顯微鏡直流汞燈電源

陳東明 廈門麥克奧迪公司開發(fā)部 361006

顯微鏡直流汞燈電源

陳東明 廈門麥克奧迪公司開發(fā)部 361006

文章介紹了顯微鏡用汞燈電源設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，詳細(xì)闡述100W直流高壓短弧汞燈所要求的電路，并介紹了一種實(shí)現(xiàn)延長汞燈使用壽命的電路。主要內(nèi)容包括：技術(shù)要求、設(shè)計(jì)方法、原理框圖、工作原理、工作過程。其主電路采用半橋PWM工作方式，該電路具有工作穩(wěn)定和良好的動態(tài)自控調(diào)節(jié)功能。

汞燈；開關(guān)電源；TL494；顯微鏡

1、引言

由于高級生物顯微鏡需要有豐富的紫外線來激發(fā)標(biāo)本的熒光，汞燈發(fā)射的光譜里含有豐富的紫外光，用來作為熒光顯微鏡的光源。熒光顯微鏡是熒光細(xì)胞化學(xué)的基本工具。是利用一定波長的光激發(fā)標(biāo)本內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)射出各種不同顏色的熒光后，通過物鏡和目鏡系統(tǒng)放大以觀察標(biāo)本的熒光圖像。主要用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能以及化學(xué)成分等的研究。

2、技術(shù)要求

電源的好壞，往往會影響燈泡的使用壽命。高壓短弧汞燈是一種氣體放電燈，符合氣體放電燈所特有的伏安特性。在汞燈的電極兩端加上電場的同時，還需要加上高壓脈沖用以擊穿燈泡內(nèi)部的氣體，形成弧光放電，從而電極的兩端就轉(zhuǎn)換成了汞燈工作所要求的電壓電流。本電源用于直流汞燈，對于其基本技術(shù)要求是必須要滿足的：

（1）電源輸入輸出參數(shù)

電源的輸入可以為110VAC和220VAC，通過撥動開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

輸出負(fù)載為100W/20V直流汞燈。觸發(fā)電壓為1000VDC，工作穩(wěn)態(tài)電壓在18VDC到40VDC之間，電流在2A到5A; PWM調(diào)制頻率是50KHz, 占空比可調(diào)范圍是50%。

（2）電流紋波

電流紋波系數(shù)要小，電流紋波一般要求小于5%。當(dāng)電流紋波大于12%時，燈泡的使用壽命將降低30%。

電流紋波定義為：σ= (Imax- Imin)/Ia

其中：σ是電流紋波系數(shù)；Imax是電流最大值；Imin電流最小值；Ia是電流平均值。

（3）啟動時沖擊電流

燈泡在觸發(fā)點(diǎn)燃瞬間的負(fù)載阻抗非常小，因此啟動的沖擊電流很大，比穩(wěn)態(tài)時大2倍左右，時間大約為80毫秒，如果燈泡的陽極在這樣的電流沖擊下，會導(dǎo)致電極溫度快速上升，電極會變型，使燈泡壽命減短。如圖1所示，要求啟動時間0～T越短越好，沖擊電流越小越好。

所以，這就要求電源的限流比較好，尤其是短路電流，最大值不能大于額定電流的110%。

圖 1 啟動輸出特性

（4）延長燈泡使用壽命

汞燈的特性隨著使用時間的增加，燈泡的兩電極會被磨損，燈的電極間的間距會加大，電壓會升高。燈的光通量也會下降，所以電氣特性也會改變。而汞燈一般正常壽命為200個小時，即200小時后燈泡光通量只有原來的80%，因此除了正常的燈泡基本電路要求外，本電路通過在不同 的電壓區(qū)間里適當(dāng)提高輸出功率，使燈泡能在工作250小時后，依然能達(dá)到照明所需要的光通量，使衰減小于20%，從而延長汞燈的使用壽命。

3、電路原理

本文介紹的直流汞燈電路主要是由主電路，觸發(fā)電路和自動控制電路三大部分組成。如圖2所示。交流電經(jīng)過全波橋式整流和電容濾波變?yōu)?00V直流電壓，再由PWM電路上的 TL494產(chǎn)生50KHz的脈沖電壓，將直流電轉(zhuǎn)換為高頻方波電壓，經(jīng)變壓器和整流，續(xù)流以及電容得到主電路的所需18～40電壓和1000V觸發(fā)電壓，這兩個電壓同時加到汞燈的電極上，使汞燈點(diǎn)燃。點(diǎn)燃后自動檢測汞燈的兩端電壓，從而調(diào)整所需電流，穩(wěn)定在所設(shè)定的電流下工作。

4、工作原理

本文著重介紹變換電路和檢測以及電流自動跳變電路。此電路上屬于半橋變換電路，電路如圖2所示。選擇此電路原因是此電路抗不平衡能力強(qiáng)，功率可以較大，電路電流比較穩(wěn)定，比較適合汞燈這樣的低壓，較大電流，功率較大，紋波系數(shù)要求高的工作要求。

