一端连接二极管D12的正极、所述电阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚， 所述电阻R59另一端连接所述二极管D12的负极，所述稳压管VD16的正极与所述稳压管VD14 的正极相连，所述芯片IC4的la脚通过电阻R51连接所述MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2 连接所述Μ⑶单元的P-22脚、Oa脚和Ob脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电 阻R50-端和VCC，所述电阻R50另一端连接LED18-端，所述LED18另一端连接三极管Q11的 集电极，所述三极管Q11的发射极接地、基极连接电阻R49-端，所述电阻R49另一端连接所 述MCU单元的P-26脚，所述变压器TG3另一端连接电阻R61-端、电阻R62-端、电阻R63-端、 电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66-端、稳压管VD17负极、稳压管VD19负极、接线端子排 X10的2脚和3脚，所述电阻R61另一端连接二极管D13的正极、所述电阻R63另一端、稳压管 VD17负极、接线端子排X10的1脚，所述电阻R62另一端连接所述二极管D13的负极，所述稳压 管VD17的正极与所述稳压管VD18的正极相连，所述电阻R64另一端连接二极管D14的正极、 所述电阻R66另一端、稳压管VD19负极、芯片X10的4脚，所述电阻R65另一端连接所述二极管 D12的正极，所述稳压管VD19的正极与所述稳压管VD20的正极相连；
[0019] 所述电压检测单元包括接口 X4，所述接口 X4连接所述主电容，所述接口 X4的2脚连 接电阻R15、电阻R18-端，所述电阻R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，所述运放 U2A的的2脚连接所述MCU单元的P2脚，所述运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，所述 电阻R14另一端与所述运放U2A的12脚相连后接地，所述电阻R13另一端连接电源Μ⑶单元的 电源VCC和电容C7-端，所述电容C7另一端与所述电容C8另一端相连后接地，所述电阻R18 另一端连接电容C9一端、电阻R19-端、稳压管VD 1负极、电阻R20-端，所述电阻R20的另一 端连接电容C10-端、所述MCU单元的Ρ4脚，所述接口 Χ4的一脚、电容C9另一端、电阻R19另一 端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接地；
[0020] 所述电流检测单元包括接线端子排Χ22,所述接线端子排Χ22的1脚连接电阻R100、 电容C108-端，所述Χ22的4脚连接所述电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、 电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管VD21负极，所述电阻R100，、另一端连接电容C55-端， 所述电容C55另一端连接电容C56-端，所述电容C56另一端连接所述电阻R83-1另一端、电 阻R83-2另一端、电阻R83-4另一端、电容C58另一端、电阻R83-3-端，所述电阻R83-3另一端 连接电容C211-端、稳压管VD211正极、运放U14A的4脚，所述稳压管VD211的负极连接稳压 管VD212的负极，所述稳压管VD212正极连接所述运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212 一端、TIL300芯片Β19的7脚，所述电阻R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均 接地，所述运放U14Α的2脚连接所述电容C212另一端、电阻R212-端，所述电阻R212另一端 连接所述TIL300芯片Β19的3脚，所述TIL300芯片Β19的5脚连接电容C213-端、所述运放 U14A的3脚，所述电容C213另一端和所述TIL300芯片Β19的1脚均接地，所述TIL300芯片Β19 的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213-端，所述运放U15A的2脚与4脚相连并连接电阻R214 一端，所述电阻R214另一端连接接线端子排Χ30的4脚、电容C214-端，所述电容C214另一 端、接线端子排Χ30的3脚、运放U15Α的12脚、电阻R213另一端均接地。
