專利名稱：鐵路機車前照燈控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鐵路機車前照燈控制器，尤其涉及一種用于鐵路機車前照燈采用金鹵燈為電光源的控制器。
背景技術：
目前，現(xiàn)有的鐵路機車前照燈，是由燈具、大功率(800W)鹵鎢燈(或氙燈)及大功率(400W)降壓電阻構成，由于其結構比較簡單和成本較低的特點，得以在鐵路領域內長期使用。但是同樣是由于其自身結構上特性和照明控制功能的原因，明顯地存在著壽命短、照度低、探照距離近、能耗大、溫度高及性能簡單等不足。雖然幾經改進和完善，但均未有實質性提高。近期國內/外相關專業(yè)文獻檢索結果表明，目前國外鐵路機車前照燈技術狀況也基本如此。即仍采用大功率鹵鎢燈照明。
鐵路機車(含車列)是一個龐大的高速運動體，機車前照燈是這個運動體前進運行動態(tài)環(huán)境的探照裝置，它的性能可靠與完善直接關系著高速鐵路的行車安全。隨著現(xiàn)代化鐵路發(fā)展和行車速度不斷提高，現(xiàn)有鐵路機車前照燈已經很難適應目前高速鐵路行車安全的要求。
為此，自2004年開始，中國鐵道部有關主管部門已經正式下文，修改現(xiàn)行的《鐵路機車前照燈技術標準》，在即將新頒布的《鐵路機車前照燈技術標準》關于前照燈光源選用的表述中，首次提出采用金屬鹵化物燈(稱金鹵燈，下同)作為鐵路機車前照燈主導電光源。
金屬鹵化物燈(簡稱金鹵燈，下同)屬高強度氣體放電(HID)燈，HID燈具有光效高、壽命長、高顯色、耐振動和穿透(霧或塵埃)性強等優(yōu)異特點，已經成為當今世界所有工程照明首選的綠色人造電光源?，F(xiàn)有的金鹵燈一般是由一個金鹵燈控制器來進行啟動的，現(xiàn)有的金鹵燈控制器通常包括由電源部分、觸發(fā)控制單元和一個升壓變壓器組成，其中HID燈與變壓器的次級線圈串聯(lián)并一起在聯(lián)在電源電路上，而觸發(fā)控制單元的信號輸出端與升壓變壓器的初級連接在一起。在電路接通時，由觸發(fā)控制單元瞬間產生一個觸發(fā)信號，通過升壓變壓器初級繞組，在升壓變壓器的次級繞組瞬間產生一個HID燈的啟動電壓(大約在3KV～5KV左右)，將HID燈瞬間點亮，隨后，觸發(fā)控制單元停止工作，由電源部分提供電能維持HID燈的正常工作。
但是，金鹵燈具有熱啟動困難的固有特性，即金鹵燈從開燈狀態(tài)關閉后，一般需要使金鹵燈的重新回到冷燈狀態(tài)(通常需要4-6分鐘)，才可再次點燈；如需立即開燈，則必須在金鹵燈兩端施加數(shù)萬伏超高壓觸發(fā)脈沖電壓。但是頻繁的使用超高壓觸發(fā)，將明顯地縮短金鹵燈的壽命。所以現(xiàn)有金鹵燈控制器通常是使金鹵燈在這一時間段內不進行工作，即間隔4～6分鐘左右，使金鹵燈涼下來才進行再一次的點燈。因此這種金鹵燈控制器通常只能用于城市道路、公路廣告標志等并不要求熱啟動的照明場合。然而卻不能滿足鐵路機車前照燈特殊工況條件(如工作時間內，要求燈泡必須“一點即亮”-熱啟動)。
實用新型內容為了克服上述缺陷，本實用新型的目的在于提供一種用于以金鹵燈為電光源的鐵路機車前照燈控制器。
為了達到上述的目的，本實用新型用于鐵路機車前照燈控制器，包括電源部分、觸發(fā)控制單元和一個升壓變壓器，其中電源部分用于給電路和負載提供電能，觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器的初級連通；升壓變壓器的次級與負載串聯(lián)在一起與電源部分相連，還包括一個定時切換控制單元；所述的升壓變壓器的初級包括一個產生高壓繞組和一個產生超高壓繞組；其中所述的定時切換控制單元用于計算切斷電源和再次接通電源之間間隔的時間差，并根據計算結果有選擇地將觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連通。
