專利名稱：高壓大電流水下燈或水下燈陣安裝起動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及自動(dòng)化與水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種有纜遙控水下機(jī)器人ROV(Remotely Operated Vehicles)、無(wú)纜自治水下機(jī)器人AUV(Autonomous Underwater Vehicles)、以及在水中工作的其它類型潛水器UV(Underwater Vehicles)和陸地特殊環(huán)境下廣泛使用的高壓大電流水下燈或水下燈陣安裝起動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
在大洋礦產(chǎn)資源勘察、水下生物考察、援潛救生、海底輸油、輸氣管線檢查、海洋石油鉆井、水庫(kù)與大壩安全檢查等水下環(huán)境的工作中，特別是在人類無(wú)法到達(dá)的深度下，能夠完成上述作業(yè)的只能由裝備了水下攝像機(jī)和水下照明燈等觀測(cè)和作業(yè)工具的潛水器來(lái)完成。獲取真實(shí)而清晰的水下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像，以判斷礦產(chǎn)資源的分布與豐度、生物種類和形態(tài)、海底管線有無(wú)破損和大壩有無(wú)裂縫等是潛水器觀測(cè)與作業(yè)的關(guān)鍵，也是領(lǐng)導(dǎo)者和科學(xué)家們確定下一步戰(zhàn)略的重要依據(jù)。
由于海水中含有懸浮微粒、微生物、氣泡以及光的散射等原因使光通量衰減很快，在水深100米處，太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度已經(jīng)被衰減掉99％。一般情況下，ROV和AUV在20米以深進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)都必須打開照明燈，以獲取較清晰的水下圖像。水下照明燈是各種潛水器在水中工作的關(guān)鍵設(shè)備之一。
水下照明光源通常采用鹵鎢素?zé)?，額定功率在100-500瓦左右，鹵鎢素?zé)舻奶攸c(diǎn)是冷態(tài)燈絲電阻很小，僅是熱態(tài)燈絲電阻的十分之一甚至更小，以往ROV和AUV等潛水器在水下作業(yè)時(shí)，往往在額定電壓下直接起動(dòng)照明燈，由于應(yīng)用于水下的鹵鎢素?zé)衾鋺B(tài)電阻很小，起動(dòng)沖擊電流往往是照明燈額定工作電流的幾倍甚至十幾倍，巨大的沖擊電流常常在起動(dòng)瞬間燒斷照明燈的燈絲。由于水下燈安裝在密封罩內(nèi)，拆裝更換十分麻煩，若AUV在數(shù)千米的海底工作時(shí)，而照明燈的燈絲又在起動(dòng)瞬間燒斷，AUV將無(wú)法完成水下工作，造成水下考察航次的失敗。
另外，大電流沖擊也影響潛水器供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使?jié)撍骺刂葡到y(tǒng)產(chǎn)生混亂。
曾經(jīng)有人采用變壓器調(diào)整輸出電壓的方法慢慢給照明燈供電，這種方法由于手動(dòng)調(diào)壓器笨重，滑動(dòng)刷端接觸不良容易多次產(chǎn)生電流沖擊，沒(méi)有從根本上解決水下燈起動(dòng)瞬間的大電流使燈絲容易燒斷的問(wèn)題，在ROV上應(yīng)用不方便，在AUV上則無(wú)法應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種應(yīng)用范圍廣泛、簡(jiǎn)單、可靠性高的高壓大電流水下燈或水下燈陣安裝起動(dòng)裝置，它能使水下照明燈的燈絲電壓按指數(shù)曲線或者線性上升，不但解決了額定電壓下安全起動(dòng)水下燈的問(wèn)題，而且增加了水下燈的使用壽命，避免了在水下燈起動(dòng)瞬間沖擊大電流對(duì)電氣系統(tǒng)的干擾。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是由積分回路、壓控脈沖調(diào)寬(PWM)電路、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路、保護(hù)電路、水下燈或水下燈陣組成，其中積分回路、壓控PWM電路的輸入信號(hào)可分選到二個(gè)端子上，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路的輸入端通過(guò)或門分別與積分回路的輸出端和壓控PWM電路的輸出端相連接，其輸出端與水下燈或水下燈陣相連接，保護(hù)電路的輸入端與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路的保護(hù)輸出端相連接，輸出端則與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路的輸入端相連接；所述積分回路是由第二～三電阻和第一電容組成的RC無(wú)源積分