[0021] 采用本实用新型的装置后，主电压输入单元对主电容进行充电提供放电电压，启 辉电压输出单元提供给所述启辉电路启辉电压来控制所述脉冲氙灯启辉，同时还通过所述 PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预电离状态，使得在氙灯工作期间，维持电流始终 存在，电压检测单元检测主电容的电压，对电压的实时调整、确定是否对氙灯放电，电流检 测单元检测脉冲氙灯的电流，实现对氙灯的恒流控制，若氙灯没有电流，则认为不在预燃状 态，则MCU不会对主电容充电，也不会操作主电容对氙灯放电，整体结构简单，能够灵活调节 脉冲输出频率和单次充电电压，电源功率易于扩展。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型工作原理图；
[0023]图2为本实用新型系统框图；
[0024]图3为启辉电路系统框图；
[0025]图4为启辉电路图；
[0026]图5为电流检测单元电路图；
[0027]图6为可控硅触发电路图；
[0028]图7为电压检测单元电路图；
[0029] 图8为可控硅控制电路图；
[0030] 图9为脉冲氙灯点亮状态时程序流程图；
[0031] 图10为主电容充电电压模数转换中断响应过程流程图；
【具体实施方式】
[0032] 见图2,图3所示，一种紫外灯电源，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电 路，主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，启辉电路包括启辉电压输入单元、启辉 单元、PWM控制器和脉冲氙灯，检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，控制电路包括 MCU单元，主电路、启辉电路和检测电路均连接MCU单元，主电压输入单元包括第一输入整流 滤波器、全桥变换器、第一高频变压器和第一输出整流滤波器，电容充放电单元包括主电 容，主电压输入单元对主电容进行充电提供放电电压，启辉电压输入单元包括第二输入整 流滤波器、半桥逆变器、第二高频变压器、第二输出整流滤波器，启辉电压输出单元提供给 启辉电路启辉电压来控制脉冲氙灯启辉和通过PWM控制器提供预燃电流实现脉冲氙灯的预 电离状态，电压检测单元检测主电容的电压，电流检测单元检测脉冲氙灯的电流。整体的工 作原理如原理图所示，即图1所示，U3是是系统主电容C1提供的放电电压，U1电压用于脉冲 氙灯启辉，U2提供保持灯管处于预燃状态的维持电流。驱动脉冲氙灯的过程是：电压U1向启 辉电容C2充电，然后可控硅VT2导通，电容C2经变压器放电，变压器次级电压很高，使得氙灯 气体电离，氙灯内阻变得很小(约〇. 1欧），此时维持电压U2通过二极管D和电阻R1对氙灯放 电，形成约200mA的维持电流。在氙灯工作期间，维持电流始终存在。系统的能量输入部分不 断对主电容C1充电，提供放电电压U3，当可控硅VT1导通，主电容C1对氙灯放电，电压放完之 后，VT1关闭，系统对主电容C1充电，直到下一次放电。主电容C1充放电的频率即为系统脉冲 的频率，取值范围为1 - 100Hz，调整该频率，实现脉冲氙灯功率的改变，从而实现灭菌剂量的 调整。
[0033] 本实用新型的系统实现电能到紫外光能转换、氙灯启辉、过流保护和电压检测等 功能。Μ⑶单元采用dsPIC30F2020单片机，完成系统时序控制，它含有8路PWM输出，用于完成 系统的电压、电流闭环控制功能。运行在微控制器MCU上的软件功能主要有:主逻辑时序控 制、PWM输出控制、通信模块、数模转换和过载保护。MCU的软件部分采用模块化设计，其中主 程序实现各个模块的初始化，在程序初始期间初始化各个硬件模块，包括I/O 口模块、PWM模 块、AD模块、串口通信模块、定时器模块，模拟比较器模块，然后进入主循环。主循环中判断 各个子程序的标志位，确定是否调用该子程序。用户按钮输入和串口通信响应在中毒服务 程序中实现。整个软件有9个子模块，分别是通信模块、指令处理模块、充电过程模块、放电 过程模块，启辉过程模块，维持电流控制模块、过热处理、灯管报警处理和电源报警处理模 块。其中通信和和指令处理在中断响应中初步操作，置位对应的标志位，返回主程序，由主 程序根据标志位进行进一步处理。通信协议采用MODBUS协议485总线，紫外脉冲电源作为从 站。当氙灯处于点亮状态时的主程序流程图如图9所示。
[0034]第一输入整流滤波器包括二极管全桥整流电路，全桥转换器使用IGBT模块，高频 驱动部分输出高压，第一输出滤波器使用高压硅堆进行整流，电容器过可控硅对脉冲氙灯 进行放电。全桥变换器工作在高频开关状态，需要对其电流进行检测，以便确定MCU是否进 行保护动作。