采用上述結構的金鹵燈控制器后，利用定時切換電路來計算關燈后到再次開燈的時間，即需要開燈時金鹵燈所處的狀態(tài)(冷態(tài)或熱態(tài))，從而可以實現(xiàn)當燈泡處于冷態(tài)需要開燈時，實施常規(guī)觸發(fā)方式的冷啟動；當燈泡處于熱態(tài)需要開燈時，自動切換成超高壓熱啟動。從而在鐵路機車工況條件下最大限度地減少由于超高壓啟動對燈泡工作壽命的不利影響。由于在鐵路機車前照燈實際運行中，真正需要熱啟動的幾率是及其有限的(熱啟動幾率雖然只有＜5％，但熱啟動卻是不可缺少的)，因此這一技術措施對保護燈泡使用壽命是十分有效的。


圖1是本實用新型原理結構框圖。
圖2是圖1所示的本實用新型一實施例電路原理圖。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，本實用新型用于鐵路機車前照燈控制器，包括電源部分1、觸發(fā)控制單元2和一個升壓變壓器3，其中電源部分1用于給電路和負載提供電能，觸發(fā)控制單元2的輸出端與升壓變壓器3的初級連通；升壓變壓器3的次級與負載串聯(lián)在一起與電源部分相連，還包括一個定時切換控制單元4；所述的升壓變壓器3的初級包括一個產生高壓繞組和一個產生超高壓繞組，即相對于次級線圈來說，產生高壓的初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比較小，用以產生冷態(tài)下金鹵燈的啟動電壓(2.5KV～4.5KV)，而產生超高壓的初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比較大，用以產生熱態(tài)下金鹵燈的啟動電壓(55KV～65KV)；其中所述的定時切換控制單元4用于計算切斷電源和再次接通電源之間間隔的時間差，并根據計算結果有選擇地將觸發(fā)控制單元2的輸出端與升壓變壓器3初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連通。
上述的電源部分1由V/I-PWM電路、DC-AC變換電路組成。其中，恒功率PWM控制電路包括由單片機、推挽電路、升壓電路、整流電路、電流及相關單元電路依序連接構成。其中單片機用以產生脈寬調制信號，并輸出到推挽電路，并通過推挽電路、整流電路產生金鹵燈所需的工作電壓，電流及相關單元電路用以對金鹵燈的工作電壓、工作電流進行采樣，并反饋至單片機，及構成對負載的工作電壓和電流進行恒定的PWM控制。使金鹵燈燈泡始終在額定恒功率狀態(tài)下穩(wěn)定工作，旨在抑制了因供電電壓波動、燈泡制造工藝的離散和使用過程中參數(shù)不斷劣化引起燈功率明顯變化的影響，從而保證了燈泡的使用壽命。當然，上述的單片機也可由其它功能相同或相似的功能模塊或集成電路來替換，以適應大規(guī)模生產的需要。
上述的DC-AC變換電路，由4支MOS型功率開關管在一塊專用芯片(也可分用兩塊)驅動下組成全橋(也可為半橋)DC-AC變換電路，將由PWM控制的直流電壓變換成占空比為50％方波交流電，為負載(金鹵燈)提供恒壓/恒流工作電源。
上述的定時切換控制單元4包括儲能電路、定時電路和一個轉換電路；其中儲能電路用來儲存電能，并提供在電源切斷后的一段時間內定時切換控制單元所需的能量；所述的定時電路用以設定切斷電源和再次接通電源之間間隔的時間，并輸出信號至轉換電路；所述的轉換電路用以根據定時電路所提供的信號有選擇地將觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連通。本電路中設置儲能電路是為了使定時切換控制單元可不受金鹵燈電源開關的控制，當然，也可將儲能電路換成電源供電方式，從而保證定時切換電路可靠地工作。
由于金鹵燈在不同的壽命周期內會有不同的工作電壓，例如，新燈時工作電壓為75V～85V，而隨著使用壽命的增加，該工作電壓會隨之升高至110V～120V，因此作為本實用新型的進一步的改進，還包括一個金鹵燈壽命檢測報警部分，所述的金鹵燈壽命報警部分包括一個采樣電路和一個報警電路，該采樣電路設置在負載兩端或負載與升壓變壓器次級繞組兩端，其輸出端與單片機的信號輸入端相連，由單片機對該電壓進行檢測，并與預設的門限進行對比做出判斷；當相關參數(shù)超過設置的門限時(燈泡并沒有完全失效，照明仍在進行)，及時利用連接在單片機的報警信號輸出端實施燈泡壽命狀態(tài)聲光報警。
