ARL4460直读光谱激发光源点火电路浅析
【序】
ARL4460直读光谱在我国拥有一定数量的用户，作为性能优良的直读光谱仪。该仪器主要用于各种金属或合金材料的分析与检测，特别是在冶金工业的炉前分析，实验室快速分析，第三方检测机构元素分析，有色工业超纯金属、贵金属分析及特种金属材料分析等领域，有着广泛的应用。该直读光谱仪采用大气沉稳、坚固耐用的结构设计和可靠的制造工艺，确保仪器在复杂环境下都具有优越的分析性能，尤其是在低C、N、O、As、Bi、Sb、Sn、钢的分析具有良好的检测结果。
ARL4460直读光谱的光源在样品激发过程中起着至关重要的作用，其点火电路也是必不可少的环节。本文就 ARL4460直读光谱CCS光源点火电路的作用、组成及工作原理进行了浅析，以帮助操作分析人员学习及维护维修工程师参考之用，个人水平有限难免有不足之处，望大家批评指正，在此本人深表感谢！
一、【ARL4460直读光谱仪点火电路的作用】
直读光谱在样品激发过程中，激发光源产生火花放电，将样品成分中的元素蒸发离解，再把蒸发出来的原子激发使之产生金属元素的特征光谱，通过光谱仪进行光电信号转换及数据处理，最后得到相关金属元素含量的检测结果，供人们分析使用。由于激发光源的工作电压都不是很高（几百伏左右），样品与电极之间无法靠低压直接产生电火花。因此作为辅助点火电路，在光源激发中起着非常关键的作用，否则光谱仪就无法进行正常的分析检测工作。
在样品与电极之间加上8000V～10000V或以上的高电压，气体被击穿产生放电现象，就会出现火花放电，并伴有闪光和爆裂声。气体在击穿后由绝缘体变为良导体，电流剧增。当高压电源的功率不太大时，高电压迅速下降，放电暂时停止，高电压上升又再次恢复继续放电，周而复始形成了间隙性的火花放电。同时激发光源低压在高压放电火花的助燃引导下，样品与电极间隙形成了所需（大电流）的火花放电。当引燃工作完成后，此时高压点火停止工作，由低压电源继续维持稳定的火花放电。因此直读光谱的点火电路主要作用是引燃样品与电极之间的火花放电，完成辅助点火功能。（图1）
图1 ARL4460直读光谱样品与电极火花放电示意图
二、【ARL4460直读光谱光源控制及点火电路】
ARL4460直读光谱是一台高度精密的电子仪器，仪器光源控制系统也相对较为复杂。ARL4460的光源控制原理框图详见图2。从图中可以看出ARL4460采用了高频电源，总线传输系统，加上数字控制技术，故CCS光源属于数字化光源。CCS光源具有体积小，重量轻，功率大，抗干扰能力强，这样大大提高了激发光源的性价比，其性能优于ARLA3460直读光谱。
图2 ARL4460直读光谱光源控制原理框图
ARL4460采用的是CCS电流控制型数字化光源，取代了 ARL3460 Hi-Rep高重复率光源。ARL4460对点火电路进行了升级，采用了高压脉冲直接放电点火电路，省掉了ARL3460的辅助间隙放电腔，提高了点火的可靠性，减少了点火电路的故障率。另外CCS光源点火控制采用了光纤电缆光电隔离信号传输，减小了仪器分析期间激发产生的干扰，为数字化光源提供了良好的电路设计思路。（图3）
图3 ARL4460激发台、屏蔽仓、点火板、光纤、分风扇示意图
三、【ARL4460直读光谱点火电路的结构组成】
ARL4460直读光谱高压点火板是一块独立的印刷电路板（序号S315042），安装在激发台下方金属屏蔽仓内（法拉第罩），因为点火板紧靠激发台，放电火花干扰较大，点火控制信号是通过光纤连接至光源控制板，这样可减少控制线路的干扰。没有了辅助间隙放电腔，火花台结构更为简洁。（图4）
图4 ARL4460直读光谱火花台，点火板等安装图
由于点火板安装在金属屏蔽仓内，点火板维护和维修相对麻烦一些，在底部装有大风力散热风扇，以帮助激发台散热，取下的点火板实物参见图5。
图5 ARL4460直读光谱点火板实物图