網(wǎng)絡(luò)，其輸出端通過(guò)或門至驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路；所述壓控PWM電路以函數(shù)發(fā)生器為核心器件，輸入端與第四～七電阻，第二～三電容，第一二極管組成的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接，第六電阻另一端通過(guò)與非門及第四電阻至INPUT2端子，第四電阻與與非門的輸入端連接并經(jīng)并聯(lián)的第二電容、第五電阻接地，函數(shù)發(fā)生器的5腳和9腳通過(guò)第八～九電阻接至電源，第10腳和第12腳分別通過(guò)第四電容和第十電阻接地，輸出端通過(guò)或門接至驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路；所述驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路由驅(qū)動(dòng)模塊和功率開關(guān)管，以及第二二極管，第一三極管，第十一～十三電阻，第五～六電容組成，驅(qū)動(dòng)模塊的15腳經(jīng)第十一電阻至電源，14腳通過(guò)第十二電阻、第一三極管經(jīng)過(guò)或門與積分回路中第三電阻或壓控PWM電路中函數(shù)發(fā)生器的輸出端相連接，驅(qū)動(dòng)模塊的6腳經(jīng)第二二極管至功率開關(guān)管集電極，3腳經(jīng)第十三電阻至功率開關(guān)管基極，1腳與功率開關(guān)管的發(fā)射極相連并經(jīng)第五電容至隔離電源的地，2腳接隔離電源并經(jīng)第六電容至隔離電源的地，功率開關(guān)管的發(fā)射極與其它電路地隔離，其輸出端與水下燈或水下燈陣相連接；所述保護(hù)電路由光電耦合器，觸發(fā)器，第二三極管，發(fā)光二極管，復(fù)位開關(guān)，第十四～十六電阻和第七電容組成，觸發(fā)器輸出端經(jīng)第二三極管、第十五～十六電阻、發(fā)光二極管至電源，4腳經(jīng)并聯(lián)的復(fù)位開關(guān)、第七電容至電源，輸入端經(jīng)上拉的第十四電阻至光電耦合器，光電耦合器中二極管的負(fù)極與驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)流保護(hù)端相連；所述水下燈或水下燈陣可以是單只鹵鎢素?zé)?，也可以由多只鹵鎢素?zé)舸⒙?lián)組成；亦可選用白熾燈或其它類型的照明設(shè)備；輸入信號(hào)地、隔離電源地、水下燈或水下燈陣的高壓電源地相互隔離。
本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.提高水下燈的使用壽命，工作安全可靠。本實(shí)用新型通過(guò)采用積分回路、壓控PWM電路二種緩起動(dòng)方式，使施加于水下燈或水下燈陣上的燈絲電壓按指數(shù)曲線上升或者按脈沖占空比從1％～100％變化，有效地抑制了水下燈或水下燈陣在起動(dòng)時(shí)所遭受的巨大電流沖擊，因此有效地保護(hù)了水下照明燈，提高了水下燈的使用壽命，免除了大電流沖擊對(duì)電氣系統(tǒng)的干擾，提高了潛水器電氣系統(tǒng)的可靠性。
2.驅(qū)動(dòng)功率大。本實(shí)用新型最大驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)1200伏，最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)75安培，用戶可根據(jù)實(shí)際工作需要改變水下燈或水下燈陣的組合方法、選擇工作電壓等級(jí)。
3.本實(shí)用新型的控制信號(hào)地、隔離電源地、高壓大電流負(fù)載電源地相互隔離，不對(duì)電氣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)生干擾。
4.具有保護(hù)功能。本實(shí)用新型對(duì)燈絲短路、電纜短路、水下密封接插件漏水等外部原因造成的故障有自動(dòng)保護(hù)功能，保護(hù)電路動(dòng)作準(zhǔn)確并帶有自動(dòng)記憶和顯示功能。
5.消耗功率低。驅(qū)動(dòng)50伏/10安培照明燈負(fù)載時(shí)，本實(shí)用新型自身消耗功率小于負(fù)載功率的4％，驅(qū)動(dòng)500伏/10安培照明燈負(fù)載時(shí)，其自身消耗功率小于負(fù)載功率的0.4％。
6.體積小、重量輕；本實(shí)用新型電路板尺寸僅50平方厘米，包括功率驅(qū)動(dòng)器件在內(nèi)總重量不超過(guò)0.4公斤，兩種緩起動(dòng)方式可通過(guò)微型開關(guān)或者短路環(huán)方便選擇。
7.應(yīng)用范圍廣泛。本實(shí)用新型可應(yīng)用于ROV和AUV等潛水器及其它水下設(shè)備上，也可應(yīng)用在陸地各種特殊環(huán)境下的照明設(shè)備上。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中積分回路電路原理圖。
