CN102612410B - 空气电离器电极驱动电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种空气电离器电极驱动电路和方法，其中：由高压发生器（16）输出具有预定恒定幅值的AC高压，用于施加到电离器电极。然后使用控制器（12）通过离子产生时间来控制所产生的离子的水平，其中所述控制器以重复的方式接通和断开电压发生器。电压发生器工作的占空比（即，接通－断开比）然后决定平均离子产生率。该方法允许从0到100%的范围的离子产生水平控制。

Description

空气电离器电极驱动电路和方法
技术领域
本发明一般涉及空气中负离子的产生。更具体地，本发明涉及用于在控制空气电离器中的负离子产生水平时使用的电极驱动电路和方法。
背景技术
最近几十年以来，已经发现负空气离子是良好空气质量的必要组成部分。这些负离子已经表现为对植物、动物及人类具有有益的生理影响。广泛的研究已经断定，环境中丰富的负离子能够提高情绪、改善代谢活动、加快复原以及增加运动员的成绩。此外，负离子已经表现为具有重要的空气净化功能（例如，去除有害尘埃颗粒），能够除味并杀死多种微生物。
空气电离器可以包括一般类型的电极组件，例如在美国专利US7,365,956B2中见到的类型；在该专利中，两个电极分别紧邻介电材料的隔板的任一侧布置。通过施加大约几kV的高AC电压来产生负离子。在2008年12月23日提交的本申请人的国际专利申请PCT/SG2008/000497中公开了电离器电极组件的其他示例，其具有用于加强离子产生的新颖电极结构，在此将该国际专利申请的内容通过参引的方式并入。然而，本发明在其适用范围方面不限于任何特定形式的电极组件，只要具有被介电材料分开的至少两个具有任何构型的电极。
在常规的空气电离器中，通常通过改变施加于电极的AC电压的幅值来控制所产生的负离子的水平。跨两个电极的电压与离子的产生率相关。通常，电压越高，离子产生率则越高。然而，该方法具有两个主要问题。首先，如果所施加的电压低于对于特定电极/介电构型的具体激励阈值，那么将产生非常少的离子，或者没有离子产生。其次，如果所施加的电压超过对于特定电极/介电构型的具体激励阈值，则可能出现电晕放电，导致臭氧产生的扩大。过多的臭氧产生可对健康具有负面意义。
这两个主要问题将可获得的离子产生率的变化限制在非常窄的范围内，并且要求对所施加的电压的精确控制。然而，如果由电极驱动电路中的电位计来提供电压控制，则电位计的电阻的容差可以容易地达到+/-20%或更高。这在实现大批量生产的电离器的可预测且可靠的性能时导致严重的问题。
美国专利申请公开US2009/0047183A1公开了一种空气净化器装置，该装置很好地示出了所施加的电压如何能够在离子产生与臭氧产生之间的平衡起决定性作用。该文献公开了由公共的逆变器电路驱动的负离子发生器和臭氧气体发生器。由逆变器输出的AC电压幅值在第一值与第二值之间切换，其中所述第一值足以驱动离子发生器但是在臭氧发生器的激励阈值之下，所述第二值足以启动两个发生器。控制电路产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号的占空比决定来自变压器的电极驱动输出的AC电压幅值。
对能够用来以较小的意外产生臭氧的机会产生丰富的、量可控制的负离子的空气电离器电极驱动电路和方法存在未实现的需要。考虑到这种需要而研发了本发明。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种空气电离器电极驱动电路，所述驱动电路适于产生用于施加到空气电离器的电极的驱动电压，所述驱动电路包括：
高压发生器，所述高压发生器产生具有预定恒定幅值的AC高压；和
控制器，所述控制器产生被供给到高压发生器的控制信号；
其中，所述控制信号具有重复的波形，所述波形根据多个预定的占空比中的一个来接通和断开高压发生器，以产生驱动电压，从而通过控制在波形的每个周期期间产生的负离子的量来控制离子产生。
在第二方面，本发明提供一种空气电离器，其包括：电极组件，所述电极组件具有被介电材料分开的至少一对电极；和根据本发明的第一方面的驱动电路，所述驱动电路用于驱动电极，从而产生在能够由用户选择的多个预定水平中的任一个水平处的负离子。
