数字化机车金卤前照灯控制电路
技术领域
本发明涉及一种前金属卤化物灯的控制电路，具体的说是一种数字化机车金卤前照灯控制电路。
背景技术
随着国民经济的快速发展，轨道交通事业和技术不断发展，铁路干线、高速铁路、城际铁路、地方铁路、地下铁路迅猛增长，伴随着人们的生活水平的不断提高，人们对出行的交通工具的安全、舒适性的要求越来越高。由于安全、快捷的铁路网络已逐渐形成，铁路列车将成为人们首选的出行工具。因此，安全、可靠的铁路产品将是为之研发人员的责任。
目前大部分铁路机车前照灯使用的是卤钨灯，也有部分机车仍使用汞氙灯。上世纪八十年代初，汞氙灯以其即开即亮、光效较高的优点受到机车工作人员的欢迎。但是，由于汞氙灯和日光之间有相当大的差别，蓝绿色光比较强、显色性不好、色彩失真，机车工作人员可能会对机车前方的物体和信号灯颜色产生错误的判断，因此铁道部在上世纪九十年代开始推广卤钨灯。卤钨灯是热辐射光源，体积小、重量轻、显色性好，有效的解决了汞氙灯显色性不好、色彩失真的弊端。但卤钨灯与汞氙灯相比功率大、亮度低、光效低，光效只有汞氙灯的一半，寿命短，照射距离近。随着我国铁路技术的不断发展，近年来已经历了六次大规模提速，原有机车前照灯的光源已不能满足提速后的需求。金属卤化物灯是一种高强度气体放电灯，被确认为是“21世纪最有发展前景的光源产品”之一，它克服了汞氙灯和卤钨灯存在的不足，同时具有汞氙灯和卤钨灯的优点，具有体积小、光效高、照射距离远、显色性好、寿命长、节能环保等优点。但是，由于复杂的启动过程和时序控制要求，现有的金属卤化物灯控制电路往往显得麻烦且复杂，在高频下工作容易产生声谐振现象，使灯电弧不稳定，灯光闪烁，甚至熄灭，严重时会损坏放电管，大大损害灯的寿命。
因此，金属卤化物灯在铁路机车前照灯上的应用和推广是机车发展的趋势，符合铁道部在引进国外机车国产化过程中“引进、消化、吸收、创新”的宗旨和TB/T2325.1-2006机车前照灯新标准的要求，研制高技术、优质产品替代进口，逐步实现国产化，提高机车夜间照明性能和安全性，降低能耗，是我国轨道交通的发展方向之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种数字化机车金卤前照灯控制电路，可以实现灯管的冷热启动，采用低频扫频方波工作方式，避免金卤灯的声谐振现象，实现镇流器与灯的不同阶段的不同负载特性相匹配。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
数字化机车金卤前照灯控制电路，包括输入电路、APFC电路、DC/DC变换电路、DC/AC变换电路、CPU控制电路和HID灯，输入电路将输入电压整流滤波以及电磁波抑制处理后输出给APFC电路，APFC电路进行功率因数校后输出直流电压给DC/DC变换电路，DC/DC变换电路进行功率处理后输出直流电压给DC/AC变换电路，同时DC/DC变换电路将电流采样和电压采样输出给CPU控制电路，DC/AC变换电路将直流电压变为交流电压，同时接受CPU控制电路的控制信号后将交流电压输出给HID灯，在DC/DC变换电路和HID灯之间接有一个用来产生高压启动HID灯的二级触发电路，二级触发电路包括一个整流桥、两个触发管、两个电感、两个电容和一个二极管，整流桥的两个交流输入端连接DC/AC变换电路的输出的200Hz调制方波，整流桥的输出的正极与第一电容及第一电感的初级连接，整流桥的输出的负极经电阻限流后与第一触发管连接，第一电感的次级连接到二极管的正极，二极管的负极连接第二电容与第二触发管的一端，第二触发管的另一端与第二电感的初级的一端相连；来自DC/AC电路的200Hz调制方波经整流桥整流滤波后得到400V的直流电压，经第一触发管导通，第一电感与第一电容谐振产生约150kHz的高频波，再经第二电感升压，经二极管整流后得到大于5000V的直流电压，由第二触发管导通，第二电感与第二电容谐振产生约10MHz的高频波，再经第二电感升压在第二电感的次级得到大于25kV高频波，所述大于25kV高频波与来自DC/AC电路的400V200Hz低频方波叠加到HID灯上，使HID灯触发启动；当HID灯启动后来自DC/AC电路的400V 200Hz低频方波自动下降到与HID灯电压一致，两个触发管关断。