[0035] 见图4所示，其中，启辉单元包括电阻R016和电容C021，电阻R016通过电阻R017连 接二极管D020的正极，二极管D020的负极连接电容C020-端、电阻R018-端，电阻R018另一 端连接电阻R019-端，电阻R019另一端连接电容C020另一端、击穿放电管Π )2-端和脉冲氙 灯，击穿放电管Π )2另一端与二极管D020的负极连接变压器TG8-端，变压器TG8另一端连接 电阻R020-端、二极管D021的负极，电容C021-端连接二极管D021的正极、另一端连接电阻 R020另一端。其余电路为常规电路，具体见图所示。
[0036] 见图6，图8所示，电容充放电单元还包括可控硅控制电路和可控硅触发电路，可控 硅触发电路包括电阻R329,电阻R329-端连接MCU单元的Ρ-7脚、另一端连接反相器U1A的输 入端和反相器U1B的输入端，反相器U1A的输出端和反相器U1B输出端均连接电阻R318-端、 电容C329-端，电阻R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321负极，电容C329另 一端连接电阻R319另一端、二极管D321正极，二极管D321两端还通过变压器TQ11连接MCU单 元的Portl脚和Port2脚。根据脉冲氙灯放电的特点，当触发脉冲到来，主电容对氙灯放电， 即电能从主电容转换到氙灯，部分以紫外光能的形式发散出去，实现对微生物紫外辐射。根 据设计指标，每个脉冲能量大于80焦耳，主电容电压常规之为3千伏，根据电容储能公式
[0038]确定主电容容值大于20微法。根据容值、耐压和体积要求，选定了某型耐压5.5千 伏、容值22微法的电容器。当需要主电容放电时，MCU使能P-7脚，使可控硅迅速导通，放电电 路接通。可控硅输入端并联的反相器是为了增加负载驱动能力。电容充电电压为3KV附近可 调，脉冲氙灯最大电流为1500A。
[0039] 可控硅控制电路包括IC3芯片和IC4芯片，IC3和IC4是IXDN504,即4安培双低侧超 快M0SFET驱动器。芯片IC3的la脚通过电阻R45连接Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电阻R46连 接MCU单元的P-26脚、G脚通过电容C33和电阻R47连接V脚、0a脚和Ob脚连接变压器TG2-端， 变压器TG2另一端连接电阻R55-端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻R58-端、电阻R59- 端、电阻R60-端、稳压管VD14负极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的2脚和3脚，电阻R55另 一端连接二极管D11的正极、电阻R57另一端、稳压管VD13负极、接线端子排X9的1脚，电阻 R56另一端连接二极管D11的负极，稳压管VD13的正极与稳压管VD14的正极相连，电阻R58另 一端连接二极管D12的正极、电阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚，电阻 R59另一端连接二极管D12的负极，稳压管VD16的正极与稳压管VD14的正极相连，芯片IC4 的la脚通过电阻R51连接MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2连接MCU单元的P-22脚、Oa脚和 〇b脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电阻R50-端和VCC，电阻R50另一端连 接LED18-端，LED18另一端连接三极管Ql 1的集电极，三极管Ql 1的发射极接地、基极连接电 阻R49-端，电阻R49另一端连接Μ⑶单元的P-26脚，变压器TG3另一端连接电阻R61-端、电 阻R62-端、电阻R63-端、电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66-端、稳压管VD17负极、稳压 管VD19负极、接线端子排Χ10的2脚和3脚，电阻R61另一端连接二极管D13的正极、电阻R63另 一端、稳压管VD17负极、接线端子排Χ10的1脚，电阻R62另一端连接二极管D13的负极，稳压 管VD17的正极与稳压管VD18的正极相连，电阻R64另一端连接二极管D14的正极、电阻R66另 一端、稳压管VD19负极、接线端子排Χ10的4脚，电阻R65另一端连接二极管D12的正极，稳压 管VD19的正极与稳压管VD20的正极相连;对灯管放电的可控硅模块由IGBT逆变器控制。为 了简化电路设计，IGBT的驱动信号由单片机产生，为降低开关损耗，采用移相PWM技术，见图 8,单片机的21、22、25和26管脚是PWM波输出管脚。由于逆变器工作在高频开关状态，容易干 扰单片机，IGBT的驱动信号需要15-20V的电压，需把单片机输出用变压器TG2隔离并放大， 然后再驱动IGBT工作。驱动IGBT的四路信号结构相似，单片机输出P-25和P-26经过电阻R45 和R46进入IC3功率放大芯片，IC3的5脚和脉冲变压器之间连接电容C34,以加速IGBT关断和 平衡ΠΜ波不对称引起的脉冲变压器饱和问题。为了限制驱动电流和更好的关闭IGBT，在 变压器的副端，驱动信号经过并联电阻R55和R56和二极管D1，然后经过稳压管才接到IGBT 丰旲块上，实现对后者的驱动。