在第三方面，本发明提供一种驱动空气电离器的电极以产生负离子的方法，所述空气电离器具有被电介质分开的至少一对电极，所述方法包括向电极施加具有预定恒定幅值的AC高压，所述预定恒定幅值根据多个预定占空比中的一个被进行脉冲宽度调制，从而通过控制在每个脉冲宽度调制波形周期期间产生的负离子的量来控制离子产生。
本发明对现有技术中控制离子产生的方法的上述两个主要问题提供了有效的解决方案。在本发明中，由高压发生器输出具有预定恒定幅值的AC高压，用于施加到电离器电极。然后使用控制器通过离子产生时间来控制所产生的离子的水平，其中所述控制器以重复的方式接通和断开电压发生器。电压发生器工作的占空比（即，接通-断开比）然后决定平均离子产生率。该方法允许从0到100%的范围的离子产生水平控制。
从控制器获得多个不同的预定占空比，以使用户在该范围内设定不同的离子输出水平。因此，电极驱动电路的一个实施例还包括用于选择所述多个预定占空比中的一个占空比的用户可操作输入装置。该输入装置可包括与诸如LED的一个或多个状态指示器相关联的按钮。
所述多个预定占空比可由对应于低、中、高离子产生水平的三个占空比构成。在用于家用的空气电离器中，这三个设定一般是足够的。然而，不同数量的设定是同样可能的，并且处于本发明的范围内。基于定时而非电压水平来精确地控制离子的产生的能力允许本发明从基本的住宅应用扩展到需求能够非常不同的商业应用。
在实施例中，AC高压具有比控制信号的频率高的频率。AC高压可以具有在10kHz到100kHz范围内的频率。控制信号可以具有在0.1Hz到500Hz范围内的频率。
在电极驱动电路的另一个实施例中，高压发生器包括振荡器和使来自振荡器的电压输出倍增的变压器。
控制信号可以接通和断开振荡器。在实施例中，振荡器以大约12V的供给电压工作，并且在大约11.5V到大约12.6V的范围内适当地工作。
控制器可以包括处理器，如微处理器或微控制器。这能够用来控制空气电离器的其他特征。
可以通过经验对电压将要施加到的特定电极组件确立AC高压的最佳预定恒定幅值。这将使得所施加的电压超过特定激励阈值并处于特定的击穿阈值之下。
AC高压的预定恒定幅值在1kV到10kV的范围内。在一个实施例中，AC高压在大约2.5kV到大约3.5kV的范围内。
附图说明
当结合附图进行时，对本发明的优选实施例的以下描述示出了本发明，但本发明不受优选实施例限制。
在附图中，相似的附图标记用来在多个附图中指代相似的部分。
图1是根据实施例的空气电离器电极驱动电路的框图；
图2是在图1的电路中使用的高压发生器的框图；
图3（a）至3（c）示出了根据一个实施例，对于三个不同的离子产生水平，控制信号和电极驱动电压的第一组示例性波形；
图4（a）至4（c）示出了根据另一个实施例，对于三个不同的离子产生水平，控制信号和电极驱动电压的第二组示例性波形；
图5示出了可与图1的电极驱动电路一起使用、从而组合地实现空气电离器设备的电极组件的示例；以及
图6是对根据本发明的离子产生的可控性和根据现有技术的离子产生的可控性进行比较的一组曲线图。
具体实施方式
图1是根据实施例的空气电离器电极驱动电路的框图。该驱动电路具有两个主要部件：控制器12和高压发生器16。控制器12处于驱动电路的核心处，并且适当地，控制器12为微控制器或微处理器，该微控制器或微处理器具有中央处理单元（CPU）14和相关的支持电路，如处在一个集成电路封装中的程序存储器、数据存储器、振荡器、定时器和监视器（watchdog）。
用户输入通过一个或多个按钮开关11来进行以控制电离器的功能。这些按钮开关通过数字输入接口13连接于控制器12。在本实施例中，要控制的功能包括离子输出水平、增压风扇运行时间及其不同组合。电离器的状态和工作模式通过诸如LED的功能指示器被适当地显示，这些功能指示器由控制器12通过数字输出接口15来驱动。
控制器12还通过接口15提供用于驱动增压风扇和装饰性照明设备的信号。增压风扇用来推进和增加电极模块所产生的离子的生产量。装饰性照明设备可以包括用来增强电离器的物理外观的LED组。
高压发生器16用来产生驱动电离器的电极以用于负离子产生所需的AC高压19。其由控制器12通过提供控制信号17的数字输出接口15来控制。高压发生器16接收来自电压调节器18的经调节的DC低压输入，由此产生AC高压。
