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摘要：分析部分高壓電路的原理，指出高壓不同電路的優缺點，提出一種交流高壓發生電路，應用于電擊穿產生臭氧的空氣凈化器中，提升空氣凈化器性能，降低成本。 引言 空氣污染以及空氣中產生大量細菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，嚴重威脅著人們的身體健康，影響人們的日常生活。臭氧，具備強氧化特性，可破壞微生物細胞膜的結構，一方面會對人體產生影響;一方面可直接作用于細菌內部，從而達到快整殺菌效果。其殺菌效果相比其它方式效果更為之明顯，故臭氧在水處理及空氣凈化方面被大量應用。臭氧的產生一般通過空氣電離的方式，使空氣中的氧分子分裂，再重新組合形成，空氣電離則需要在空氣中的氧分子中出現電擊穿效應來產生，通常在臭氧陶瓷片兩端施加一定的交流高壓可使出現電暈的情況，從而在臭氧陶瓷片兩面可產生大量的臭氧，高壓發生電路是臭氧清新機的核心部件，控制著臭氧清新機的性能。本文通過分析高壓產生的原理，提出一種交流高壓發生電路，以應用于臭氧機中，提升臭氧的發生量，減少電路熱損耗。 1 一般高壓發生電路分析 一般而言，在臭氧陶瓷片兩面施加幾千伏的交流電壓可出現電暈情形，從而在臭氧陶瓷片兩端的空氣形成臭氧，目前市場上的高壓發生電路主要有以下兩種實現方式。1.1 線性變壓器升壓方式 通過線性升壓變壓器直接磁耦合方式產生高壓，電路簡單、可靠性高，但這個方式由于電源供電電壓為50Hz或60Hz，頻率較低、磁耦合效果不好，臭氧陶瓷片的電容效應會降低電暈強度，升壓變壓器本身無功功率較高，隨著臭氧需求量增大，輸出功率需加大，線性變壓器體積增大明顯，成本較高。一般應用于需求小劑量臭氧的場合中。 1.2 高頻振蕩升壓方式 隨著臭氧需求量的增加，線性變壓器升壓的方式弊端明顯，而通過高頻方式，增強升壓變壓器的磁耦合，升壓變壓器體積可明顯減少，有利于成本控制及產品的小型化設計，且由于臭氧陶瓷片本身的電容效應，在高頻的作用下，容性阻抗下降，電暈效果增強，臭氧發生量得到提升。故此種方式一般用于臭氧量需求較大的場合。而高頻振蕩方式又分為兩種：一種為自身電路產生振蕩方式產生高壓，高頻升壓變壓器充當升壓作用;一種利用臭氧陶瓷片電容效應，通過高頻升壓變壓器與臭氧陶瓷片諧振的方式產生高壓，高頻升壓變壓器充當升壓及諧振電感作用。后一種方式電路簡單、成本較低，但通過長期的實驗驗證，當臭氧陶瓷片容量發生變化，或受潮的情況下，容易出現無法諧振且無法產生足夠高壓的情況，在實際使用過程中受環境及臭氧陶瓷片一致性影響較大。 通過分析，本文提出一種基于高頻振蕩方式，并采取自身頻率控制的方式來產生交流高壓的電路，通過單片機控制頻率及占空比，從而實現不同的高壓輸出，控制臭氧的發生量。 2 交流高壓電路原理 借用反激式開關電源原理，使開關MOS管在低電平位置導通降低MOS開通時的沖擊電流，減少電路本身功耗，通過導通形成振蕩電流，控制導通電平時間，從而達到控制高頻升壓變壓器高壓輸出的目的。其高壓原理圖如圖1所示，開關頻率選擇在40KHz—50KHz，電路需采用到快速光耦如IR4427芯片，其開通、關斷延遲在200ns以內，MOS管采取PSMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其開通、關斷延遲在200ns以內。快速二極管D4、電阻R9、電容C4組成RCD吸收電路，用于吸收MOS開通、關斷時產生的干擾信號。