作為本實用新型的進一步的改進，還可在單片機相應的端口設置無功耗調光控制，即通過手動按鈕開關(或一個多刀電源開關)對MCU芯片相關I/O口進行置位，并經MCU芯片對V/I-PWM進行控制而實現(xiàn)對金鹵燈進行調光控制。所謂無功耗調光控制是對既有前照燈手動調光技術比較而言。后者采用串入降壓電阻進行調光耗電400W(50％調光時)，前者通過弱電控制進行調光，耗電為零。
圖2為本實用新型的一個最佳的實施例，以下根據圖2，說明本實用新型實施例具體實施過程其中，IC1為單片機，根據IC1的口RA5和RA7對相應信號的采樣并經CPU運算，由口RA3和RA4輸出一對相位的互補的脈沖驅動N2(BG1)、N3(BG2)和T1，經D2～D5整流后，實現(xiàn)對Vcc2的升壓和PWM控制，同理根據IC1的口RA6對Vhi的采樣和經CPU運算，由口RA1驅動N1(BG3)實現(xiàn)對輸出Vcc3的PWM恒流控制。在恒壓/恒流功能驅動下，從而實現(xiàn)負載(HID燈)恒功率控制。由此可見，所用金鹵燈燈泡無論是由于供電電壓的波動、生產制造工藝引起的參數(shù)(管壓降)離散以及使用過程中參數(shù)(主要是管壓降)的劣化，只要燈泡仍在工作，其功率即始終處于恒功率狀態(tài)(ΔP的變化率≯5％)，不具備恒功率控制功能控制器，ΔP的變化率有時可能＞20％以上。
通過IC1的口RA0對Vcc1的采樣并與設定值(＜80V或＞120V)比較，控制口RA3和口RA4的輸出，決定是否開燈照明，并實現(xiàn)供電電壓的過壓/欠壓狀態(tài)具有施密特特征的自動控制與保護。
通過ANK開關對IC1的口RB8進行置位，并由口RA6對Vhi采樣，改變(減小)燈泡工作電流，實現(xiàn)會車或臨時停車人工無功耗手動調光照明。
當IC1的口RA2檢測Vcc3值超過設定的門限時，表明燈泡的壽命狀態(tài)接近終了。或當照明仍在進行時，口RA6檢測Vhi的燈電流突然為零，說明燈泡非正常滅弧。此時IC1的口RA8驅動N4，為發(fā)光二極管LED和蜂鳴器BELL供電，實現(xiàn)燈泡壽命終了或非正常滅燈進行及時的聲光指示和報警。從而避免和減少(夜間)無照明行車或行車過程中更換燈泡的可能。
關于金鹵燈的觸發(fā)啟動控制功能，是以金鹵燈作為光源的鐵路機車前照燈的重要功能之一。當控制器得電后(還未著燈時)Vcc3處于較高的電壓，于是高壓觸發(fā)管SID瞬態(tài)擊穿，只要變壓器T2有足夠匝數(shù)比，即可在T2次級線圈產生數(shù)萬伏的超高壓將金鹵燈內氣體分子迅速電離，從而使處于剛剛滅弧且熾熱的燈泡再次點燃。在本實施例中，是用觸發(fā)管和雙原邊繞組的升壓變壓器的連接來產生金鹵燈啟動時所使用的高壓(2.5KV～4.5KV)或超高壓(55KV～65KV)的，作為本電路的等效，還可以由雙觸發(fā)管和單原邊繞組的升壓變壓器連接的替換，也可以由兩個觸發(fā)管分別和兩個單原邊繞組的升壓變壓器連接的替換。
下面以“開燈(a0)→關燈(b0)→經過S0時間后→再次開燈(a1)”的順序操作，具體說明本實用新型燈泡啟動狀態(tài)識別和自動切換功能的控制原理與過程1)首先是開燈(a0)，暫先不論其是熱啟還是冷啟，著燈后，此時由于Vcc3(燈管工作電壓)的存在，三極管N6飽和導通→E5被短路→比較定時器U1A的1腳輸出高電平→N5飽和導通→繼電器J得電，常開觸點O～R閉合，線圈t2-1與發(fā)管SID相連，為下一次隨即開燈預設了超高壓熱啟動的準備；2)燈泡點亮一段時間后關燈(b0)。關燈后Vcc3下降為零→N6截止→E5因由R25充電而其端點電壓逐漸上升，當電壓上升超過比較器U1A設置的門限時，U1A的1腳輸出低電平→N5截止→繼電器J3失電，常閉觸點O～L復位，線圈t2-0與發(fā)管SID相連，此時繼電器J3又為下一次開燈切換成常規(guī)觸發(fā)方式啟動的準備；3)經過S0時間間隔后再次開燈(a1)，N6再次飽和導通……。
設定A、高壓觸發(fā)管SID的擊穿電壓＞亮燈后的Vcc3，便于亮燈后觸發(fā)自動關閉；B、設TRC為燈泡冷卻最短時間即R25、E5的充電定時時間；C、升壓變壓器T2線圈t2/t2-1匝數(shù)比足夠大，使線圈t2上能夠產生數(shù)萬伏超高壓對燈泡實施熱啟動；而t2/t2-0匝數(shù)比前者要小得多，只在線圈t2上產生數(shù)千伏脈沖電壓對燈泡實施常規(guī)的冷啟動。