图2是高压发生器16的框图。高压发生器16具有低压振荡器21和变压器22，其中低压振荡器21产生低压AC信号，变压器22提供达到所需电压19的电压倍增，以驱动电离器电极。振荡器经由被控制信号17控制的开关逻辑23由来自电压调节器18的经调节的电压供电。该开关逻辑可以包括简单的晶体管开关，该晶体管开关被控制信号偏压，以根据控制信号的水平接通和断开向振荡器21的电力供给。
由发生器16输出的AC高压19具有预定恒定幅值，该预定恒定幅值如前面所述地那样对于离子产生是最佳的。在当前的实施例中，电压具有大约2.5kV到大约3.5kV范围内的大小。更一般地，电压可以具有1kV到10kV范围内的大小。所选择的实际值将取决于电极和居间的介电层的属性，例如，它们的尺寸、厚度、以及制成它们的材料。在高压发生器16中，最终输出电压大小由低压振荡器21输出的AC信号的大小以及变压器22的匝数比来决定。适当地，AC频率在1kHz到10kHz的范围内。
现在将参照两种示例性方案阐述根据本发明的用于离子产生的新颖控制技术。用来接通和断开高压发生器的控制信号17是具有固定周期的脉冲宽度调制（PWM）波形的形式。在下面的示例中，周期为0.25秒。因此，控制信号的频率为4Hz。更一般地，控制信号的频率可以例如在1Hz到10Hz的范围内，但是无论如何都低于AC信号频率。控制器12以该频率导通和断开高压发生器，以控制离子产生的水平。PWM周期期间的导通/断开时间比由控制器设定在多个预定值中的一个。由用户操作一个或多个控制开关11（图1）来选择期望的水平。
图3（a）至3（c）示出了第一控制方案，其中，PWM周期被划分成10个子周期，每个子周期具有0.025秒的持续时间。每个图中的上面的图表示出了控制信号波形，而下面的图表示出了如控制信号所调制的所施加的AC高压。该示例具有对应于高、中、低的三个控制水平。
图3（a）示出了“高”设定，其中，控制信号对于所有10个子周期都为高，即控制信号是恒定的DC水平。因此，AC高压也是恒定的，并且这自然对应于最大离子产生。
图3（b）示出了“中”设定，其中，控制信号对于10个子周期中的8个为高，而对于剩下的2个子周期为低。因此，AC高压以该占空比被施加于电离器电极。然后，以“高”设定下可获得的全产生率的80%产生负离子。
图3（c）示出了“低”设定，其中，控制信号对于10个子周期中的6个为高，而对于剩下的4个子周期为低。因此，AC高压以该占空比被施加于电离器电极。然后，以“高”设定下可获得的全产生率的60%产生负离子。
图4（a）至4（c）示出了第二控制方案，其中，PWM周期被划分成5个子周期，每个子周期具有0.05秒的持续时间。同样，每个图中的上面的图表示出了控制信号波形，而下面的图表示出了如控制信号所调制的所施加的AC高压。该示例同样具有对应于高、中、低的三个控制水平。
图4（a）示出了“高”设定，其中，控制信号对于所有5个子周期都为高，即控制信号是恒定的DC水平。因此，AC高压也是恒定的，并且这自然对应于最大离子产生。
图4（b）示出了“中”设定，其中，控制信号对于5个子周期中的4个为高，而对于剩下的1个子周期为低。因此，AC高压以该占空比被施加于电离器电极。然后，以“高”设定下可获得的全产生率的80%产生负离子。
图4（c）示出了“低”设定，其中，控制信号对于5个子周期中的3个为高，而对于剩下的2个子周期为低。因此，AC高压以该占空比被施加于电离器电极。然后，以“高”设定下可获得的全产生率的60%产生负离子。
不用说，上面两个示例性方案不是限定性的。PWM周期的持续时间、子周期的数量、以及可获得的不同离子产生水平的数量能够根据任何特定应用所期望的控制程度而被改变。
图5通过仅为示例的方式示出了适于由图1的驱动电路驱动的电离器电极模块50的分解图。模块50包括内部电极52、外部电极54以及介电隔板53这些部件，这些部件被平行地布置并且封装在模块化的壳体51、55中。跨电极52、54施加AC高压19。
图6是一组曲线图，示出了本发明在控制设定与产生的离子量之间的高度线性关系方面的优点。通过对在图5所示的类型的电极组件进行测试而产生了这些结果。
参照图6，长虚线图反映了使用常规的AC电压幅值控制技术时的结果。其示出了非线性关系，其中在较高设定下（即，较高电压下），当达到击穿电压并出现臭氧的产生时，离子产量变平。短虚线图反映了在PWM周期被划分成5个子周期的情况下使用本发明的恒定电压控制技术时的结果。最后，实线图反映了在PWM周期被划分成10个子周期的情况下使用本发明的恒定电压控制技术时的结果。