高頻升壓變壓器采取ETD34骨架，初級線圈圈數3TS 直徑股數0.5mm*4P，次級線圈350TS 直徑股數 0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初級線圈與次級線圈耐壓達到5KVAC以上。 正常負載條件下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅動電壓脈沖如圖2所示，MOS管導通時段MOS管漏極處于低電壓狀態。以避免沖擊電流導致MOS管的損壞。 在正常負載情況下，高壓輸出的電壓波形如圖3所示，從波形看，輸出接近交流正弦波。 3 負載檢測原理 由于控制負載的不同，高頻升壓變壓器能量轉化存在差異，根據反激式原理，高頻變壓器次級在負載較輕時，反饋至高頻變壓器初級的電壓及頻率會發生變化，體現在電壓幅值加大，頻率加大。由于開關頻率較大，通過檢測幅度變化的值需要快速電路進行檢測，對于元器件及單片機處理要求較高，故本文選擇通過檢測初級端的頻率變化來區分次級空載與帶載時頻率變化差別，將初級頻率變化信號通過降壓方式反饋給單片機外部中端，單片機對外部脈沖信號進行檢測，統計一段時間內的脈沖個數，從而判斷頻率的變化，其輕載檢測原理如圖4所示。二極管D201需采取快速恢復二極管，如MUR120，其作用為將信號反饋至單片機電壓限定在5V，避免高電壓對單片機I/O口的損傷。 在負載斷路的情況下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅動脈沖的波形如圖5所示，可明顯看到升壓變壓器初級電壓頻率及幅值已發生變化，幅值加大，同時頻率也加大，同時在MOS管導通時段，MOS管漏極電壓不處于低電壓，在MOS管導通時存在瞬間沖擊電流，如長期運行將使MOS發熱量加大，最終導致MOS管出現損壞。 在高壓變壓器次級負載較重時，高頻變壓器初級的電壓減小，頻率減小，而由于電路采樣點的頻率與產生的脈沖同頻，在檢測時為固定值，無法直接判斷頻率的變化，通過在高壓變壓器后端增加電壓信號采樣的方式，將電壓信號反饋給單片機的AD采樣口，當負載較輕時，電壓較高;當負載較重或者短路時，輸出電壓較低;通過判斷輸出電壓的變化，可區分負載較重或者短路的情況。 通過對電路輕載及重載兩種情況進行判斷檢測，控制電路的開通時間及關斷時間，使開關MOS管工作在低電平導通工作狀態，避免MOS開通時的沖擊電流，降低MOS管的熱損耗，保證電路的可靠運行。 4 軟件編程 采取瑞薩8位單片機R8C/2L, R8C/2L采用R8C CPU內核，最高工作頻率為20 MHz。單片機具備以下功能： ● 采用8位預定標器(定時器RA和RB)的8位多功能定時器：2通道; ● 輸入捕捉/輸出比較定時器(定時器RC、RD)：16位 x 3通道; ● UART/時鐘同步串行接口：2通道; ● LIN模塊：1通道(定時器RA、UART0); ● 10位A/D轉換器：9通道; ● 檢測定時器; ● 時鐘生成電路：XIN時鐘生成電路、片上振蕩器(高/低速); ● 振蕩停止檢測功能; ● 電壓檢測電路; ● 上電復位電路; ● I/O端口：25(包括LED驅動端口); ● 外部中斷引腳：7; ● 數據閃存：2 KB。 使用定時器TB作為系統時鐘，每距0.1ms中斷一次，進入中斷服務程序，通過中斷服務程序內部設置不同的計數變量以形成不同的時間間距標志，作為系統不同功能程序的運行時間，定時器TA設置為PWM輸出模式，作為高壓發生電路的PWM驅動信號，單片機中斷口INT1設置為下降沿觸發，用于高頻升壓變壓器初級頻率檢測。單片機AD采樣口AN7用于高頻升壓變壓器電壓值檢測。