[0040] 见图7所示，电压检测单元包括接口 X4，接口 X4连接主电容，接口 X4的2脚连接电阻 R15、电阻R18-端，电阻R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，运放U2A的的2脚连接 Μ⑶单元的P2脚，运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，电阻R14另一端与运放U2A的12 脚相连后接地，电阻R13另一端连接电源MCU单元的电源VCC和电容C7-端，电容C7另一端与 电容C8另一端相连后接地，电阻R18另一端连接电容C9 一端、电阻R19-端、稳压管VD1负极、 电阻R20-端，电阻R20的另一端连接电容C10-端、Μ⑶单元的Ρ4脚，接口 Χ4的一脚、电容C9 另一端、电阻R19另一端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接地;本系统控制并检测主电 容上的电压，主电容每次放电时，系统检测主电容电压，判断是否放电正常，电压检测电路 如图7所示。电阻R30接控制芯片的模拟量输入接口 P4。P4用于检测充电电压，主电容充电时 电压逐步上升，电压值经过RC滤波和稳压管VD1进入P4口，控制芯片在充电期间读取电压 值。放电时，可控硅每触发一次，主电容放电一次，根据电压判断，若电容一定时间内放电异 常次数超过阈值，则发出报警信息。主电容电压反馈信号经过电阻R15接到比较器负端，正 端接恒定电压。比较器输出接控制芯片2号脚。每次主电容放电3ms后，控制芯片检测2号脚 电压，若为高电平则放电正常。
[0041] 见图5所示，电流检测单元包括接线端子排X22,接线端子排X22的1脚连接电阻 R100、电容C108-端，接线端子排X22的4脚连接电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管VD21负极，电阻R100，、另一端连接电容C55- 端，电容C55另一端连接电容C56-端，电容C56另一端连接电阻R83-1另一端、电阻R83-2另 一端、电阻R83-4另一端、电容C58另一端、电阻R83-3-端，电阻R83-3另一端连接电容C211 一端、稳压管VD211正极、运放U14A的4脚，稳压管VD211的负极连接稳压管VD212的负极，稳 压管VD212正极连接运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212-端、TIL300芯片B19的7脚， 电阻R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均接地，运放U14A的2脚连接电容 C212另一端、电阻R212-端，电阻R212另一端连接TIL300芯片B19的3脚，TIL300芯片B19的5 脚连接电容C213-端、运放U14A的3脚，电容C213另一端和TIL300芯片B19的1脚均接地， TIL300芯片B19的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213-端，运放U15A的2脚与4脚相连并连接 电阻R214-端，电阻R214另一端连接接线端子排X30的4脚、电容C214-端，电容C214另一 端、接线端子排X30的3脚、运放U15A的12脚、电阻R213另一端均接地;根据氙灯的特性，在点 燃后，需要维持预电离状态，若维持电流小，则容易熄灭，若电流太大，则功耗增加。本实用 新型的维持电流为100mA。在氙灯启辉后，UC3825会持续检测灯管维持电流，它根据电流的 大小调整驱动信号的占空比，实现恒流控制。UC3825的11脚和14脚输出ΠΜ波形，通过功率 放大后驱动MOSFET来完成电流控制。为保持恒流，需要检测电流，在灯管回路中串联电阻 R83,其电压和电流成正比，将R83上电压经过VD11稳压后作为运算放大器的输入，稳压管 VD211和VD212限制运放的输入电压，确保不会损坏后续的运算电路。灯管电路电压较大，需 要和弱电部分隔离，元件B19是TIL300芯片，用于信号隔离，并且带宽和线性度满足使用要 求，已知电阻R201和R213的比值，通过运放输出端电压值，可以计算出R83两端电压，由此得 出灯管电流值。
