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1、國 立 成 功 大 學 電 機 工 程 學 系 碩 士 論 文汽車用氙燈特性之研究Investigation on Characteristics of Automotive XenonLamps研 究 生 ： 徐 文 彬指導教授 ： 梁 從 主 、 陳 建 富中 華 民 國 九 十 年 五 月汽車用氙燈特性之研究徐文彬 * 梁從主 * 陳建富 *國立成功大學電機工程學系摘要 目 前 鹵 素 燈 是 汽 車 頭 燈 最 普 遍 的 光 源 ， 由 於 高 強 度 氣 體 放 電 燈 的 發 光 強 度 、發 光 效 率 、 壽 命 、 演 色 性 均 較 鹵 素 燈 為 佳 ， 因 此 ， 近
2、 年 來 在 高 級 車 種 中 ， 已 開 始使 用 高 強 度 氣 體 放 電 燈 作 為 汽 車 頭 燈 的 光 源 ， 以 提 供 一 高 品 質 的 照 明光源。 汽 車 用 高 強 度 氣 體 放 電 燈 燈 管 內 主 要 是 以 高 壓 氙 氣 為 主 ， 因 此 又 稱 為 氙燈 。 本 文 旨 在 探 討 汽 車 用 氙 燈 ， 冷 啟 動 與 熱 啟 動 暫 態 過 程 的 燈 管 特 性 變 化 、 穩 態時 不 同 燈 管 功 率 、 不 同 使 用 時 數 對 燈 管 特 性 的 影 響 。 本 文 設 計 返 馳 式 轉 換 器 、 全橋 換 流 器 與 兩 級
3、升 壓 點 火 電 路 所 組 成 的 燈 管 特 性 量 測 電 路 ， 提 供 燈 管 啟 動 時 所 需的 高 壓 與 燈 管 點 亮 後 所 需 的 工 作 電 源 。 全 橋 換 流 器 將 提 供 低 頻 交 流 方 波 電 源 給 燈管 ， 以 避 免 音 頻 共 振 的 困 擾 ， 使 燈 管 能 穩 定 的 工 作。 最 後 以 此 電 路 實 際 對 35W 汽 車 用 氙 燈 進 行 各 種 特 性 量 測 與 紀 錄 ， 並 對 結 果 進 行 分 析，提供汽車用氙燈電子式安定器設計之參考。* 研 究 生* 指導教授IInvestigation on Character
4、istics of AutomotiveXenon Lamps W.B.Shyu* T.J.Liang* J.F.Chen* Department of Electrical EngineeringNational Cheng Kung UniversityTainan, Taiwan, R.O.CAbstractHalogen lamps were mainly used for automotive headlights. In recent years, high intensity discharge (HID) lamps have begun to be used in headl
5、ight systems, because of high efficiency, long life, and natural color. Automotive HID lamps are high-pressure xenon gas discharge lamps. In order to design electronic ballast for the automotive xenon lamps, the characteristics of the lamps must be considered first.This thesis surveys and analyzes t
6、he transient and steady state electrical characteristics of the automotive xenon lamp. The measuring circuit is composed of a flyback converter, a full bridge square-wave inverter, and an igniter. In order to avoid acoustic resonance, the full bridge inverter produces a low frequency square-wave cur
7、rent/voltage to the lamp. Finally, the transient characteristics for both cold starting and hot restarting, as well as the stable operation characteristics of the automotive xenon lamps are measured and analyzed.* The student* The advisorsII目 錄摘要 英文摘要 目錄 圖表目錄 符號表 第 一 章 緒論 1 1-1 研究背景與動機 1 1-2 論文大綱 3