圖3為圖1中壓控PWM電路原理圖。
圖4為圖1中驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路原理圖。
圖5為圖1中保護(hù)電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本實(shí)用新型。
實(shí)施例如圖1所示，由積分回路1、壓控PWM電路2、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3、保護(hù)電路4、水下燈及水下燈陣5組成，積分回路1、壓控PWM電路2的輸入信號(hào)可分選到INPUT1和INPUT2二個(gè)端子上，輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平；輸入到INPUT1端的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)使施加在水下燈或水下燈陣5的電壓按指數(shù)曲線上升，不產(chǎn)生沖擊電流；輸入到INPUT2端的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)使施加在水下燈或水下燈陣5的電壓按脈沖占空比增加的方式使平均電壓上升，同樣也不產(chǎn)生沖擊電流；驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3的輸入端通過(guò)或門分別與積分回路1的輸出端和壓控PWM電路2的輸出端相連接，其輸出端與水下燈或水下燈陣5相連接，保護(hù)電路4的輸入端與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3的保護(hù)輸出端相連接，輸出端則與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3的輸入端相連接。
積分回路1是由第二～三電阻R2～R3和第一電容C1組成的RC無(wú)源積分網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，第二電阻R2與INPUT1端子相連，第三電阻R3另一端與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3的輸入端電阻R12相連；積分時(shí)間常數(shù)由第二～三電阻R2、R3和第一電容C1決定，改變第二～三電阻R2、R3和第一電容C1的值，可以根據(jù)需要方便的改變施加在水下燈和水下燈陣上的電壓上升率。
壓控PWM電路2是以函數(shù)發(fā)生器IC1為核心器件，如圖3所示，輸入端與第四～七電阻R4、R5、R6、R7，第二～三電容C2～C3，第一二極管D1組成的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接，使IC1的9腳輸出的脈沖占空比從1％～100％等幅變化，改變第六～七電阻R6、R7和第三電容C3的值，可方便的改變脈沖占空比從1％變化到100％的時(shí)間，第六電阻R6另一端通過(guò)與非門G1及第四電阻R4至INPUT2端子，第四電阻R4與與非門G1的輸入端連接并經(jīng)并聯(lián)的第二電容C2、第五電阻R5接地，函數(shù)發(fā)生器IC1的5腳和9腳通過(guò)第八～九電阻R8、R9接至電源，第10腳和第12腳分別通過(guò)第四電容C4和第十電阻R10接地；函數(shù)發(fā)生器IC1脈沖頻率控制由第八電阻R8和第四電容C4決定，9腳輸出端通過(guò)或門至驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3。
如圖4所示，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3由驅(qū)動(dòng)模塊IC2和功率開關(guān)管IGBT1，以及第二二極管D2，第一三極管Tr1，第十一～十三電阻R11、R12、R13，第五～六電容C5、C6組成，驅(qū)動(dòng)模塊IC2 15腳經(jīng)第十一電阻R11至電源，14腳通過(guò)第十二電阻R12、第一三極管Tr1、經(jīng)過(guò)或門與積分回路1中第三電阻R3或壓控PWM電路2中函數(shù)發(fā)生器IC1的9腳輸出端相連接，驅(qū)動(dòng)模塊IC2的6腳經(jīng)第二二極管D2至功率開關(guān)管IGBT1集電極，3腳經(jīng)第十三電阻R13至功率開關(guān)管IGBT1基極，1腳與功率開關(guān)管IGBT1的發(fā)射極相連并經(jīng)第五電容C5至隔離電源的地，2腳接隔離電源并經(jīng)第六電容C6至隔離電源的地，功率開關(guān)管IGBT1的發(fā)射極與其它電路地隔離，其輸出端與水下燈或水下燈陣5相連接；驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路3的最大驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)1200伏，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)75安培；在本實(shí)用新型輸入端INPUT1的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平控制下，水下燈或水下燈陣5的燈絲電壓按指數(shù)曲線上升，在本實(shí)用新型輸入端INPUT2的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平控制下，水下燈或水下燈陣5的燈絲電壓按脈沖PWM方式，占空比從1％～100％變化。
