楊幫華,丁麗娜,張永懷
(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200072;2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海200233)
氣體分析在地震預(yù)報(bào)、礦井安全、石油勘探、醫(yī)療衛(wèi)生、污染源監(jiān)測(cè)、化工過(guò)程控制、冶金等傳統(tǒng)工業(yè)乃至現(xiàn)在所有的新技術(shù)革命帶頭學(xué)科(如生物科學(xué)、微電子學(xué)、新型材料)等領(lǐng)域均有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。常用的氣體分析方法有很多種,其中紅外吸收法應(yīng)用最為引人注目,是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[1]。
在紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測(cè)儀器中,要求光源發(fā)光強(qiáng)度不變,即光源功率保持恒定。光源屬于純電阻負(fù)載,純電阻負(fù)載會(huì)隨著溫度變化和負(fù)載材料損耗而變化。負(fù)載的阻值變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的電流或者電壓發(fā)生變化,從而使得負(fù)載功率發(fā)生變化。光源在發(fā)光過(guò)程中,溫度會(huì)升高,導(dǎo)致光源的等效阻值發(fā)生變化;隨著光源材料消耗,負(fù)載阻值也發(fā)生變化,光強(qiáng)度就發(fā)生變化,會(huì)使得紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測(cè)儀器的輸出信號(hào)波動(dòng)。另外,一批光源產(chǎn)品中,光源的內(nèi)阻也會(huì)存在差別,用它制作的紅外氣體傳感器產(chǎn)品的一致性就會(huì)較差。由此,研究電阻性負(fù)載的恒功率控制具有重要的實(shí)際意義。
目前,在電阻性負(fù)載的恒功率控制方面,有設(shè)計(jì)出以軟件方式控制的恒功率電路,具有控制算法簡(jiǎn)單可靠、設(shè)定值靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但其需要編寫(xiě)程序,且當(dāng)單片機(jī)受自身或外部環(huán)境因素影響時(shí)程序會(huì)報(bào)錯(cuò)[2]。本文設(shè)計(jì)了一種恒功率電路,只依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)恒功率控制,降低了復(fù)雜度,且成本低,使用方便,能夠更好地用在紅外光源驅(qū)動(dòng)上,解決了傳統(tǒng)紅外光源在恒電壓、恒電流控制電路中輸出功率不穩(wěn)定的問(wèn)題[3],可在一定程度上提高產(chǎn)品一致性,在紅外氣體傳感器、檢測(cè)儀、分析儀器以及紅外光譜儀中都將有廣泛而積極的應(yīng)用。
恒功率電路原理框圖如圖1所示,由功率監(jiān)視器(電流電壓采樣部分)、調(diào)節(jié)電路和光源負(fù)載三部分組成。
圖1 恒功率電路的原理框圖Fig 1 Principle block diagram of constant power circuit
設(shè)計(jì)恒功率電路的思想就是利用功率監(jiān)視器通過(guò)外部檢流電阻檢測(cè)負(fù)載電流,向芯片輸入表示負(fù)載電流的電壓,芯片內(nèi)部的乘法器將輸入的負(fù)載電壓和表示負(fù)載電流的電壓相乘,輸出一個(gè)表示負(fù)載功率的電壓作為調(diào)節(jié)電路的輸入。調(diào)節(jié)電路通過(guò)運(yùn)算放大器和三極管組成一個(gè)反饋系統(tǒng),具有自動(dòng)穩(wěn)定負(fù)載功率的功能。當(dāng)負(fù)載的功率發(fā)生變化的時(shí)候,通過(guò)反饋系統(tǒng)的調(diào)節(jié),恒定負(fù)載輸入功率,達(dá)到光源發(fā)光強(qiáng)度不變。
恒功率光源驅(qū)動(dòng)電路以EMIRS200 MEMS光源為負(fù)載,進(jìn)行恒功率電路設(shè)計(jì)。MEMS光源的等效電阻變化范圍為35~55Ω,考慮到 EMIRS200 MEMS光源典型功率為450 mW,若保持恒定450 mW的功率,則其驅(qū)動(dòng)電壓在5.7 V左右,驅(qū)動(dòng)電流在79 mA左右(參考MEMS光源的datasheet),恒功率電路包括電流、電壓采樣電路和調(diào)節(jié)電路。恒功率電路、恒壓電路與恒流電路如圖2(a),(b),(c)所示。
1)電流、電壓采樣電路:主要由MAX4211EEUE功率監(jiān)視器、電阻RSENSE,R6,R10和三極管BCP54構(gòu)成。
電流采樣電路:電流源輸出電流由功率監(jiān)視芯片的端輸入,經(jīng)RSENSE,R4和三極管Q1到MEMS光源負(fù)載上,電阻RSENSE為檢流電阻,將電流以電壓的形式加在功率監(jiān)視器MAX4211EEUE的引腳1和引腳2上,在功率監(jiān)視器內(nèi)部進(jìn)行處理。
電壓采樣電路:電壓采樣電路由功率監(jiān)視器、電阻R6和R10組成,R6,R10與光源負(fù)載并聯(lián),2個(gè)電阻兩端的總電壓與負(fù)載電壓相等,因?yàn)楣β时O(jiān)視器的輸入電壓要不大于1 V,所以,用R10分得小于1 V的電壓,代表負(fù)載的電壓值,作為功率監(jiān)視器的引腳4輸入。
2)調(diào)節(jié)電路:調(diào)節(jié)電路由功率監(jiān)視器、運(yùn)算放大器LM358與三極管BCP54組成反饋回路進(jìn)行微調(diào)。MAX4211功率監(jiān)視器,其原理如圖3所示。
