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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(yōu)缺點(diǎn)，提出一種交流高壓發(fā)生電路，應(yīng)用于電擊穿產(chǎn)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(chǎn)生大量細(xì)菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，嚴(yán)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(qiáng)氧化特性，可破壞微生物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，一方面會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響;一方面可直接作用于細(xì)菌內(nèi)部，從而達(dá)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(yīng)用。臭氧的產(chǎn)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(xiàn)電擊穿效應(yīng)來產(chǎn)生，通常在臭氧陶瓷片兩端施加一定的交流高壓可使出現(xiàn)電暈的情況，從而在臭氧陶瓷片兩面可產(chǎn)生大量的臭氧，高壓發(fā)生電路是臭氧清新機(jī)的核心部件，控制著臭氧清新機(jī)的性能。本文通過分析高壓產(chǎn)生的原理，提出一種交流高壓發(fā)生電路，以應(yīng)用于臭氧機(jī)中，提升臭氧的發(fā)生量，減少電路熱損耗。 1 一般高壓發(fā)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(xiàn)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(fā)生電路主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生高壓，電路簡單、可靠性高，但這個(gè)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(yīng)會(huì)降低電暈強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)，且由于臭氧陶瓷片本身的電容效應(yīng)，在高頻的作用下，容性阻抗下降，電暈效果增強(qiáng)，臭氧發(fā)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(chǎn)生振蕩方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)升壓作用;一種利用臭氧陶瓷片電容效應(yīng)，通過高頻升壓變壓器與臭氧陶瓷片諧振的方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)臭氧陶瓷片容量發(fā)生變化，或受潮的情況下，容易出現(xiàn)無法諧振且無法產(chǎn)生足夠高壓的情況，在實(shí)際使用過程中受環(huán)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(chǎn)生交流高壓的電路，通過單片機(jī)控制頻率及占空比，從而實(shí)現(xiàn)不同的高壓輸出，控制臭氧的發(fā)生量。 2 交流高壓電路原理 借用反激式開關(guān)電源原理，使開關(guān)MOS管在低電平位置導(dǎo)通降低MOS開通時(shí)的沖擊電流，減少電路本身功耗，通過導(dǎo)通形成振蕩電流，控制導(dǎo)通電平時(shí)間，從而達(dá)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(guān)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(guān)斷延遲在200ns以內(nèi)，MOS管采取PSMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其開通、關(guān)斷延遲在200ns以內(nèi)�？焖�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(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。高頻升壓變壓器采取ETD34骨架，初級(jí)線圈圈數(shù)3TS 直徑股數(shù)0.5mm*4P，次級(jí)線圈350TS 直徑股數(shù) 0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初級(jí)線圈與次級(jí)線圈耐壓達(dá)到5KVAC以上。 正常負(fù)載條件下，高頻升壓變壓器初級(jí)電壓波形及驅(qū)動(dòng)電壓脈沖如圖2所示，MOS管導(dǎo)通時(shí)段MOS管漏極處于低電壓狀態(tài)。以避免沖擊電流導(dǎo)致MOS管的損壞。 