输入电路和APFC电路均为HID灯上的现有电路。DC/DC变换电路包括一个晶体管，其具有基极、发射极和集电极，其基极接脉宽调制驱动信号，来自APFC电路的正电压输入信号经一个电感接晶体管的集电极，来自APFC电路的负电压输入信号经一个电阻接晶体管的发射极，晶体管的发射极与集电极之间接有一个电容，晶体管的发射极输出电流采样信号，晶体管的集电极经一个二极管接DC/AC变换电路，二极管与晶体管的发射极之间接有一个电容，在电容上并联两个串联电阻，电阻和电阻之间输出电压采样信号。
DC/AC变换电路由四个晶体管组成，其都具有基极、发射极和集电极，第一晶体管的射极接第三晶体管集电极，第一晶体管的集电极接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极接第四晶体管的集电极，第四晶体管的发射极接第三晶体管的发射极，第一晶体管的集电极、第二晶体管的集电极、第四晶体管的发射极和第三晶体管的发射极共同接DC/DC变换电路，第一晶体管的射极、第三晶体管集电极、第二晶体管的发射极和第四晶体管的集电极共同接触发电路。
CPU控制电路采用20个引脚的STC12C2052AD单片机，单片机的16号引脚接电压采样信号，单片机的13号引脚接电流采样信号，单片机通过一片TL2843EN芯片接DC/AC变换电路。
本发明设有二级触发电路，分别用于灯管的冷态启动和热态启动，保证了灯管的启动特性。
本发明的数字控制电路采用低频扫频方波工作方式，即由PFC级+DC/DC级+低频全桥DC/AC级三级电路组成，避免金卤灯的声谐振现象，采用数字控制方法，实现镇流器与灯的不同阶段的不同负载特性相匹配，能够简化硬件电路，克服模拟电路中参数温度漂移的问题，而且控制灵活。本发明集机械、数字电子、光学高端技术于一体，采用短弧热启动金属卤化物光源，数字化电子镇流器、触发器，重点解决热启动、声谐振、电磁兼容技术，不仅给机车夜间安全形式起到一定的作用，而且其高亮度、远射程，将给过往行人和车辆起到一定的警示作用，达到国内同行业的领先水平和国际同行同期的先进水平，将逐步替代现有的机车前照灯。
本发明将促进数字化机车金卤前照灯的技术创新，提升项目产品的市场竞争力，为我国轨道交通的发展提供新型的数字化节能照明电子设备，将有利于铁道部门实现提速运行提高运能，降低能耗。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是二级触发电路的电路图。
图3是DC/DC变换电路的电路图。
图4是DC/AC变换电路的电路图。
图5是CPU控制电路的电路图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种数字化机车金卤前照灯控制电路，其电路框图如图1所示，包括输入电路、APFC电路、DC/DC变换电路、DC/AC变换电路、CPU控制电路和HID灯，输入电路将输入电压整流滤波以及电磁波抑制处理后输出给APFC电路，APFC电路进行功率因数校后输出直流电压给DC/DC变换电路，DC/DC变换电路进行功率处理后输出直流电压给DC/AC变换电路，同时DC/DC变换电路将电流采样和电压采样输出给CPU控制电路，DC/AC变换电路将直流电压变为交流电压，同时接受CPU控制电路的控制信号后将交流电压输出给HID灯，在DC/DC变换电路和HID灯之间接有一个用来产生高压启动HID灯的二级触发电路。输入电路将输入电压整流滤波以及进行电磁波的抑制处理；APFC级输出400V直流电压，作为DC/DC级的输入电压；DC/DC级进行功率处理；DC/AC级实现直流变为交流，其IGBT管的驱动由单片机的I/O口输出固定占空比为50％的低频扫频方波来实现；二级触发器用来产生高压启动HID灯；数字控制器用来实现电压，电流和功率控制以及异常状态保护。