功率監(jiān)視芯片將采集得到的表示負(fù)載電流和電壓的電壓值通過(guò)乘法器相乘得到表示功率的電壓值輸出。輸出電壓的計(jì)算公式為
圖2 恒功率、恒壓、恒流電路原理圖Fig 2 Principle diagram of constant power/constant voltage/constant current circuit
圖3 MAX4211功率監(jiān)視芯片結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of power monitoring chip
式中 UPOUT為功率監(jiān)視器的輸出電壓,AV為功率監(jiān)視器中放大器增益值,URSENSE為RSENSE兩端的電壓值,UIN為功率監(jiān)視器的輸入電壓。
結(jié)合式(1)與模擬電路知識(shí)得式(2)和式(3)
式中 ULamp為光源兩段的電壓,Ic為三極管的集電極電流,K=AVR6/R6+R10RSENSE,Ib為三極管的基極電流,Ie為三極管的發(fā)射極電流,β為三極管的電流放大系數(shù)。
由上述公式得到 UPOUT=KULampIe,其中,K=AVR6/(R6+R10)RSENSEβ/(1+β),所以,UPOUT表示負(fù)載功率,只要保持UPOUT為恒定的值即可達(dá)到恒定負(fù)載功率的目的。
調(diào)節(jié)電路中調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的流程如下所示
假設(shè)功率監(jiān)視芯片的輸出電壓UPOUT下降,因?yàn)閁b=A(U+-U-)=A(U+-UPOUT),所以,Ub升高。根據(jù)三極管特性知 Uce=Uc-,故 Uce下降,調(diào)節(jié) Ue升高,R10的分壓Urvout下降,由于UPOUT=AVUR10Urvout,所以,調(diào)節(jié)功率監(jiān)視芯片的輸出電壓UPOUT升高,完成負(fù)載功率的調(diào)節(jié);反之,亦然。
為了驗(yàn)證恒功率電路對(duì)光源負(fù)載變化的穩(wěn)定性,采用恒壓、恒流電路作為對(duì)照,通過(guò)測(cè)量計(jì)算3種電路的輸出功率,以不同負(fù)載下輸出功率數(shù)據(jù)的波動(dòng)大小作為評(píng)價(jià)依據(jù),用功率變化的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征波動(dòng)大小。
比較3種控制電路的效果,可以變化光源的等效阻值,觀察負(fù)載輸出功率。不論是光源隨時(shí)間變化導(dǎo)致的內(nèi)阻損耗還是紅外光源產(chǎn)品的分散性,都表現(xiàn)為等效阻值發(fā)生變化。通過(guò)紅外光源串/并聯(lián)電阻模擬實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中光源阻值發(fā)生的變化。阻值發(fā)生變化,光源的輸入電壓和輸入電流會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量輸入電流和電壓,從而計(jì)算輸入功率的大小。光源的輸入功率穩(wěn)定,那么,光源的光功率,即光源的發(fā)光強(qiáng)度也恒定。
3種光源驅(qū)動(dòng)電路分別為:恒功率電路、恒壓電路、恒流電路如圖2中(a),(b),(c)所示。負(fù)載是一個(gè)紅外光源(其阻值為50Ω)。恒壓電路由電壓芯片輸出穩(wěn)定的5.7 V電壓加載負(fù)載光源上,其負(fù)載電壓在光源阻值變化范圍內(nèi)不隨負(fù)載變化而變化。恒流電路由3只三極管BCP54組成的電流源,輸出恒定的79 mA電流,不受光源阻值變化影響。
記錄3種電路中的電壓表和電流表顯示的數(shù)據(jù),如表1所示。
上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后得到數(shù)據(jù)波動(dòng)圖形,如圖4所示。
表1 不同光源等效電阻下3種電路的電壓值和電流值Tab 1 Voltage and current values of three circuits in different equivalent resistance of the light source
圖4 三種電路在不同阻值的功率變化Fig 4 Power changes caused by different resistance in the three circuits
由圖4可以看出:當(dāng)負(fù)載光源的阻值由50Ω分別變?yōu)?5,40Ω和55Ω時(shí),恒功率電路作為光源驅(qū)動(dòng)電路,其功率的波動(dòng)最小。經(jīng)計(jì)算,恒壓、恒流和恒功率電路負(fù)載的功率變化標(biāo)準(zhǔn)差分別為13.11,32.80mW 和3.62mW,恒功率電路負(fù)載功率的標(biāo)準(zhǔn)差最小,進(jìn)一步表明恒功率電路輸出功率的變化最小。
恒功率電路針對(duì)一批不同阻值的光源可以使其的發(fā)光強(qiáng)度保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng),從而減少紅外傳感器的分散性;對(duì)于長(zhǎng)期光源損耗產(chǎn)生的光源強(qiáng)度差異也有較好的調(diào)節(jié)作用,從而抑制了紅外傳感器的基線(xiàn)漂移,增加了可靠性。該電路還可以根據(jù)不同的場(chǎng)合和不同的需求,進(jìn)行改進(jìn),具有更廣闊應(yīng)用范圍和實(shí)用價(jià)值。
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