如圖5所示，保護(hù)電路4由光電耦合器OP1，觸發(fā)器IC3，第二三極管Tr2，發(fā)光二極管LED1，復(fù)位開關(guān)K1，第十四～十六電阻R14、R15、R16和第七電容C7組成，觸發(fā)器IC3輸出端經(jīng)第二三極管Tr2、第十五～十六電阻R15、R16、發(fā)光二極管LED1至電源，4腳經(jīng)并聯(lián)的復(fù)位開關(guān)K1、第七電容C7至電源，輸入端經(jīng)上拉的第十四電阻R14至光電耦合器OP1，光電耦合器OP1中二極管的負(fù)極與驅(qū)動(dòng)模塊IC2的過(guò)流保護(hù)端5腳相連；它的作用是當(dāng)水下燈絲短路或水下電纜漏水時(shí)，保護(hù)功率開關(guān)管IGBT1免于損壞。當(dāng)發(fā)生燈絲或電纜短路故障時(shí)，電路將自動(dòng)記憶并通過(guò)發(fā)光二極管LED1顯示，同時(shí)封鎖積分回路1和壓控PWM電路2的控制信號(hào)；故障排除后，可通過(guò)復(fù)位開關(guān)K1恢復(fù)本裝置正常工作。
水下燈或水下燈陣5可以是單只鹵鎢素?zé)?，也可以由多只鹵鎢素?zé)舸⒙?lián)組成；根據(jù)需要也可以選用白熾燈或其它類型的照明設(shè)備，選用照明設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意它的工作電壓、功率、水下密封方式，還應(yīng)注意本裝置能驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載電壓是1200伏、最大負(fù)載電流是75安培。
所述輸入信號(hào)地、隔離電源地、水下燈或水下燈陣5的高壓電源地相互隔離；所述函數(shù)發(fā)生器IC1采用ICL8038件，驅(qū)動(dòng)模塊IC2采用EXB840件，觸發(fā)器IC3采用CD4013件，所述功率開關(guān)管IGBT1采用隔離柵雙極性晶體管。
當(dāng)本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)50伏/10安培照明燈負(fù)載時(shí)，其自身消耗功率小于負(fù)載功率的4％，當(dāng)驅(qū)動(dòng)500伏/10安培照明負(fù)載時(shí)，其自身消耗功率小于負(fù)載功率的0.4％。本實(shí)用新型最大驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)1200伏，最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)75安培。
權(quán)利要求1.一種高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于由積分回路(1)、壓控脈沖調(diào)寬電路(2)、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)、保護(hù)電路(4)、水下燈或水下燈陣(5)組成，其中積分回路(1)、壓控脈沖調(diào)寬電路(2)的輸入信號(hào)可分選到(INPUT1)和(INPUT2)二個(gè)端子上，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)的輸入端通過(guò)或門分別與積分回路(1)的輸出端和壓控脈沖調(diào)寬電路(2)的輸出端相連接，其輸出端與水下燈或水下燈陣(5)相連接，保護(hù)電路(4)的輸入端與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)的保護(hù)輸出端相連接，輸出端則與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)的輸入端相連接。
2.按權(quán)利要求1所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于所述積分回路(1)是由第二～三電阻R2～R3和第一電容C1組成的RC無(wú)源積分網(wǎng)絡(luò)，其輸出端通過(guò)或門至驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)。