点火板元件布局合理，标记清晰，给维修工程师带来很大方便（图6）。
图 6 ARL4460直读光谱点火板元件布局
四、【ARL4460点火电路原理浅析】
ARL4460点火电路板由电源系统、光电信号转换器、高压点火电源驱动倍压电路、高压点火控制驱动电路、高压升压电路等几个模块组成。（图7）
图7 ARL4460直读光谱高压点火电路框图
【各模块电路原理浅析】：
1、电源系统
电源系统由①35KHz、80V高频输入电源，②高频电源变压器T1，③低压直流电源（+15V,+5V），④高压直流电压（+200V）等组成。
35KHz 80V高频电源经高频电源变压器T1转换输出两组电压，一组为低压+15V,+5V供电路各IC使用，另一组为+200V供高压点火电路使用。
35KHz、80V电源进入高频变压器T1初级线圈（2、11端子），次级线圈（4、5、6）降压输出约16V低压，16V经快恢复二极管D4、D5（BYV26C）全波整流，电阻R4（10Ω）、电解电容C7（10μF）滤波输出+15V直流电源，供给高压点火电源驱动电路，+15V经IC2（LP2935三段稳压IC）、电解电容C8（1μF）输出稳定的+5V直流电源，供电路各IC之用。
次级线圈（7、8、9）升压输出约200V高压经快恢复二极管D6、D7（BYV26C）全波整流，电阻R3、R5（2×47Ω）、电解电容C9（10μF，400V）滤波输出+200V直流电源，供高压点火电路驱动电源之用。（图8）
图8 ARL4460点火电路电源部分电路图
由于仪器采用了高频电源，其变压器比工频（50Hz）变压器体积减小很多，重量也轻了不少，同时也减少了工频电源产生的谐波干扰。
2、光电信号转换器
激发光源控制电路（HFBR-1524）产生光信号，通过光导纤维光缆传输至光电转换器IC1（HFBR-2524），光电转换器将光信号转换成电信号，分两路（1，4脚）输出，一路到高压点火电源驱动倍压电路，完成高压点火电路的电源控制功能。一路到高压点火控制驱动电路（IGBT），完成高压点火控制驱动功能。（图9，图10）
图9 ARL4460点火电路光电转换器电路原理图
图10 HFBR-2524光电转换器原理图
3、高压点火电源驱动倍压电路
该电路由①脉冲发生器，②驱动电路，③触发电路，④倍压电路等电路组成。
①脉冲发生器由IC3B（74HC4538，双路触发单稳态多谐振荡器）、R12（33k）、C11（22nF）、C12（1.5nF）等组成，光电转换器IC1输出信号（IN1）进入IC3B-11脚，IC3B、R12、C11组合产生频率220Hz左右的振荡脉冲，从IC3B-9脚输出至隔离耦合电容C12。
②驱动电路由二极管D9、D10（2×1N4148）、电阻R10（270Ω）、R13（68K）、R14（3.9K）、三极管TR1（MPSA05，NPN型）等组成。驱动脉冲经R14、TR1-B极，放大后通过TR1-C极、R10输出到触发变压器T3初级线圈。
③触发电路由变压器T3、单向可控硅THY2（BT153/BT151）、R1（100Ω）、R9（390Ω）、C1（1nF/400V）等组成。触发脉冲经T3次级线圈触发电源控制可控硅THY2，THY2控制+200V输出到倍压电路。
④倍压电路由自谐振电感L1（SELF）、通道滤波电感L2（5mH）、电容C2（1nF/400V）、C3（100nF/400V）、二极管D1、D2、D3（3×BYV26C）等组成。其工作是将+200V电压提升至+400V输送到高压升压变压器T2，以达到倍压供电目的。（图11）
图11 ARL4460点火电路高压点火倍压电源驱动电路原理图
4、高压点火控制驱动电路
高压点火控制驱动电路由①脉冲发生器，②高速双驱动器，③脉冲隔离驱动电路，④高功率驱动电路组成。