在正常負(fù)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(fù)載檢測(cè)原理 由于控制負(fù)載的不同，高頻升壓變壓器能量轉(zhuǎn)化存在差異，根據(jù)反激式原理，高頻變壓器次級(jí)在負(fù)載較輕時(shí)，反饋至高頻變壓器初級(jí)的電壓及頻率會(huì)發(fā)生變化，體現(xiàn)在電壓幅值加大，頻率加大。由于開關(guān)頻率較大，通過檢測(cè)幅度變化的值需要快速電路進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于元器件及單片機(jī)處理要求較高，故本文選擇通過檢測(cè)初級(jí)端的頻率變化來區(qū)分次級(jí)空載與帶載時(shí)頻率變化差別，將初級(jí)頻率變化信號(hào)通過降壓方式反饋給單片機(jī)外部中端，單片機(jī)對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，從而判斷頻率的變化，其輕載檢測(cè)原理如圖4所示。二極管D201需采取快速恢復(fù)二極管，如MUR120，其作用為將信號(hào)反饋至單片機(jī)電壓限定在5V，避免高電壓對(duì)單片機(jī)I/O口的損傷。 在負(fù)載斷路的情況下，高頻升壓變壓器初級(jí)電壓波形及驅(qū)動(dòng)脈沖的波形如圖5所示，可明顯看到升壓變壓器初級(jí)電壓頻率及幅值已發(fā)生變化，幅值加大，同時(shí)頻率也加大，同時(shí)在MOS管導(dǎo)通時(shí)段，MOS管漏極電壓不處于低電壓，在MOS管導(dǎo)通時(shí)存在瞬間沖擊電流，如長期運(yùn)行將使MOS發(fā)熱量加大，最終導(dǎo)致MOS管出現(xiàn)損壞。 在高壓變壓器次級(jí)負(fù)載較重時(shí)，高頻變壓器初級(jí)的電壓減小，頻率減小，而由于電路采樣點(diǎn)的頻率與產(chǎn)生的脈沖同頻，在檢測(cè)時(shí)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(hào)采樣的方式，將電壓信號(hào)反饋給單片機(jī)的AD采樣口，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，電壓較高;當(dāng)負(fù)載較重或者短路時(shí)，輸出電壓較低;通過判斷輸出電壓的變化，可區(qū)分負(fù)載較重或者短路的情況。 通過對(duì)電路輕載及重載兩種情況進(jìn)行判斷檢測(cè)，控制電路的開通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間，使開關(guān)MOS管工作在低電平導(dǎo)通工作狀態(tài)，避免MOS開通時(shí)的沖擊電流，降低MOS管的熱損耗，保證電路的可靠運(yùn)行。 4 軟件編程 采取瑞薩8位單片機(jī)R8C/2L, R8C/2L采用R8C CPU內(nèi)核，最高工作頻率為20 MHz。單片機(jī)具備以下功能： ● 采用8位預(yù)定標(biāo)器(定時(shí)器RA和RB)的8位多功能定時(shí)器：2通道; ● 輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器(定時(shí)器RC、RD)：16位 x 3通道; ● UART/時(shí)鐘同步串行接口：2通道; ● LIN模塊：1通道(定時(shí)器RA、UART0); ● 10位A/D轉(zhuǎn)換器：9通道; ● 檢測(cè)定時(shí)器; ● 時(shí)鐘生成電路：XIN時(shí)鐘生成電路、片上振蕩器(高/低速); ● 振蕩停止檢測(cè)功能; ● 電壓檢測(cè)電路; ● 上電復(fù)位電路; ● I/O端口：25(包括LED驅(qū)動(dòng)端口); ● 外部中斷引腳：7; ● 數(shù)據(jù)閃存：2 KB。 使用定時(shí)器TB作為系統(tǒng)時(shí)鐘，每距0.1ms中斷一次，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過中斷服務(wù)程序內(nèi)部設(shè)置不同的計(jì)數(shù)變量以形成不同的時(shí)間間距標(biāo)志，作為系統(tǒng)不同功能程序的運(yùn)行時(shí)間，定時(shí)器TA設(shè)置為PWM輸出模式，作為高壓發(fā)生電路的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)中斷口INT1設(shè)置為下降沿觸發(fā)，用于高頻升壓變壓器初級(jí)頻率檢測(cè)。單片機(jī)AD采樣口AN7用于高頻升壓變壓器電壓值檢測(cè)。芯片其它I/O口作為產(chǎn)品其它功能的輸入輸出接口，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、電源過零信號(hào)檢測(cè)等。 