3.按權(quán)利要求1所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于所述壓控脈沖調(diào)寬電路(2)以函數(shù)發(fā)生器IC1為核心器件，輸入端與第四～七電阻R4、R5、R6、R7，第二～三電容C2～C3，第一二極管D1組成的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接，第六電阻R6另一端通過(guò)與非門G1及第四電阻R4至INPUT2端子，第四電阻R4與與非門G1的輸入端連接并經(jīng)并聯(lián)的第二電容C2、第五電阻R5接地，函數(shù)發(fā)生器IC1的5腳和9腳通過(guò)第八～九電阻R8、R9接至電源，第10腳和第12腳分別通過(guò)第四電容C4和第十電阻R10接地，輸出端通過(guò)或門接至驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)。
4.按權(quán)利要求1所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路(3)由驅(qū)動(dòng)模塊IC2和功率開關(guān)管IGBT1，以及第二二極管D2，第一三極管Tr1，第十一～十三電阻R11、R12、R13，第五～六電容C5、C6組成，驅(qū)動(dòng)模塊IC2的15腳經(jīng)第十一電阻R11至電源，14腳通過(guò)第十二電阻R12、第一三極管Tr1經(jīng)過(guò)或門與積分回路(1)中第三電阻R3或壓控脈沖調(diào)寬電路(2)中函數(shù)發(fā)生器IC1的輸出端相連接，驅(qū)動(dòng)模塊IC2的6腳經(jīng)第二二極管D2至功率開關(guān)管IGBT1集電極，3腳經(jīng)第十三電阻R13至功率開關(guān)管IGBT1基極，1腳與功率開關(guān)管IGBT1的發(fā)射極相連并經(jīng)第五電容C5至隔離電源的地，2腳接隔離電源并經(jīng)第六電容C6至隔離電源的地，功率開關(guān)管IGBT1的發(fā)射極與其它電路地隔離，其輸出端與水下燈或水下燈陣(5)相連接。
5.按權(quán)利要求1所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于所述保護(hù)電路(4)由光電耦合器OP1，觸發(fā)器IC3，第二三極管Tr2，發(fā)光二極管LED1，復(fù)位開關(guān)K1，第十四～十六電阻R14、R15、R16和第七電容C7組成，觸發(fā)器IC3輸出端經(jīng)第二三極管Tr2、第十五～十六電阻R15、R16、發(fā)光二極管LED1至電源，4腳經(jīng)并聯(lián)的復(fù)位開關(guān)K1、第七電容C7至電源，輸入端經(jīng)上拉的第十四電阻R14至光電耦合器OP1，光電耦合器OP1中二極管的負(fù)極與驅(qū)動(dòng)模塊IC2的過(guò)流保護(hù)端相連。
6.按權(quán)利要求1所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于所述水下燈或水下燈陣(5)可以是單只鹵鎢素?zé)簦部梢杂啥嘀畸u鎢素?zé)舸⒙?lián)組成；亦可選用白熾燈或其它類型的照明設(shè)備。
7.按權(quán)利要求1～6之一所述高壓大電流水下燈或水下燈陣安全起動(dòng)裝置，其特征在于輸入信號(hào)地、隔離電源地、水下燈或水下燈陣(5)的高壓電源地相互隔離。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種高壓大電流水下燈或水下燈陣安裝起動(dòng)裝置。由積分回路、壓控PWM電路、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路、保護(hù)電路、水下燈或水下燈陣組成，積分回路、壓控PWM電路的輸入信號(hào)可分選到二個(gè)端子上，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路輸入端與積分回路的輸出端或壓控PWM電路的輸出端相連，其輸出端至水下燈或水下燈陣，保護(hù)電路輸入端與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路的保護(hù)輸出端相連接，輸出端則與驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路的輸入端相連接。它通過(guò)采用二種緩起動(dòng)方式，使水下照明燈的燈絲電壓呈線性或者指數(shù)曲線上升，起動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生沖擊電流，增加了水下照明燈的使用壽命，提高了潛水器電氣系統(tǒng)的可靠性，適用于ROV、AUV等潛水器的照明系統(tǒng)、水下燈陣及陸上其它特殊環(huán)境。
文檔編號(hào)H05B37/02GK2571119SQ0227514
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者燕奎臣 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所