8、第 二 章 汽車用氙燈發光原理與特性 4 2-1 汽 車 用 氙 燈 光 源 的 發 展 4 2-2 氣 體 放 電 燈 之 基 本 原 理 7 2-3 氙燈的發光特性 9 2-4 汽 車 用 氙 燈 構 造 與 特 性 122-5 音頻共振 14第 三 章 燈 管 特 性 量 測 電 路 說 明 與 分 析 163-1 燈 管 特 性 量 測 電 路 基 本 架 構 163-2 返馳式轉換器 183-2-1 返 馳 式 轉 換 器 基 本 工 作 原 理 183-2-2 返 馳 式 變 壓 器 設 計 步 驟 203-3 高壓點火電路 253-4 全 橋 換 流 器 32第 四 章 燈 管
9、特 性 量 測 電 路 實 作 344-1 返馳式轉換器製作 35III4-2 高壓點火電路製作 424-3 全橋換流器製作 46第 五 章 燈 管 暫 態 工 作 特 性 485-1 冷啟動暫態特性 485-2 熱啟動暫態特性 56第 六 章 燈 管 穩 態 工 作 特 性 606-1 燈管功率對燈管特性影響 606-2 使用時數對燈管特性影響 64 第 七 章 結論 67 參考文獻 69IV圖 表 目 錄圖 2.1 OSRAM 汽車用氙燈照片 5 (a) D2S (b) D2R (c) D1S圖 2.2 汽車用氙燈頭燈系統 6 (a) 投射式頭燈 (b) 反射式頭燈圖 2.3 氣體放電燈結
10、構示意圖 7 圖 2.4 電磁波的頻率分佈 9 圖 2.5 各種光源光譜 11(a)太陽光譜 (b)氙燈光譜 (c)金屬鹵化物燈光譜(d)日光燈光譜 (e)白熾燈光譜 (f)鈉燈光譜圖 2.6 OSRAM D2S 35W 汽車頭燈結構圖 12 圖 2.7 汽車用氙燈燈管啟動暫態過程燈管電壓、燈管電流變化情形 13 圖 2.8 汽車用氙燈 (D2S 35W)音頻共振頻率分佈圖 14 圖 3.1 燈管特性量測電路架構方塊圖 16 圖 3.2 返馳式轉換器電路 18 圖 3.3 返馳式轉換器在導通與截止時之等效電路 19(a) S1 導通時之等效電路 (b) S1 截止時之等效電路圖 3.4 高電壓
11、點火電路架構圖 25(a)串聯架構 (b)並聯架構圖 3.5 兩級升壓高壓點火電路 26圖 3.6 (a)SIDAC 電路符號與結構圖 27(b)SIDAC 電流 -電壓特性曲線圖V圖 3.7 火花間隙放電器構造圖 28 圖 3.8 電容 Cch 充電時等效電路 29 圖 3.9 全橋換流器電路 32圖 3.10 全橋換流器各點電壓、電流波形 33 圖 4.1 燈管特性量測電路圖 34 圖 4.2 輸出功率 70W 時 ， 返 馳 式 轉 換 器 各 點 電 壓 、 電 流 實 作 波 形 39(切換頻率 20 kHz Vin=12V Vdc=35V Io=2A)(a) 功率開關 S1 的驅動
12、信號 Vg 與電壓 VDS 波形(b) 返馳式變壓器一次側電流 ip 與二次側電流 is 波形(c) 返馳式變壓器一次側電壓 Vp 與二次側電壓 Vs 波形圖 4.3 輸出功率 50W 時 ， 返 馳 式 轉 換 器 各 點 電 壓 、 電 流 實 作 波 形 40(切換頻率 20 kHz Vin=12V Vdc=50V Io=1A)(a) 功率開關 S1 的驅動信號 Vg 與電壓 VDS 波形(b) 返馳式變壓器一次側電流 ip 與二次側電流 is 波形(c) 返馳式變壓器一次側電壓 Vp 與二次側電壓 Vs 波形圖 4.4 輸出功率 35W 時 ， 返 馳 式 轉 換 器 各 點 電 壓
13、、 電 流 實 作 波 形 41(切換頻率 20 kHz Vin=12V Vdc=85V Io=0.41A)(a) 功率開關 S1 的驅動信號 Vg 與電壓 VDS 波形(b) 返馳式變壓器一次側電流 ip 與二次側電流 is 波形(c) 返馳式變壓器一次側電壓 Vp 與二次側電壓 Vs 波形圖 4.5 電容 Cch 充放電電壓與 T2 變壓器二次側電壓實作波形 43 圖 4.6 點火電路產生的點火電壓 VT3 波形 43 圖 4.7 返馳式轉換器輸出電壓 Vdc 與電容 Cig 充放電電壓實作波形 45VI(a) 點火一次 (b) 點火二次圖 4.8 燈管未點亮前，全橋換流器輸出電壓 Vo
14、46與開關 S2、 S3、 S4、 S5 的驅動信號波形圖 4.9 燈管點亮後，全橋換流器輸出電壓 Vo 47與開關 S2、 S3、 S4、 S5 的驅動信號波形 (切換頻率 400Hz)圖 5.1 35W 定功率冷啟動暫態過程燈管電壓、電流波形 50(a) 燈管電壓波形 (b) 燈管電流波形圖 5.2 50W 功率冷啟動暫態過程燈管電壓、電流波形 51(a) 燈管電壓波形 (b) 燈管電流波形圖 5.3 70W 功率冷啟動暫態過程燈管電壓、電流波形 52(a) 燈管電壓波形 (b) 燈管電流波形圖 5.4 50W 功率冷啟動暫態過程各階段燈管電壓、電流波形 53(a) 啟動瞬間 (b) 輝光轉弧光 (c) 穩態圖 5.5 70W 功率冷啟動暫態過程各階段燈管電壓、電流波形 54(a) 啟動瞬間 (b) 輝光轉弧光 (c) 穩態圖 5.6 燈管冷啟動暫態過程燈管等效電阻 55圖 5.7 50W 功率熱啟動暫態過程各階段燈管電壓、電流波形 57(a) 燈管電壓波形 (b) 燈管電流波形圖 5.8 70W 功率熱啟動暫態過程各階段燈管電壓、電流波形 58(a) 燈管電壓波形 (b) 燈管電流波形圖 5.9 燈管熱啟動暫態過程燈管等效電阻 59圖 6.1 燈 管 穩 態 時 操 作 在 額 定 功 率 下 燈 管 電 壓 與 電 流 波 形 60圖 6.