[0042] AD采样中断程序用于对主电容充电电压的读取。单片机根据AD结果确定PWM模块 的开关，确保主电容电压精确地稳定在设定值上。本系统采用的dsPIC30f2020单片机自带 逐次逼近型AD模块分辨率为10位，转换速度和精确度达到本系统要求。AD目标对象电压在 千伏数量级，同时在主控PCB上有开关电源，这些因素对AD模块的抗干扰能力提出很高要 求。图10显示了AD中断处理的全过程，为了消除外部干扰对单片机接收数据的影响，对AD结 果进行预处理，处理方法是每采集到三个数据就排序并取中间值，以此降低外部干扰。然后 判断目标数据数据和预设值的差异，若连续三次接收值大于或等于设定值，则认为充电完 毕，并关闭PWM输出；若接收值小于设定值，若PWM正在关闭状态且连续超过三次，则打开 PWM，对主电容进行充电。
[0043]本实用新型以主电容充放电功能为核心，通过共用的硬件电路实现紫外灯管启辉 和维持，利用控制芯片对主电容充电和放电频率进行调节，就完成了对电源的输出功率的 灵活调节，不仅电路结构简单，而且电源功率易于扩展。除了充放电频率可调，主电容的充 电电压、充电电流和放电电流都可调，能够匹配不同脉冲氙灯的特性，提高了产品的稳定性 和适应性。
【主权项】
1. 一种紫外灯电源，其特征在于，其包括主电路、启辉电路、控制电路和检测电路，所述 主电路包括主电压输入单元和电容充放电单元，所述启辉电路包括启辉电压输入单元、启 辉单元、PWM控制器和脉冲氙灯，所述检测电路包括电流检测单元和电压检测单元，所述控 制电路包括MCU单元，所述主电路、启辉电路和检测电路均连接所述MCU单元，所述主电压输 入单元包括第一输入整流滤波器、全桥变换器、第一高频变压器和第一输出整流滤波器，所 述电容充放电单元包括主电容，所述主电压输入单元对所述主电容进行充电以提供放电电 压，所述启辉电压输入单元包括第二输入整流滤波器、半桥逆变器、第二高频变压器、第二 输出整流滤波器，所述启辉电压输入单元提供给所述启辉电路启辉电压来控制所述脉冲氙 灯启辉和通过所述PWM控制器提供预燃电流实现所述脉冲氙灯的预电离状态，所述电压检 测单元检测所述主电容的电压，所述电流检测单元检测所述脉冲氙灯的电流。2. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述第一输入整流滤波器包括 二极管全桥整流电路，所述全桥变换器包括IGBT模块，所述第一输出整流滤波器通过高压 硅堆整流。3. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述启辉单元包括电阻R016和 电容C021，所述电阻R016通过电阻R017连接二极管D020的正极，所述二极管D020的负极连 接电容C020-端、电阻R018-端，所述电阻R018另一端连接电阻R019-端，所述电阻R019另 一端连接所述电容C020另一端、击穿放电管Π )2-端和所述脉冲氙灯，所述击穿放电管Π )2 另一端与所述二极管D020的负极连接变压器TG8-端，所述变压器TG8另一端连接电阻R020 一端、二极管D021的负极，所述电容C021-端连接所述二极管D021的正极、另一端连接所述 电阻R020另一端。4. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述MCU单元包括 dsPIC30F2020 单片机。5. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电容充放电单元还包括可 控硅控制电路和可控硅触发电路，所述可控硅触发电路包括电阻R329，所述电阻R329-端 连接所述MCU单元的P-7脚、另一端连接反相器U1A的输入端和反相器U1B的输入端，所述反 相器U1A的输出端和所述反相器U1B输出端均连接电阻R318-端、电容C329-端，所述电阻 R318另一端连接电源VCC、电阻R319-端、二极管D321负极，所述电容C329另一端连接所述 电阻R319另一端、二极管D321正极，所述二极管D321两端还通过变压器TQ11连接所述MCU单 元的Portl脚和Port2脚。6. 