CN105992447A - 等离子发生器、阻性负载驱动系统及容性负载驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子发生器，具有阳极和阴极，还包括：隔离所述阳极和所述阴极的非导电介质；所述阳极采用金属柱，所述阴极为由金属丝编织成的环形金属网，所述非导电介质为筒状结构；所述金属柱设置在所述非导电介质的内部，所述环形金属网包覆在所述非导电介质的外壁上。本发明通过将作为阳极的金属柱设置在非导电介质的内部，避免了电极暴露在外导致吸附灰尘的问题。

Description

等离子发生器、阻性负载驱动系统及容性负载驱动系统

技术领域

本发明属于放电元件技术领域，尤其是一种等离子发生器、阻性负载驱动系统及容性负载驱动系统。

背景技术

现有的等离子发生器，采用两通道正负离子发生器。使用直流高压放电。该结构的优点：易于驱动，对电学原理要求不高，电学部分成本低廉，体积小，放电结构可以多样化，例如目前有使用金(银)针、导电纤维束等方式。但这种结构带来的问题也是非常明显的，像产生的等离子体相对集中，单位空间的离子量可以很高，但扩散到自由空间后单位空间的离子量较小；电极裸露并且有直流高压，容易吸附灰尘，会电解空气中的水份生成纯氧氧化电极，所以对电极的要求很高，常以渡金或整个电极使用金制作，电极成本较高；需要非常高的电压驱动，设备容易老化；高压电极存在于裸露空间安全性不高；离子的饱和度不高，单个离子所附带的能量相对较低，在进行中和放电的时候所产生的能效不足。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种等离子发生器，以解决现有技术中电极裸露并且有直流高压，容易吸附灰尘的问题。

在一些说明性实施例中，所述等离子发生器，具有阳极和阴极，还包括：隔离所述阳极和所述阴极的非导电介质；所述阳极采用金属柱，所述阴极为由金属丝编织成的环形金属网，所述非导电介质为筒状结构；所述金属柱设置在所述非导电介质的内部，所述环形金属网包覆在所述非导电介质的外壁上。

本发明的另一个目的在于提供一种阻性负载驱动系统。

在一些说明性实施例中，所述阻性负载驱动系统，包括：依次连接的供电设备、自激振荡器、升压变压器、等离子发生器、齐纳电流检测元件、伺服控制器，所述伺服控制器与所述供电设备电连接，用于根据所述齐纳电流检测元件输出的电流值与基准值比较，调节所述供电设备输出的电压。

本发明的再一个目的在于提供一种容性负载驱动系统。

在一些说明性实施例中，所述容性负载驱动系统，包括：供电设备、运算放大器、时钟信号发生器、升压变压器、等离子发生器、齐纳控制电路、谐振控制电路；所述运算放大器，其输入端分别连接所述供电设备的输出端和所述时钟信号发生器的输出端，其输出端分别与所述升压变压器的初级绕组和所述谐振控制环路的输入端连接，用于将电压从方波变换为正弦波提供给所述升压变压器，以及将产生的驱动相位提供给所述谐振控制环路；所述升压变压器，其次级绕组分别电连接所述等离子发生器和所述谐振控制电路，用于驱动所述等离子发生器，以及提供所述谐振控制电路谐振相位；所述谐振控制环路与所述时钟信号发生器连接，用于根据所述驱动相位及谐振相位，调整所述时钟信号发生器的振荡频率；所述齐纳控制环路分别与所述等离子发生器和所述供电设备连接，用于根据流通所述等离子发生器的电流，调整所述供电设备输出的电压。

与现有技术相比，本发明的说明性实施例包括以下优点：

本发明通过将作为阳极的金属柱设置在非导电介质的内部，避免了电极暴露在外导致吸附灰尘的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是按照本发明的说明性实施例的等离子发生器的截面示意图；

图2是按照本发明的说明性实施例的等离子发生器的等效电路图；

图3是按照本发明的说明性实施例的阻性负载驱动系统的结构示意图；

图4是按照本发明的说明性实施例的容性负载驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

如图1所示，公开了一种等离子发生器，具有阳极和阴极，还包括：隔离所述阳极和所述阴极的非导电介质103；所述阳极采用金属柱101，所述阴极为由金属丝编织成的环形金属网102，所述非导电介质为筒状结构；所述金属柱设置在所述非导电介质的内部，所述环形金属网包覆在所述非导电介质的外壁上。

