改善汽车前部空气动力特性的金属卤化物灯电路的设计

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。

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。

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）。

（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。

（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：

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。 

（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。

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。

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