根据权利要求5所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述可控硅控制电路包括IC3 芯片和IC4芯片，所述芯片IC3的la脚通过电阻R45连接所述Μ⑶单元的P-25脚、lb脚通过电 阻R46连接所述Μ⑶单元的P-26脚、G脚通过电容C33和电阻R47连接V脚、Oa脚和Ob脚连接变 压器TG2-端，所述变压器TG2另一端连接电阻R55-端、电阻R56-端、电阻R57-端、电阻 R58-端、电阻R59-端、电阻R60-端、稳压管VD14负极、稳压管VD16负极、接线端子排X9的 2脚和3脚，所述电阻R55另一端连接二极管D11的正极、所述电阻R57另一端、稳压管VD13负 极、接线端子排X9的1脚，所述电阻R56另一端连接所述二极管D11的负极，所述稳压管VD13 的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述电阻R58另一端连接二极管D12的正极、所述电 阻R60另一端、稳压管VD15负极、接线端子排X9的4脚，所述电阻R59另一端连接所述二极管 D12的负极，所述稳压管VD16的正极与所述稳压管VD14的正极相连，所述芯片IC4的la脚通 过电阻R51连接所述MCU单元的P-21脚、lb脚通过电阻R2连接所述MCU单元的P-22脚、Oa脚和 〇b脚连接变压器TG2、G脚接地、V脚通过电阻R53连接电阻R50-端和VCC，所述电阻R50另一 端连接LED18-端，所述LED18另一端连接三极管Q11的集电极，所述三极管Q11的发射极接 地、基极连接电阻R49-端，所述电阻R49另一端连接所述MCU单元的P-26脚，所述变压器TG3 另一端连接电阻R61-端、电阻R62-端、电阻R63-端、电阻R64-端、电阻R65-端、电阻R66 一端、稳压管VD17负极、稳压管VD19负极、接线端子排X10的2脚和3脚，所述电阻R61另一 端连接二极管D13的正极、所述电阻R63另一端、稳压管VD17负极、接线端子排X10的1脚，所 述电阻R62另一端连接所述二极管D13的负极，所述稳压管VD17的正极与所述稳压管VD18的 正极相连，所述电阻R64另一端连接二极管D14的正极、所述电阻R66另一端、稳压管VD19负 极、芯片X10的4脚，所述电阻R65另一端连接所述二极管D12的正极，所述稳压管VD19的正极 与所述稳压管VD20的正极相连。7. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电压检测单元包括接口 X4，所述接口 X4连接所述主电容，所述接口 X4的2脚连接电阻R15、电阻R18-端，所述电阻 R15另一端连接电容C8-端、运放U2A的4脚，所述运放U2A的2脚连接所述Μ⑶单元的P2脚，所 述运放U2A的5脚连接电阻R13、电阻R14-端，所述电阻R14另一端与所述运放U2A的12脚相 连后接地，所述电阻R13另一端连接电源MCU单元的电源VCC和电容C7-端，所述电容C7另一 端与所述电容C8另一端相连后接地，所述电阻R18另一端连接电容C9 一端、电阻R19-端、稳 压管VD1负极、电阻R20-端，所述电阻R20的另一端连接电容C10-端、所述Μ⑶单元的Ρ4脚， 所述接口 Χ4的一脚、电容C9另一端、电阻R19另一端、稳压管VD1的正极、电容C10另一端均接 地。8. 根据权利要求1所述的一种紫外灯电源，其特征在于，所述电流检测单元包括接线端 子排Χ22,所述接线端子排Χ22的1脚连接电阻R100、电容C108-端，所述Χ22的4脚连接所述 电容C108另一端、电阻R83-1-端、电阻R83-2-端、电阻R83-4-端、电容C58-端、稳压管 VD21负极，所述电阻R100,另一端连接电容C55-端，所述电容C55另一端连接电容C56-端， 所述电容C56另一端连接所述电阻R83-1另一端、电阻R83-2另一端、电阻R83-4另一端、电容 C58另一端、电阻R83-3-端，所述电阻R83-3另一端连接电容C211-端、稳压管VD211正极、 运放U14A的4脚，所述稳压管VD211的负极连接稳压管VD212的负极，所述稳压管VD212正极 连接所述运放U14A的5脚、电阻R201-端、电容C212-端、TIL300芯片Β19的7脚，所述电阻 R201另一端、电容C211另一端、稳压管VD21的正极均接地，所述运放U14Α的2脚连接所述电 容C212另一端、电阻R212-端，所述电阻R212另一端连接所述TIL300芯片Β19的3脚，所述 TIL300芯片Β19的5脚连接电容C213-端、所述运放U14A的3脚，所述电容C213另一端和所述 TIL300芯片Β19的1脚均接地，所述TIL300芯片Β19的8脚连接运放U15A的5脚、电容R213- 端，所述运放U15A的2脚与4脚相连并连接电阻R214-端，所述电阻R214另一端连接接线端 子排Χ30的4脚、电容C214-端，所述电容C214另一端、接线端子排Χ30的3脚、运放U15A的12 脚、电阻R213另一端均接地。
【文档编号】H05B37/02GK205726583SQ201620126901
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月18日
【发明人】胡业磊, 黄波, 郭昭存
【申请人】无锡蓝天电子股份有限公司
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1