熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定方法

秦玉倩，段發(fā)階，傅 驍，黃婷婷

(天津大學(xué) 精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

汞的特有性質(zhì)使其在科研和生產(chǎn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也帶來了環(huán)境污染問題[1]，為保護(hù)環(huán)境，對相關(guān)產(chǎn)品的汞含量檢測與控制必不可少。常用的汞含量檢測方法有冷原子吸收光譜法[2]、冷原子發(fā)射光譜法[3]和冷原子熒光光譜法[4]等，其中基于冷原子吸收法的冷原子吸收測汞儀，利用汞蒸汽原子對253.7 nm紫外光的選擇吸收作用對汞含量進(jìn)行檢測，具有穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。

痕量汞檢測技術(shù)不斷改進(jìn)，對冷原子吸收測汞儀檢出限的要求也越來越高，而提高系統(tǒng)光源穩(wěn)定性，是降低檢出限的關(guān)鍵。熱陰極低壓汞燈是冷原子吸收測汞儀的可選光源，具有體積小、成本低、易于安裝等優(yōu)勢，在綠色照明[5-6]、殺菌消毒[7]及光通信[8]等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。但作為一種氣體放電燈，汞燈管內(nèi)氣體瞬時(shí)電阻受氣體放電物理進(jìn)程等多方面因素影響[9]，用傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)時(shí)汞燈光強(qiáng)波動(dòng)大、漂移嚴(yán)重，須對其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化，提高其光強(qiáng)穩(wěn)定性才能應(yīng)用于痕量汞檢測領(lǐng)域。目前對熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)電路的研究，多以照明殺菌領(lǐng)域?yàn)楸尘?，以半橋逆變電路為核心[10-13]。比如Lin等[14]基于脈沖調(diào)頻理論，以燈電流反饋方式控制半橋逆變器開關(guān)管的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)下熒光燈照度調(diào)節(jié)；董扣杰[9]也使用燈電流反饋方式控制半橋逆變器驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)了殺菌汞燈的穩(wěn)態(tài)功率閉環(huán)設(shè)計(jì)。但因汞燈光強(qiáng)輻射效率受溫度等多因素影響，與燈電流不是完全線性關(guān)系[15]，上述燈電流反饋方式對光強(qiáng)的控制效果差，在痕量汞檢測領(lǐng)域并不適用；另外，調(diào)頻方式控制開關(guān)管開關(guān)頻率的反饋方式電路復(fù)雜，電路諧振及頻率調(diào)節(jié)都需要借助控制器，容易引入噪聲，電路EMC性能差。

針對上述問題，提出了一種熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定方法。為實(shí)現(xiàn)汞燈預(yù)熱啟動(dòng)和正常發(fā)光，構(gòu)建了自激式電流饋電推挽諧振逆變電路拓?fù)?，并基于電路等效模型提供了電路參?shù)設(shè)計(jì)方法；為進(jìn)一步穩(wěn)定光強(qiáng)，構(gòu)建了基于光強(qiáng)反饋方式的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過頻域分析對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后通過仿真和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中方法的可行性與優(yōu)越性。

1 熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定方法分析與設(shè)計(jì)

如圖1所示，文中的熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)由開關(guān)電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊及光強(qiáng)反饋模塊組成。開關(guān)電源模塊將24 V直流電源轉(zhuǎn)換成低壓直流電VS，為驅(qū)動(dòng)模塊供電；驅(qū)動(dòng)模塊將低壓直流電VS轉(zhuǎn)換成高頻高壓交流電來預(yù)熱啟動(dòng)熱陰極低壓汞燈并維持其正常發(fā)光；光強(qiáng)反饋模塊通過光強(qiáng)信號(hào)的反饋實(shí)時(shí)控制開關(guān)電源模塊輸出電壓VS，進(jìn)而控制施加在低壓汞燈兩端的電壓，起到光強(qiáng)調(diào)控作用。