高壓輸出啟動(dòng)，定時(shí)器TA發(fā)出啟動(dòng)脈沖，脈沖關(guān)斷時(shí)間固定在 16.5μs逐步加大脈沖的導(dǎo)通時(shí)間，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到 3.5μs時(shí)，每間距10ms計(jì)算一次中斷口檢測(cè)到的脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為300-700之間時(shí)，相應(yīng)的頻率為40KHz左右，判斷為輸出負(fù)載正常條件，否則視為負(fù)載較輕或者負(fù)載斷路情況，重復(fù)判斷，累計(jì)判斷正常負(fù)載20次，則進(jìn)入正常運(yùn)行，脈沖關(guān)斷時(shí)間固定在16.5μs，導(dǎo)通時(shí)間根據(jù)輸出電壓要求逐步加大，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時(shí)判斷高頻升壓變壓器初級(jí)的頻率變化，如檢測(cè)到負(fù)載較輕或斷路情況，將導(dǎo)通時(shí)間降低至3.5μs，重新進(jìn)入啟動(dòng)判斷循環(huán)，以保證電路的可靠運(yùn)行。實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出高壓的電壓變化，如檢測(cè)到電壓偏離合理范圍，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉脈沖信號(hào)輸出。 5 電路性能參數(shù) 輸入電壓：直流12V低電壓輸入;輸出電壓：1KV-4KV交流電壓可調(diào);頻率：關(guān)斷時(shí)間固定在16.5μs，開啟時(shí)間3.5μs-9μs，頻率范圍：40KHz-50KHz，輸出功率15W。 6 電路驗(yàn)證 通過產(chǎn)品整機(jī)性能驗(yàn)證，使用同一規(guī)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(yùn)行，電路運(yùn)行穩(wěn)定，并能智能檢測(cè)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(yùn)行可靠。 7 注意事項(xiàng) MOS管除了剛啟動(dòng)時(shí)無法避免沖擊電流的產(chǎn)生外，后面連續(xù)脈沖的開通時(shí)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M(fèi)OS管的熱損耗。根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間可達(dá)到此目的。 高壓電路啟動(dòng)時(shí)，需給MOS管一個(gè)小的導(dǎo)通信號(hào)，使電路振蕩起來后，再慢慢增加導(dǎo)通時(shí)間，以避免剛導(dǎo)通時(shí)沖擊電流持續(xù)時(shí)間過長對(duì)MOS造成損壞。 需根據(jù)負(fù)載的不同，選擇不同的關(guān)斷時(shí)間，并在運(yùn)行當(dāng)中實(shí)時(shí)檢測(cè)判斷負(fù)載的變化，以避免MOS管漏極電壓超過限值，導(dǎo)致MOS的電壓擊穿。 由于電路運(yùn)行頻率在40KHz-50KHz左右，為保證電路的穩(wěn)定性，需注意元器件的選型，特別是開通、關(guān)斷速度的要求。 根據(jù)輸出電壓的要求不同，需對(duì)高頻升壓變壓器的初級(jí)與次級(jí)的絕緣耐壓進(jìn)行充分的評(píng)估，以避免高壓串接到初級(jí)線圈，導(dǎo)致元器件的損壞。如快速光耦，在電路調(diào)試過程中，由于高頻升壓變壓器的選型問題，多次導(dǎo)致光耦的擊穿。 8 電路其它應(yīng)用 本電路主要產(chǎn)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(fēng)空氣凈化器一般需要1萬伏以上的直流高壓輸出。為實(shí)現(xiàn)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(fù)高壓二極管，如UHVM8L，電容可根據(jù)電容及負(fù)載能力選擇相應(yīng)耐壓值及容量的規(guī)格。 9 總結(jié) 通過分析高壓發(fā)生電路的原理，提出一種交流發(fā)生電路，以滿足臭氧產(chǎn)生的高壓電路要求，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，臭氧發(fā)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(dá)到更高壓輸出，可應(yīng)用于離子風(fēng)空氣凈化器的高壓模塊中去，具備良好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： [1]童詩白，華成英主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，-3版，北京：高等教育出版社，2000.7 [2]譚浩強(qiáng) 編著，C語言程序設(shè)計(jì)，-3版，清華大學(xué)出版社，2014.9 [3]肖如泉.高壓電工基礎(chǔ)[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(guān)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(jī)原理及接口技術(shù)(C51編程)[M]. 人民郵電出版社,2011.8:1-280 |