芯片其它I/O口作為產品其它功能的輸入輸出接口，如風扇轉速控制、電源過零信號檢測等。 高壓輸出啟動，定時器TA發出啟動脈沖，脈沖關斷時間固定在 16.5μs逐步加大脈沖的導通時間，當導通時間達到 3.5μs時，每間距10ms計算一次中斷口檢測到的脈沖個數，當脈沖個數為300-700之間時，相應的頻率為40KHz左右，判斷為輸出負載正常條件，否則視為負載較輕或者負載斷路情況，重復判斷，累計判斷正常負載20次，則進入正常運行，脈沖關斷時間固定在16.5μs，導通時間根據輸出電壓要求逐步加大，在正常運行狀態下，實時判斷高頻升壓變壓器初級的頻率變化，如檢測到負載較輕或斷路情況，將導通時間降低至3.5μs，重新進入啟動判斷循環，以保證電路的可靠運行。實時檢測輸出高壓的電壓變化，如檢測到電壓偏離合理范圍，進入保護狀態，關閉脈沖信號輸出。 5 電路性能參數 輸入電壓：直流12V低電壓輸入;輸出電壓：1KV-4KV交流電壓可調;頻率：關斷時間固定在16.5μs，開啟時間3.5μs-9μs，頻率范圍：40KHz-50KHz，輸出功率15W。 6 電路驗證 通過產品整機性能驗證，使用同一規格的臭氧陶瓷片，使用此電路相比線性升壓變壓器方式，臭氧量提升100%以上，通過長期運行，電路運行穩定，并能智能檢測臭氧陶瓷片斷路或短路等情形，MOS管溫升在20K以下，高頻變壓器溫升控制在30K左右，電路長期運行可靠。 7 注意事項 MOS管除了剛啟動時無法避免沖擊電流的產生外，后面連續脈沖的開通時段需保證在MOS管漏極電壓較低的位置。以控制MOS的沖擊電流，減少MOS管的熱損耗。根據負載情況調節關斷時間可達到此目的。 高壓電路啟動時，需給MOS管一個小的導通信號，使電路振蕩起來后，再慢慢增加導通時間，以避免剛導通時沖擊電流持續時間過長對MOS造成損壞。 需根據負載的不同，選擇不同的關斷時間，并在運行當中實時檢測判斷負載的變化，以避免MOS管漏極電壓超過限值，導致MOS的電壓擊穿。 由于電路運行頻率在40KHz-50KHz左右，為保證電路的穩定性，需注意元器件的選型，特別是開通、關斷速度的要求。 根據輸出電壓的要求不同，需對高頻升壓變壓器的初級與次級的絕緣耐壓進行充分的評估，以避免高壓串接到初級線圈，導致元器件的損壞。如快速光耦，在電路調試過程中，由于高頻升壓變壓器的選型問題，多次導致光耦的擊穿。 8 電路其它應用 本電路主要產生交流高壓輸出，如需要直流并且更高電壓輸出，可在電路后端增加倍壓電路，如離子風空氣凈化器一般需要1萬伏以上的直流高壓輸出。為實現更高直流電壓的輸出，需增加倍壓電路，其原理圖如圖6所示：二極管需采取快速恢復高壓二極管，如UHVM8L，電容可根據電容及負載能力選擇相應耐壓值及容量的規格。 9 總結 通過分析高壓發生電路的原理，提出一種交流發生電路，以滿足臭氧產生的高壓電路要求，并通過實驗驗證，臭氧發生量比采取線性變壓器升壓的方式有了較為明顯的提升，該電路通過在后端增加倍壓電路的方式可達到更高壓輸出，可應用于離子風空氣凈化器的高壓模塊中去，具備良好的應用前景。 參考文獻： [1]童詩白，華成英主編，模擬電子技術基礎，-3版，北京：高等教育出版社，2000.7 [2]譚浩強 編著，C語言程序設計，-3版，清華大學出版社，2014.9 [3]肖如泉.高壓電工基礎[M].水利水電出版社,2013.1:100-125 [4]胡斌，胡松. 電子工程師必備——關鍵技能速成寶典[M]. 人民郵電出版社,2013.10:1-675 [5] 張毅剛. 單片機原理及接口技術(C51編程)[M]. 人民郵電出版社,2011.8:1-280 |