D、在關燈(斷電)後的一定的時間內三極管N6和比較器U1A由儲能電容ECD繼續(xù)供電。
即將開燈時，其啟動狀態(tài)取決于前一次關燈至本次開燈的時間間隔S0與TRC兩者的比較結果當S0＜TRC時，線圈t2-1與發(fā)管SID相連，此時線圈t2的觸發(fā)電壓是由t2-1產生，即超高壓熱啟動。
當S0＞TRC時，線圈t2-0與發(fā)管SID相連，此時線圈t2的觸發(fā)電壓是由t2-0產生，即為常規(guī)觸發(fā)冷啟動。
由于N6和比較器U1A在關燈后的S0時間內繼續(xù)有電，，因此U1A的定時狀態(tài)(1腳輸出是“1”或“0”)也是自行完成并一直保持至下一次開燈。這就完成了對燈泡啟動狀態(tài)的自動識別和切換控制。
本實用新型技術同樣可用運用于如汽車前照燈、城鐵機車前照燈等動態(tài)照明場合，其光源可以是金屬鹵化物燈，也可以是高壓鈉燈等高強度氣體放電燈。
權利要求1.一種用于鐵路機車前照燈控制器，包括電源部分、觸發(fā)控制單元和一個升壓變壓器，其中電源部分用于給電路和負載提供電能，觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器的初級連通；升壓變壓器的次級與負載串聯(lián)在一起與電源部分相連，其特征在于還包括一個定時切換控制單元；所述的升壓變壓器的初級包括一個產生高壓繞組和一個產生超高壓繞組；其中所述的定時切換控制單元用于計算切斷電源和再次接通電源之間間隔的時間差，并根據計算結果有選擇地將觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連通。
2.如權利要求1所述的用于鐵路機車前照燈控制器，其特征在于所述的電源部分恒功率PWM控制電路和DC/AC電路組成。
3.如權利要求1所述的用于鐵路機車前照燈控制器，其特征在于上述的恒功率PWM控制電路包括由單片機、推挽電路、升壓電路及整流電路依序連接構成。
4.如權利要求1所述的用于鐵路機車前照燈控制器，其特征在于所述的定時切換控制單元包括儲能電路、定時電路和一個轉換電路；其中儲能電路用以儲存能量，并提供電源切斷后的一段時間內定時切換控制單元所需的能量；所述的定時電路用以設定切斷電源和再次接通電源之間間隔的時間，并輸出信號至轉換電路；所述的轉換電路用以根據定時電路所提供的信號有選擇地將觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連通。
5.如權利要求3所述的用于鐵路機車前照燈控制器，其特征在于還包括一個金鹵燈壽命檢測報警部分，所述的金鹵燈壽命顯示部分包括一個采樣電路和一個報警電路，該采樣電路設置在負載兩端或負載與升壓變壓器次級繞組兩端，其輸出端與單片機的信號輸入端相連；所述的報警電路連接在單片機的報警信號輸出端。
6.如權利要求5所述的用于鐵路機車前照燈控制器，其特征在于所述的采樣電路為兩個串聯(lián)的電阻，兩個電阻的連接端為信號輸出端。
專利摘要本實用新型涉及一種鐵路機車前照燈控制器，為解決現(xiàn)有技術中金鹵燈控制器不能滿足鐵路機車前照燈特殊工況條件而設計。包括電源部分、觸發(fā)控制單元和一個升壓變壓器，觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器的初級連通；升壓變壓器的次級與負載串聯(lián)在一起與電源部分相連，還包括一個定時切換控制單元；所述的升壓變壓器的初級包括一個產生高壓繞組和一個產生超高壓繞組；其中所述的定時切換控制單元用于計算負載切斷電源和負載再次接通電源之間的時間間隔，并根據計算結果有選擇地將觸發(fā)控制單元的輸出端與升壓變壓器初級的產生高壓繞組或產生超高壓繞組連接。本前照燈控制器主要為鐵路機車前照燈或汽車大燈中采用金鹵燈光源而配套所用。
文檔編號H05B41/36GK2800695SQ20052010897
公開日2006年7月26日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權日2005年6月10日
發(fā)明者李英 申請人:李英