显微镜直流汞灯电源

陈东明 厦门麦克奥迪公司开发部 361006

显微镜直流汞灯电源

陈东明 厦门麦克奥迪公司开发部 361006

文章介绍了显微镜用汞灯电源设计的开关电源，详细阐述100W直流高压短弧汞灯所要求的电路，并介绍了一种实现延长汞灯使用寿命的电路。主要内容包括：技术要求、设计方法、原理框图、工作原理、工作过程。其主电路采用半桥PWM工作方式，该电路具有工作稳定和良好的动态自控调节功能。

汞灯；开关电源；TL494；显微镜

1、引言

由于高级生物显微镜需要有丰富的紫外线来激发标本的荧光，汞灯发射的光谱里含有丰富的紫外光，用来作为荧光显微镜的光源。荧光显微镜是荧光细胞化学的基本工具。是利用一定波长的光激发标本内的荧光物质发射出各种不同颜色的荧光后，通过物镜和目镜系统放大以观察标本的荧光图像。主要用于细胞结构和功能以及化学成分等的研究。

2、技术要求

电源的好坏，往往会影响灯泡的使用寿命。高压短弧汞灯是一种气体放电灯，符合气体放电灯所特有的伏安特性。在汞灯的电极两端加上电场的同时，还需要加上高压脉冲用以击穿灯泡内部的气体，形成弧光放电，从而电极的两端就转换成了汞灯工作所要求的电压电流。本电源用于直流汞灯，对于其基本技术要求是必须要满足的：

（1）电源输入输出参数

电源的输入可以为110VAC和220VAC，通过拨动开关来实现。

输出负载为100W/20V直流汞灯。触发电压为1000VDC，工作稳态电压在18VDC到40VDC之间，电流在2A到5A; PWM调制频率是50KHz, 占空比可调范围是50%。

（2）电流纹波

电流纹波系数要小，电流纹波一般要求小于5%。当电流纹波大于12%时，灯泡的使用寿命将降低30%。

电流纹波定义为：σ= (Imax- Imin)/Ia

其中：σ是电流纹波系数；Imax是电流最大值；Imin电流最小值；Ia是电流平均值。

（3）启动时冲击电流

灯泡在触发点燃瞬间的负载阻抗非常小，因此启动的冲击电流很大，比稳态时大2倍左右，时间大约为80毫秒，如果灯泡的阳极在这样的电流冲击下，会导致电极温度快速上升，电极会变型，使灯泡寿命减短。如图1所示，要求启动时间0～T越短越好，冲击电流越小越好。

所以，这就要求电源的限流比较好，尤其是短路电流，最大值不能大于额定电流的110%。

图 1 启动输出特性

（4）延长灯泡使用寿命

汞灯的特性随着使用时间的增加，灯泡的两电极会被磨损，灯的电极间的间距会加大，电压会升高。灯的光通量也会下降，所以电气特性也会改变。而汞灯一般正常寿命为200个小时，即200小时后灯泡光通量只有原来的80%，因此除了正常的灯泡基本电路要求外，本电路通过在不同 的电压区间里适当提高输出功率，使灯泡能在工作250小时后，依然能达到照明所需要的光通量，使衰减小于20%，从而延长汞灯的使用寿命。

3、电路原理

本文介绍的直流汞灯电路主要是由主电路，触发电路和自动控制电路三大部分组成。如图2所示。交流电经过全波桥式整流和电容滤波变为300V直流电压，再由PWM电路上的 TL494产生50KHz的脉冲电压，将直流电转换为高频方波电压，经变压器和整流，续流以及电容得到主电路的所需18～40电压和1000V触发电压，这两个电压同时加到汞灯的电极上，使汞灯点燃。点燃后自动检测汞灯的两端电压，从而调整所需电流，稳定在所设定的电流下工作。

4、工作原理

本文着重介绍变换电路和检测以及电流自动跳变电路。此电路上属于半桥变换电路，电路如图2所示。选择此电路原因是此电路抗不平衡能力强，功率可以较大，电路电流比较稳定，比较适合汞灯这样的低压，较大电流，功率较大，纹波系数要求高的工作要求。