圖1 熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)框圖

1.1 自激式電流饋電推挽諧振逆變電路拓?fù)?/h3>

驅(qū)動(dòng)模塊由如圖2所示的自激式電流饋電推挽諧振逆變電路拓?fù)錁?gòu)成，此逆變電路是冷陰極低壓汞燈的常用驅(qū)動(dòng)電路，而熱陰極低壓汞燈多以半橋逆變電路驅(qū)動(dòng)，研究創(chuàng)新性使用此電路驅(qū)動(dòng)熱陰極低壓汞燈，充分發(fā)揮了電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出正弦波和高可靠性等優(yōu)勢[16]；因電流饋電推挽逆變電路中晶體管的耐壓要求高[16]，使用了低壓直流電供電方式；并以自激形式實(shí)現(xiàn)電路諧振，較外加控制器的他激形式，電路有更好的EMC兼容性，更有利于穩(wěn)定汞燈光強(qiáng)。

圖2 自激式電流饋電推挽諧振逆變電路拓?fù)?/p>

電阻R為開關(guān)管Q1，Q2提供直流偏置，與變壓器反饋端組成逆變器的啟動(dòng)電路以觸發(fā)振蕩；直流電壓VS經(jīng)充當(dāng)電流源的電感器L1饋送到變壓器T的原邊中心抽頭，在Q1和Q2的交替導(dǎo)通作用下實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的逆變，并在變壓器副邊輸出高頻高壓交流電。汞燈啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，管內(nèi)氣體等效電阻RL無窮大，交流電在LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生足以對燈絲(等效阻抗Rf)進(jìn)行預(yù)熱的電流，并在燈管兩端產(chǎn)生高壓使管內(nèi)氣體被擊穿，RL迅速減小，燈管進(jìn)入發(fā)光狀態(tài)。

設(shè)變壓器原邊ac與副邊de的匝數(shù)比為1∶ 2N，ab、bc兩端等效電感均為LP。因Q1與Q2導(dǎo)通狀態(tài)完全對稱，可對電路半周期等效電路進(jìn)行分析，同時(shí)基于繞組折算原理將副邊電路等效到原邊,可得到如圖3所示的變壓器原邊等效模型。

圖3 變壓器原邊等效模型

圖3中，啟動(dòng)狀態(tài)下，因Rf遠(yuǎn)小于L2與C2等效阻抗，副邊等效成LC串聯(lián)電路；發(fā)光狀態(tài)下，因RL及Rf遠(yuǎn)小于L2與C2等效阻抗，副邊等效成純L電路，且參數(shù)滿足：

(1)

此時(shí)因電路發(fā)生并聯(lián)諧振，電路等效阻抗無窮大，兩狀態(tài)下的工作頻率w1和w2滿足：

(2)

(3)

通常，電流饋電式推挽逆變器輸出電壓峰值VP與供電電壓VS關(guān)系為

Vp=2πNVS。

(4)

啟動(dòng)狀態(tài)下，為實(shí)現(xiàn)汞燈預(yù)熱啟動(dòng)，逆變器輸出電流If應(yīng)大于燈絲預(yù)熱電流閾值IfL，施加在燈管兩端的電壓也應(yīng)大于其啟動(dòng)電壓Vst，則電路參數(shù)應(yīng)滿足：

(5)

同時(shí)，發(fā)光狀態(tài)下，為了使燈管工作在最佳發(fā)光狀態(tài)下，其兩端工作電壓也應(yīng)達(dá)到額定電壓VL為

(6)

文章提出的方案以PHILIPS的TUV-4W熱陰極低壓汞燈為研究對象，其光電參數(shù)如表1所示，根據(jù)已知參數(shù)，對式(2)、式(3)和式(6)進(jìn)行求解，并以式(5)為約束條件，得到了如表2所示的電路參數(shù)。

表1 PHILIPS TUV-4W熱陰極低壓汞燈光電參數(shù)

表2 自激式電流饋電推挽諧振逆變器電路參數(shù)

1.2 基于光強(qiáng)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)