当对其他电极组件进行测试时，申请人获得了类似的结果。因此，能够看到，本发明实现了对离子产生的一致的高度线性控制。
根据本发明的实施例能够被按比例调节到适合用户的应用的尺寸。电极驱动电路可以结合到电子模块中，并且在使用中连接到图5所示的或如申请人的国际专利申请PCT/SG2008/000497中更全面地描述的类型的一个或多个电极模块。可替代地，本发明的电极驱动电路能够集成到离子产生产品。
应当理解，本发明允许基于根据容易由电子器件精确管理的定时方案对施加于电离器电极的恒定电压进行重复的接通和断开而对离子产生水平进行一致且有效的控制。换句话说，以固定的产生率间歇地产生负离子。因此，消除了与可能的离子产生不足或不期望的臭氧产生相关的问题。
另外，尽管最初研发本发明是为了供离子发生器使用，但仅仅通过将预定恒定幅值AC高压设定于适当较高水平，本发明的电极驱动电路和方法也能够以同样好的结果等同地应用于臭氧发生器。
也可以通过除此处具体描述的方式以外的多种方式来实施本发明而不偏离本发明的范围。

Claims (12)

1.一种空气电离器电极驱动电路，所述驱动电路适于产生用于施加到空气电离器的电极的驱动电压，所述驱动电路包括：
高压发生器(16)，所述高压发生器(16)产生具有预定恒定幅值的AC高压；和
控制器(12)，所述控制器(12)产生被供给到所述高压发生器的控制信号；
其中，所述控制信号(17)具有重复的波形，所述波形根据多个预定的占空比中的一个来接通和断开所述高压发生器(16)，以产生所述驱动电压，从而通过控制在所述波形的每个周期期间产生的负离子的量来控制离子产生。
2.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，还包括用于选择所述多个预定占空比中的一个的用户可操作输入装置(11)。
3.根据权利要求1或2所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述多个预定占空比由对应于低、中和高离子产生水平的三个占空比构成。
4.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述AC高压具有比所述控制信号的频率高的频率。
5.根据权利要求4所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述AC高压具有在10kHz到100kHz范围内的频率。
6.根据权利要求4或5所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述控制信号具有在0.1Hz到500Hz范围内的频率。
7.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述高压发生器包括振荡器(21)和使来自所述振荡器的电压输出倍增的变压器(22)。
8.根据权利要求7所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述控制信号(17)接通和断开所述振荡器。
9.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述控制器包括处理器(14)。
10.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述AC高压的所述预定恒定幅值超过所述空气电离器中的电极的激励阈值并处于所述空气电离器中的电极的击穿阈值之下。
11.根据权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路，其中，所述AC高压的所述预定恒定幅值在1kV到10kV的范围内。
12.一种利用如权利要求1所述的空气电离器电极驱动电路驱动空气电离器的电极以产生负离子的方法，所述空气电离器具有被电介质(53)分开的至少一对电极(52、54)，所述方法包括向所述电极施加具有预定恒定幅值的AC高压，所述幅值根据多个预定占空比中的一个被进行脉冲宽度调制，从而通过控制在每个脉冲宽度调制波形周期期间产生的负离子的量来控制离子产生。
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