二级触发电路如图2所示，包括一个整流桥BG1、两个触发管CF1和CF2、两个电感T5和T6、两个电容C5和C7和一个二极管D2，整流桥BG1的两个交流输入端连接DC/AC变换电路的输出的200Hz调制方波，整流桥BG1的输出的正极与第一电容C5及第一电感T5的初级连接，整流桥BG1的输出的负极经电阻R100限流后与第一触发管CF1连接，第一电感T5的次级连接到二极管D2的正极，二极管D2的负极连接第二电容C7与第二触发管CF2的一端，第二触发管CF2的另一端与第二电感T6的初级的一端相连；来自DC/AC电路的200Hz调制方波经整流桥BG1整流滤波后得到400V的直流电压，经第一触发管CF1导通，第一电感T5与第一电容C5谐振产生约150kHz的高频波，再经第二电感T5升压，经二极管D2整流后得到大于5000V的直流电压，由第二触发管CF2导通，第二电感T6与第二电容C7谐振产生约10MHz的高频波，再经第二电感T6升压在第二电感T6的次级得到大于25kV高频波，大于25kV高频波与来自DC/AC电路的400V 200Hz低频方波叠加到HID灯上，使HID灯触发启动；当HID灯启动后来自DC/AC电路的400V 200Hz低频方波自动下降到与HID灯电压一致，两个触发管CF1和CF2关断。
输入电路和APFC电路均为HID灯上的现有电路，APFC级为功率因数校正，用来减少输入电流的谐波，提高功率因数，减少对电网的污染，同时还给DC/DC级提供稳定的输入电压，使DC/DC级输出的电压不受电网电压变化的影响，使灯管能在较大的电网电压变化范围内正常启动和工作，APFC级采用升压型BOOST DC/DC变换器，其输出电压根据电网最大输出电压而定，一般为420V。
DC/DC电路如图3所示，DC/DC级可实现功率控制，电路由ZVRT BUCK电路构成，包括一个晶体管Q2，其基极接脉宽调制驱动信号，来自APFC电路的正电压输入信号经一个电感L1接晶体管Q2的集电极，来自APFC电路的负电压输入信号经一个电阻R2接晶体管Q2的发射极，晶体管Q2的发射极与集电极之间接有一个电容C2，晶体管Q2的发射极输出电流采样信号，晶体管Q2的集电极经一个二极管D4接DC/AC变换电路，二极管D4与晶体管Q2的发射极之间接有一个电容C3，在电容C3上并联两个串联电阻R7和R8，电阻R7和电阻R8之间输出电压采样信号。通过调节电感参数，主开关可实现零电压开通，有效减小电路中开关管的损耗，这一级电路采用单片机来控制，实现输出的恒压、变流和恒功率以及电路的开路保护和短路保护、灯管失效和点火失败保护。
DC/AC电路采用全桥电路，电路如图4所示，由四个晶体管Q13、Q14、Q24和Q27组成，第一晶体管Q13的射极接第三晶体管Q24集电极，第一晶体管Q13的集电极接第二晶体管Q14的集电极，第二晶体管Q14的发射极接第四晶体管Q27的集电极，第四晶体管Q27的发射极接第三晶体管Q24的发射极，第一晶体管Q13的集电极、第二晶体管Q14的集电极、第四晶体管Q27的发射极和第三晶体管Q24的发射极共同接DC/DC变换电路，第一晶体管Q13的射极、第三晶体管Q24集电极、第二晶体管Q14的发射极和第四晶体管Q27的集电极共同接触发电路。DC/AC电路把DC/DC级输出的直流电压变为交流，使灯工作在低频扫频方波，有效防止灯管的极化，有利于灯的正常工作，而且工作在低频扫频方式，有效避免金卤灯的声谐振现象，减少电磁辐射。
CPU控制电路如图5所示，采用20个引脚的STC12C2052AD单片机，单片机的16号引脚接电压采样信号，单片机的13号引脚接电流采样信号，单片机通过一片TL2843EN芯片接DC/AC变换电路。STC12C2052AD单片机，具有两个定时器，10位AD采样精度，尤其是具有两个PWM口，在工作频率为39K时，其输出精度可达9位，这样就可以省去外围的D/A转换器和专用的PWM芯片，从而简化了硬件电路，该系列单片机引脚少，价格便宜，功能强，是单片机芯片中很好的选择，其具体的参数如下表所示：采用STC12C2052AD加高速光电耦合器CNY17F和分立元件驱动，这样可设置死区时间和更好的电路隔离，使其输出的驱动波形可以直接驱动BUCK电路的上下两个IGBT管，而简化了BUCK电路的驱动电路，解决了BUCK电路驱动难的问题，既简单又方便，并且该芯片的逻辑输入能与标准的CMOS或LSTTL输出电路兼容，完全可以由单片机产生的信号来直接驱动。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。