熱陰極低壓汞燈是一種弧光放電燈，汞燈管內(nèi)氣體瞬時(shí)電阻受供電電壓、氣體放電的物理進(jìn)程及壁管溫度等多方面因素影響，導(dǎo)致在如圖2所示的電路驅(qū)動(dòng)下，汞燈光強(qiáng)波動(dòng)大，溫漂嚴(yán)重，多數(shù)研究者使用汞燈電流反饋方式對光強(qiáng)進(jìn)行控制，但因汞燈電流與汞燈輻射功率不是完全線性關(guān)系，控制效果較差。筆者使用光強(qiáng)反饋方式，通過光強(qiáng)反饋信號(hào)直接控制驅(qū)動(dòng)電路供電電壓，可以簡單有效地實(shí)現(xiàn)汞燈光強(qiáng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且不需要借助控制器，避免了調(diào)頻帶來的噪聲干擾，電路EMC兼容性更強(qiáng)。根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)框圖，可得到圖4的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 熱陰極低壓汞燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4中，G1(s)為誤差放大模塊傳遞函數(shù)，G2(s)為開關(guān)電源模塊傳遞函數(shù)，G3(s)為推挽諧振逆變與光電轉(zhuǎn)換串聯(lián)模塊的等效傳遞函數(shù)。

為了對系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，對上述傳遞函數(shù)進(jìn)行簡化等效。已知經(jīng)推挽諧振逆變與光電轉(zhuǎn)換串聯(lián)模塊，直流電壓VS轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)VL，基于小信號(hào)分析方法，VS和VL在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，G3(s)可視為比例環(huán)節(jié)。將理想?yún)⒖茧妷篤REF2設(shè)置為2.5 V，則穩(wěn)態(tài)下經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊獲得的電壓信號(hào)VL為2.5 V，已知供電電壓VS為7 V，則：

G3(s)≈0.36。

(7)

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器對開關(guān)電源模塊頻率響應(yīng)進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果中輸入輸出幅值之比與輸入頻率的關(guān)系和輸入輸出相位之差與輸入頻率之間的關(guān)系，得到開關(guān)電源模塊等效低通濾波器，截止頻率fc約720 Hz，又已知信號(hào)頻率fs約0.2 Hz，則在信號(hào)頻段范圍內(nèi)G2(s)可視為等比例環(huán)節(jié)，即

G2(s)=1。

(8)

為保證系統(tǒng)在低頻區(qū)有較高的靜態(tài)精度，中頻區(qū)有良好的穩(wěn)定性，高頻區(qū)有足夠的抗干擾能力，需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行合理頻域設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)在目標(biāo)頻段范圍內(nèi)存在零極點(diǎn)、零點(diǎn)和極點(diǎn)。取10倍信號(hào)頻率點(diǎn)作為零點(diǎn)，50倍信號(hào)頻率點(diǎn)作為極點(diǎn)，100倍信號(hào)頻率點(diǎn)為穿越頻率，可選用單零雙極補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為誤差放大模塊，并對相關(guān)電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置使其傳遞函數(shù)為

(9)

此時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

(10)

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖5所示，0～2.5 Hz函數(shù)增益曲線以-20 dB/dec斜率下降，在2.5 Hz處產(chǎn)生零點(diǎn)，10 Hz處產(chǎn)生極點(diǎn)，穿越頻率ωc約25 Hz，此處增益曲線斜率為-20 dB/dec，對應(yīng)相角φ(ωc)約為-75°，已知相角穩(wěn)定裕度γ=φ(ωc)+180°，γ越大，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好，若γ小于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，此系統(tǒng)γ≈105°，因此有良好的穩(wěn)定性能。

圖5 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測量結(jié)果

2.1 自激式電流饋電推挽諧振逆變電路仿真

為驗(yàn)證自激式電流饋電推挽諧振逆變電路參數(shù)的可靠性，用Multisim軟件對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示?？芍獑?dòng)狀態(tài)下電路工作頻率f1約8 kHz，燈絲有效電流IRf約166 mA，燈管兩端有效啟輝電壓Vst約222 V，能夠滿足汞燈預(yù)熱啟動(dòng)電流電壓閾值要求；發(fā)光狀態(tài)下電路工作頻率f2約36 kHz，燈管電壓VL有效值約27.5 V，電流有效值IL約153 mA，汞燈能夠工作在額定功率附近。證明低壓直流供電下的電流饋電推挽逆變器的電路參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的可行性，可以實(shí)現(xiàn)汞燈的預(yù)熱啟動(dòng)并維持其正常發(fā)光。