①脉冲发生器由IC3A（74HC4538）、电阻R8（1.5K）、电容C5（1.5nF）等组成。光电转换器IC1输出信号（IN2）进入IC3A-11脚，IC3A、R8（1.5k）、C5（1.5nF）组合产生约触发频率70KHz左右的振荡脉冲，从IC3B-7脚输出。
②高速双驱动器由IC4A/IC4B（MC34151高速MOS场效应管驱动器）、C10、C14（2×470nF）等组成。控制脉冲经IC4A-2、IC4B-4脚，通过IC4缓冲放大再经隔离电容C10、C14至隔离驱动变压器T4初级线圈。
③脉冲隔离驱动电路T4变压器、R6（10Ω）、R7（100Ω）等组成。T4次级线圈输出脉冲信号经R6、R7分压后送至高压驱动管TR2-G极。
④高功率驱动高压管TR2（IGBT，绝缘栅双极型晶体管）、Z1（BZX85，18V稳压二极管）等组成。脉冲信号经IGBT放大后从TR2-C极输出至高压变压器T2初级。（图12）
图12 ARL4460高压点火控制驱动电路
5、高压升压电路
高压升压电路由①高压升压变压器T2（即高压点火线圈），②单向导电二极管D11～D14（4×2DXL10高压硅堆（二极管））R11、R15（2×100Ω），③C16（1.5nF穿心电容)、C（100pF）及火花台放电间隙等组成。
驱动管TR2（IGBT）-C极控制驱动高压变压器初级线圈，高压变压器次级线圈将+400V脉冲电压升至18KV左右，输出至激发台样品与电极之间间隙，在高压激发下气隙电离产生高压放电，同时在高压点火控制电路的控制下，最终呈周期性放电火花，以辅助激发光源在火花台内样品与电极之间产生稳定的放电火花，激发样品蒸发产生所测元素的特征光谱。（图13）
图13 ARL4460高压变压器升压点火电路图
高压升压变压器T2采用铁氧体高频磁芯，增大了导磁率，减小了转换传输的损耗，提高了高压变压器的品质因素，C16（1.5nF穿心电容)、C（100pF）为高压地与低压地之间的回路安规电容。
五、【ARL4460点火电路故障维修案例】
ARL4460直读光谱在实际使用中，由于受环境和操作的影响，点火电路也会出现一些故障，下面举两个典型故障维修案例供大家分享。
【案例一】
故障现象：ARL4460直读光谱仪分析样品激发异常，激发火花极不稳定，激发过程不完整，有时不激发。样品激发痕迹非常淡，甚至有时很难看见激发斑点，无正常分析结果。
检查维修及排除：检查状态参数表，各参数值正，系统也未出现异常报警提示，怀疑光源系统故障，因光源由CCS光源，光源控制板，高压点火板组成。通过状态参数显示CCS光源的 +350V、+200V、+15V、-15V、+5V、+ 24V均正常，说明CCS光源35KHz 80V电源正常。（图14划线框内）。
图14 ARL4460状态参数显示表
光源能激发曝光，说明CCS光源及光源控制系统没有问题，检查光纤电缆、光纤插头无松动，未发现异常，重点检查高压点火板。（图15）
图15 ARL4460光纤，屏蔽仓（内含点火板），风扇
用螺丝刀卸掉保护点火板的金属屏蔽仓盖，取下点火板用吸尘器吸净电路板上的灰尘，用酒精清洁高压点火线圈引线连接处，用电吹风吹干。装上点火板开机，激发火花仍然不稳定。再次取下点火板，仔细检查电路板各元器件均未发现异常情况。该检查的都检查了，为什么还会有问题呢，一时没有想通。冥思苦想回忆整个检查过程，最后怀疑光纤是否脏堵了，换上一根新光纤试机，结果样品激发恢复正常，火花稳定，激发斑点也正常了，分析也出正常结果了，这说明故障排除了。再仔细检查发现换下的光纤电缆有一个位置有压痕，估计压痕对光的传输产生了阻碍影响（可能内部玻璃光纤存在折伤或丝裂现象）。
总结分析：分析可能仪器在安装调试或维护维修时，或其他因素下不注意使光纤意外受到机械压伤，由于光纤电缆内部有玻璃光纤，过分压制或弯折就会使玻璃光纤变形甚至折伤，导致光信号受阻传输不稳定，最后使仪器无法正常激发。为了防止光纤有可能受到机械损伤，可以采用将光纤电缆外缠绕塑料胶带或包裹塑料泡沫等方法，以减小意外破坏光纤电缆的机率。因为光纤是非电气元件，其结构从外观上难以判断好坏，很容易被忽略，一时间走了弯路，这是今后应该吸取的经验教训。