本发明通过将作为阳极的金属柱设置在非导电介质的内部，避免了电极暴露在外导致吸附灰尘的问题。

在一些说明性实施例中，所述金属柱的外壁上均匀分布有若干个作为阳极放电端的毛刺状的凸起；所述金属柱的凸起与所述非导电介质的内壁相接触。

在一些说明性实施例中，环形金属网上具有若干个“十”字结构的交叉点；所述金属柱的凸起与所述环形金属网的交叉点相对。

在一些说明性实施例中，所述金属柱的凸起与所述环形金属网的交叉点相对，具体包括：所述金属柱的每个凸起与所述环形金属网的每个交叉点一一相对。

在一些说明性实施例中，在所述环形金属网的表面积不大于5000平方毫米时，所述等离子发生器作为阻性负载。

在一些说明性实施例中，在所述环形金属网的表面积不小于20000平方毫米时，所述等离子发生器作为容性负载。

在此对上述等离子发生器的结构和原理进行简单说明：

本发明所使用的等离子发生装置为介质阻档高频高压放电。其核心结构有阻档介质，阴极，阳极。

阻档介质：使用特殊材料制作，基本要求是厚度均匀，化学性质和物理性质都稳定，较强的抗电极化能力，表面光滑，在任何环境下不变形，介质损耗小；本发明将阻档介质制作成中空的圆柱形。

阴极：使用不锈钢材料纵横编织成网状，阴极需接电气系统的地线，保证电极安全性；阴极要求有一定的内缩力，保证与阻档介质充分接触；等离子体在接触面产生，通过网状孔溢出；

阳极：使用不锈钢材料做成柱状，所用材料必须具有导电性。柱状阳极表面“种植”针尖，尖端的纵横间距与阴极金属网的间距相等。阳极内置于阻档介质的内壁。在安装阳极时要求阳极“针尖”正对阴极金属网的交叉点。

等离子发生器的结构说明：放电发生于阳极“针尖”与阴极金属网相对应的点上，属于点状放电，其放电击穿半径取决于针尖的锐度。

结构简析：

1、在一个结构内可以产生多个放电端，每个放电端产生单位空间的等离子体，系统相当于有无数个产生等离子体的放电尖端，它们一起工作产生的总和是相当可观的。

2、只有尖端会产生放电，并且产生比较强的电场。因尖端的载体距阴极较远，不会产生放电，电场力也较弱，离子产生后被二次电离或者反向极化的可能性为零。

3、结构稳定，阳极被密封在阻档介质内部；没有大面积的带高压电极的导体裸露，安全！

4、放电距离受控，完全取决胜于阻档介质的厚度。

如图2，等效的电学模型：

1、阴极与阳极之间形成一个放电装置，等效为一个有介质电容器C；在产生击穿放电时产生放电电流，此时呈现电阻性R。阻值与放电电流和施加的电压有关。金属导体可以等效为一个等效电感L。

2、在设计结构时将放电电流取值较小，介质容量较大。电学模型可以看做是如图所示的结构：

3、在电路工作时，要求电路提供的驱动频率远低于LC的谐振频率，此时电感L对电路的影响可忽略不计。

4、根据放电管的大小(大小取决于制作成成品后所能处理污染空间面积大小)，放电管所呈现的电学特性是不一样的。当放电管较小时，C可忽略不计，R起主要作用，此时应根据R的特性设计驱动电路(阻性负载)；当放电管较大时，C将起主要作用，R可忽略不计，此时应根据C的特性设计驱动电路(容性负载)。在选择放电管大小时，应避免出现RC在工作频率处谐振的状态。

5、R的存在仅出现在放电后。离子管的伏安特性曲线是非线性的，在电学上将这种特性称为“齐纳”效应。在设计驱动电路时应充分考虑“齐纳”效应所带来的不稳定性，这对系统工作状态的控制是至关重要的

6、使用20KHz～40KHz的高压正弦波驱动离子管，在正弦波的正峰值点发生放电并电离空气。此时阴极相对于阳极为负电位，阴极产生负离子，在正弦波的负峰点发生放电并电离空气，此时阴极相对于阳极为正电位，阴极产生正离子。因电路在高速交替工作。异步产生的正负离子被风机送出为等离子。