圖6 自激式電流饋電推挽諧振逆變電路Multisim仿真

2.2 冷原子吸收測汞系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

冷原子吸收測汞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，2只石英玻璃管并行放置，并用軟管接通，石英管上端通口用以進(jìn)出待測含汞氣體，一側(cè)兩端口分別固定熱陰極低壓汞燈及紫外接收器，另一側(cè)固定反射鏡用以反射光路,汞燈與紫外光接收器之間的光程約400 mm，驅(qū)動(dòng)電路用以驅(qū)動(dòng)低壓汞燈并控制汞燈光強(qiáng)，接收電路對紫外接收器接收到的光強(qiáng)信號(hào)做進(jìn)一步信號(hào)處理。

圖7 冷原子吸收測汞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證光強(qiáng)反饋模式下熱陰極低壓汞燈的穩(wěn)定性能，使用上述低噪聲、低漂移接收電路對光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行測試，觀察汞燈輻射光強(qiáng)的波動(dòng)特性和漂移特性。圖8為接收電路本底噪聲測試結(jié)果，測試時(shí)長1 h,由噪聲曲線可知，上電5 min以后電路漂移明顯減小，噪聲峰值小于100 μV。為驗(yàn)證光強(qiáng)反饋模式的有效性，使用此接收電路分別測試了光電流反饋以及光強(qiáng)反饋模式下的汞燈光強(qiáng)數(shù)據(jù)，測試時(shí)長分別1 h，信號(hào)曲線如圖9所示。可以看出，在相同信號(hào)強(qiáng)度下，汞燈電流反饋模式下的信號(hào)漂移明顯大于汞燈光強(qiáng)反饋模式，10 min到60 min時(shí)間段內(nèi)，光電流反饋的線性漂移約2.4%，而光強(qiáng)反饋模式線性漂移只有0.15%；對信號(hào)曲線進(jìn)一步局部放大，顯示光電流反饋下信號(hào)噪聲約300 μV,已知接收電路本底噪聲約100 μV,則光強(qiáng)波動(dòng)幅度約280 μV，波動(dòng)幅度與信號(hào)之比為0.1‰，而光強(qiáng)反饋模式下信號(hào)噪聲約200 μV，光強(qiáng)波動(dòng)幅度約170 μV，波動(dòng)幅度與信號(hào)比為0.06‰。

圖8 接收電路本底噪聲曲線

圖9 熱陰極低壓汞燈光強(qiáng)信號(hào)曲線及其局部放大

從對比實(shí)驗(yàn)來看，相較于傳統(tǒng)的汞燈電流反饋方式，光強(qiáng)反饋方式對于改善熱陰極低壓汞燈輻射光強(qiáng)的漂移特性和波動(dòng)特性都更有效，更有利于提高熱陰極低壓汞燈光強(qiáng)穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)下熱陰極低壓汞燈輻射光強(qiáng)波動(dòng)大、噪聲大的問題，文章提出了一種汞燈驅(qū)動(dòng)及光強(qiáng)穩(wěn)定方法。為實(shí)現(xiàn)熱陰極低壓汞燈的預(yù)熱啟動(dòng)及正常發(fā)光，構(gòu)建了低壓直流供電下的自激式推挽諧振逆變電路，并基于電路等效模型提供了電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法；又以光強(qiáng)反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)頻域分析對電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了汞燈輻射光強(qiáng)穩(wěn)定性；通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的可行性，通過系統(tǒng)對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光強(qiáng)反饋模式的優(yōu)越性。文章提出的方法能夠保證熱陰極低壓汞燈輸出小波動(dòng)，低漂移的穩(wěn)定光強(qiáng)，有利于降低冷原子吸收測汞儀的檢出限，使其更好地應(yīng)用于痕量汞檢測領(lǐng)域。