下面分析图2电路的工作原理。变换电路由两个功率管Q1,Q2和两个电容C6, C7等组成的半桥式电路。当三极管没有触发信号时，两个电容充电，其中两个电容的电压Uc6=Uc7≈150V。当控制变压器T2的次级a线圈产生正向驱动脉冲时，Q1导通，C6经过Q1和变压器T1的初级线圈放电；与此同时，C7被充电。当T2的次级b线圈产生正向脉冲时，Q2导通，C7放电，C6充电。随着Q1,Q2的通断切换，在T1的次级上产生特定频率的高频脉冲电压。其电压为

图2 半桥变换原理

UOUT=γ.UIN/n

式中γ为每个晶体管的占空比，必须限制为0.5以下，以防止两个开关管同时导通和引起电源电路短路。

开关管Q3,Q4交替工作，组成推挽时工作方式，工作于T2的初级线圈。变压器T2的次级线圈耦合驱动Q1,Q2的基极。

主变压器的次级输出有两个，根据匝数的不一样，高压1000V用于点火启动，以及18VDC到40VDC的点灯电压,点灯时触发开关J2-1按下，使高压施加于灯泡两端，当灯泡点亮后则切断高压。

下面主要介绍本电源在提高工作寿命的电路原理，因为汞灯的寿命一般是100～200小时，这是指光衰到达80%的时候所使用的时间。在设定额定恒功率输入情况下，灯泡电压升高，电流会下降。

其光衰与使用时间以及灯泡电压关系曲线如图3（其中粗线表示光衰，细线表示电压）。

图3 汞灯灯泡寿命与电压特性

此曲线为恒功率电源对应灯泡特性曲线。由此可以看出，新灯泡的灯泡压降是18.2V，电流为5.5A。当使用时间200小时后灯泡电压到达27.8V（此时电流下降到3.6A）左右。当电压上升时，电流必然下降，而灯光也会变暗。灯光变暗将会导致使用者对观察物的误判，正常情况下，亮度下降80%都必须更换新的灯泡。因此，如果是把电流适当加大，使灯泡的亮度得到提高，将会延长本已经报废的灯泡使用时间。这样既保证了亮度，也节约了成本。电路的实现如图4所示。

电路的工作原理是，灯泡电压通过稳压管D16,D17,D18的检测，使灯泡在不同的灯压降里对应不同的光耦IC3,IC4,IC5的开启和关断，然后通过光耦再决定了电阻R38,R39,R40和可变电阻W2,W3的分压，分压的结果送到IC1芯片TL494的1脚；另一方面，TL494内部5V参考电压从14脚输出经R23,R43分压，送到TL494的2脚,1脚和2脚的两个电平通过TL494内部比较器，实现对灯泡不同阶段电压的检测以及控制。R50,R51,R52,R53为电流采样电阻，形成了电压负反馈，其采样电压控制光耦是否使能，控制着灯泡在各个阶段电流的大小。根据实际的照明情况和实践，在本电源中，我们对不同阶段的灯泡电压设置的电流大小如表1。

表 1

实践证明，在灯泡寿命后期，灯泡电压上升后，适当提高了功率，这样的设置，既能保证灯泡的亮度，又能使灯泡的使用寿命延长50%。

5、结语

最后是关于所用电感、变压器等的设计，均按50KHz的开关电源要求设计。在这里不载累述。本电路已经在产品中应用，符合显微镜用汞灯的要求，有效延长了汞灯的使用寿命。

图4 电流调节原理

[1]王鸿钰主编.实用电源技术手册.上海科学技术出版社.2002.8

[2]张占松等.开关电源的原理与设计.电子工业出版社.1998.6

[3]周太明 等.光源原理与设计(第二版).复旦大学出版社.2006.12

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.15.060

陈东明，1972年出生，1995年长春地质学院电子仪器及测量技术专业毕业，福建厦门麦克奥迪公司开发部工程师，从事显微镜专用电源以及电子开发。