【案例二】
故障现象：ARL4460直读光谱仪一台，上午仪器工作无异常，能进行样品激发，分析结果一切正常。下午仪器出故障，运行oxsas分析程序时，出现警报信息425 #， 241 #，217 #（图16），无法联机导致无法分析。
图16 ARL4460直读光谱故障报警信息
检查维修及排除：将报警信息“忽略”，然后检查状态参数表，点击“F7 ”检查参数状态显示与CCS光源相关的电压数据全部异常（图17划线框内）。
图17 ARL4460直读光谱状态参数表
检查CCS光源低压电源，+15，-15V，+5V，+24V均为0V。分析所有与35KHz位总线相关联的电源都由35KHz 80V电源提供，怀疑35KHz 80V电源有故障，由于是该组件高频电源，无法用普通万用表测量（且也测不准确），采用示波器检查35KHz 80V 电源有脉冲输出，说明35KHz 80V 电源正常。检查CCS母板非总线电源+5V、+15V、+24V均是好的。
检查CCS控制板位总线电源PS BITBUS +5V为0V。发现CCS激发控制板电源指示灯绿灯关闭。绿灯关闭说明无电火花反馈信号，即光源无激发火花。停机取下CCS激发控制板及电源板检查各元器件未发现异常。分别更换新CCS控制板和电源板，故障仍然不变。
怀疑点火板故障，打开屏蔽仓，发现仓内有机碳灰尘（图18），及时清洁处理。
图18 屏蔽仓内有祭坛灰尘
取出点火板仔细检查发现点火板有异常，元件表面涂胶已严重变色（图19划线部分）。
图19 元件表面涂胶已严重变色
对照电路图分析该部分元件为高频整流二极管D6、D7及限流电阻R3、R5，经检查二极管D6、D7正常，电阻R3、R5烧坏（图20 (A)画圈内），由此证明确实是点火板损坏。
图20 点火板电源部分电路图
进一步检查测量TR2（IRGBC40U）发现B、C、E之间电阻很小（内部短路），说明TR2也已损坏（图20(B)划圈内），检查其它元件未发现异常。购得IRGBC40U及47Ω，2W（2只）电阻更换，电阻重新溶胶覆盖，晶体管涂抹导热硅脂再安装复原。彻底清洁点火板，安装回点火板，还原屏蔽仓盖。
通电开机CCS控制板LED绿色指示灯恢复正常，CCS控制板位总线电源PS BITBUS +5V恢复正常。进入CCS状态参数表，各电压显示也恢复正常。（图21）
图21 CCS状态参数各电压正常值
进行样品激发测试，仪器恢复正常工作状态。做积分描迹（图22）检查及标准化校正，一切OK，就此故障排除。
图22 仪器积分描迹结果
总结分析：屏蔽仓内空间狭小，积碳灰尘较重，通风不畅，仪器连续长时间工作，使点火板元器件发热严重，温度过高晶体管和电阻过載而损坏，所以也就无高频点火高压，最后导致点火板无法点火。由于点火板在激发台下部屏蔽仓内，有金属罩保护不易损坏，起初未去怀疑点火板故障，走了一些弯路，值得以后注意。
六、【后记】
通过对ARL4460点火电路的浅析及案例介绍，可以认识到一点，CCS数字化光源及点火电路都具有良好的特性，尤其是在省去了辅助放电间隙器件后，减小了干扰，使样品激发火花更加稳定，分析检测结果有了进一步提升，所以ARL4460比ARL3460检测限要高一些，技术性能也要优越一些。当然任何仪器都不是完美无缺的，激发台过分狭小空间给散热带来了不利的因素，点火板维护维修还存在诸多不便，有待进一步改进和完善。
在今后科技发展的道路上，望直读光谱研发和制作科技人员多学习他人的先进技术和经验，愿国产直读光谱的开发和研制能早日赶超国外先进技术水平，为国争光。
2020.6.1
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