下面分析圖2電路的工作原理。變換電路由兩個功率管Q1,Q2和兩個電容C6, C7等組成的半橋式電路。當(dāng)三極管沒有觸發(fā)信號時，兩個電容充電，其中兩個電容的電壓Uc6=Uc7≈150V。當(dāng)控制變壓器T2的次級a線圈產(chǎn)生正向驅(qū)動脈沖時，Q1導(dǎo)通，C6經(jīng)過Q1和變壓器T1的初級線圈放電；與此同時，C7被充電。當(dāng)T2的次級b線圈產(chǎn)生正向脈沖時，Q2導(dǎo)通，C7放電，C6充電。隨著Q1,Q2的通斷切換，在T1的次級上產(chǎn)生特定頻率的高頻脈沖電壓。其電壓為

圖2 半橋變換原理

UOUT=γ.UIN/n

式中γ為每個晶體管的占空比，必須限制為0.5以下，以防止兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通和引起電源電路短路。

開關(guān)管Q3,Q4交替工作，組成推挽時工作方式，工作于T2的初級線圈。變壓器T2的次級線圈耦合驅(qū)動Q1,Q2的基極。

主變壓器的次級輸出有兩個，根據(jù)匝數(shù)的不一樣，高壓1000V用于點(diǎn)火啟動，以及18VDC到40VDC的點(diǎn)燈電壓,點(diǎn)燈時觸發(fā)開關(guān)J2-1按下，使高壓施加于燈泡兩端，當(dāng)燈泡點(diǎn)亮后則切斷高壓。

下面主要介紹本電源在提高工作壽命的電路原理，因?yàn)楣療舻膲勖话闶?00～200小時，這是指光衰到達(dá)80%的時候所使用的時間。在設(shè)定額定恒功率輸入情況下，燈泡電壓升高，電流會下降。

其光衰與使用時間以及燈泡電壓關(guān)系曲線如圖3（其中粗線表示光衰，細(xì)線表示電壓）。

圖3 汞燈燈泡壽命與電壓特性

此曲線為恒功率電源對應(yīng)燈泡特性曲線。由此可以看出，新燈泡的燈泡壓降是18.2V，電流為5.5A。當(dāng)使用時間200小時后燈泡電壓到達(dá)27.8V（此時電流下降到3.6A）左右。當(dāng)電壓上升時，電流必然下降，而燈光也會變暗。燈光變暗將會導(dǎo)致使用者對觀察物的誤判，正常情況下，亮度下降80%都必須更換新的燈泡。因此，如果是把電流適當(dāng)加大，使燈泡的亮度得到提高，將會延長本已經(jīng)報廢的燈泡使用時間。這樣既保證了亮度，也節(jié)約了成本。電路的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

電路的工作原理是，燈泡電壓通過穩(wěn)壓管D16,D17,D18的檢測，使燈泡在不同的燈壓降里對應(yīng)不同的光耦I(lǐng)C3,IC4,IC5的開啟和關(guān)斷，然后通過光耦再決定了電阻R38,R39,R40和可變電阻W2,W3的分壓，分壓的結(jié)果送到IC1芯片TL494的1腳；另一方面，TL494內(nèi)部5V參考電壓從14腳輸出經(jīng)R23,R43分壓，送到TL494的2腳,1腳和2腳的兩個電平通過TL494內(nèi)部比較器，實(shí)現(xiàn)對燈泡不同階段電壓的檢測以及控制。R50,R51,R52,R53為電流采樣電阻，形成了電壓負(fù)反饋，其采樣電壓控制光耦是否使能，控制著燈泡在各個階段電流的大小。根據(jù)實(shí)際的照明情況和實(shí)踐，在本電源中，我們對不同階段的燈泡電壓設(shè)置的電流大小如表1。

表 1

實(shí)踐證明，在燈泡壽命后期，燈泡電壓上升后，適當(dāng)提高了功率，這樣的設(shè)置，既能保證燈泡的亮度，又能使燈泡的使用壽命延長50%。

5、結(jié)語

最后是關(guān)于所用電感、變壓器等的設(shè)計(jì)，均按50KHz的開關(guān)電源要求設(shè)計(jì)。在這里不載累述。本電路已經(jīng)在產(chǎn)品中應(yīng)用，符合顯微鏡用汞燈的要求，有效延長了汞燈的使用壽命。

圖4 電流調(diào)節(jié)原理

[1]王鴻鈺主編.實(shí)用電源技術(shù)手冊.上海科學(xué)技術(shù)出版社.2002.8

[2]張占松等.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.1998.6

[3]周太明 等.光源原理與設(shè)計(jì)(第二版).復(fù)旦大學(xué)出版社.2006.12

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.15.060

陳東明，1972年出生，1995年長春地質(zhì)學(xué)院電子儀器及測量技術(shù)專業(yè)畢業(yè)，福建廈門麥克奧迪公司開發(fā)部工程師，從事顯微鏡專用電源以及電子開發(fā)。