7、对电学模型的实验表明：

1)、使用该结构使用交流高压驱动，能避开氧分子被多次电离而产生臭氧，这是与市面上臭氧发生器需要反复电离在设计原则上的不同之处

2)、在工艺条件下尽可能降低阻档介质的厚度，极大地减小了所需要的驱动电压，可以有效降低臭氧的伴生。

3)、因“齐纳”效应，在驱动电压达不到“齐纳”电压时，不会产生等离子。发生“齐纳”效应时等离子的产生浓度与“齐纳”深度(即放电电流)呈正比例函数关系。

本发明对现有的等离子发生器来说其放电原理，放电控制都进行了根本性改变。等离子产生的绝对量比原有方案提高数千倍。本发明使用了比较多的控制电路使放电趋于受控，原有方案容易受到生产工艺，环境改变的影响。本发明中所使用的物理结构件，电子元器件具备通用性，现有工艺成熟，易于成品实现。本发明中存在使用寿命和危险性的高压电极进行了妥善处理。本发明解决了容性负载的功率因数问题，使系统的耗电量降低，真正实现绿色环保。

如图3所示，公开了一种阻性负载驱动系统，包括：依次连接的供电设备、自激振荡器、升压变压器、上述的等离子发生器、齐纳电流检测元件、伺服控制器，所述伺服控制器与所述供电设备电连接，用于根据所述齐纳电流检测元件输出的电流值与基准值比较，调节所述供电设备输出的电压。

在一些说明性实施例中，阻性负载驱动系统还包括：调整与所述伺服控制器的基准值的控制电路，与所述伺服控制器连接。

在此对上述阻性负载驱动系统中的各元器件进行简单说明：

供电设备：为一个可控电压源，受控信号取自伺服控制器输出。输出电压供给自激振荡器

自激振荡器：与升压变压器配合，组成一个正反馈电路，发生自激振荡，振荡频率控制在离子放电管的电学模型要求范围内。交替改变升压变压器的磁通量。

升压变压器：在次级感应出交流信号，并按匝数比例升压至离子放电管的电学模型要求的电压值。

齐纳电流检测：该电路检测离子放电管的电流，并将电流信号转换为电压信号，经过处理得到能反应离子管电流的直流信号。

伺服控制器：在内部将控制电路所产生的基准信号与齐纳电流检测输出的直流信号进行比较，产生误差放大，并进行时间常数处理获得一个控制直流信号。该控制直流信号可对供电设备的输出电压进行控制。

控制电路：由系统再开发设计，提供一个控制电压。用于控制离子放电管放电电流的大小从而控制离子产生量。

齐纳—伺服控制过程：整个系统电路是一个大环路负反馈。当离子管电流变大时，在齐纳电流检测电路中产生的直流信号升高。在伺服控制器中与控制电路的基准信号比较后输出的电压信号升高。该信号控制供电设备，使供给振荡器的电压降低，输出高压降低，离子管电流降低。大环路负反馈的控制结果是离子管的电流与控制电路输出信号所代表的电流相等。

如图4所示，公开了一种容性负载驱动系统，包括：供电设备、运算放大器、时钟信号发生器、升压变压器、上述的等离子发生器、齐纳控制电路、谐振控制电路；所述运算放大器，其输入端分别连接所述供电设备的输出端和所述时钟信号发生器的输出端，其输出端分别与所述升压变压器的初级绕组和所述谐振控制环路的输入端连接，用于将电压从方波变换为正弦波提供给所述升压变压器，以及将产生的驱动相位提供给所述谐振控制环路；所述升压变压器，其次级绕组分别电连接所述等离子发生器和所述谐振控制电路，用于驱动所述等离子发生器，以及提供所述谐振控制电路谐振相位；所述谐振控制环路与所述时钟信号发生器连接，用于根据所述驱动相位及谐振相位，调整所述时钟信号发生器的振荡频率；所述齐纳控制环路分别与所述等离子发生器和所述供电设备连接，用于根据流通所述等离子发生器的电流，调整所述供电设备输出的电压。

在一些说明性实施例中，所述时钟信号发生器为调整式振荡器。

在一些说明性实施例中，所述齐纳控制环路由伺服控制器、齐纳电流检测元件、控制电路构成；所述伺服控制器与所述供电设备连接，所述齐纳电流检测元件接在所述伺服控制器和所述等离子发生器之间，所述控制电路与所述伺服控制器连接。

在此对上述容性负载驱动系统中的各元器件进行简单说明：

供电设备：为一个可控输出的DC/DC开关电源，向输出级供电，供电电压大小受齐纳控制环路的控制信号控制。

时钟信号发生器：为一个可控制的振荡器，产生一个频率受控的振荡信号，提供给输出级同步。

输出级：内部是一个半桥式DC/DC拓补，产生一组参数受控的方波信号，受控参数包括：方波幅度与输出级的供电相等，而供电由被齐纳环路控制的供电设备供电，所以：方波幅度受齐纳环路控制；方波频率受时钟信号发生器同步，时钟信号发生器受谐振控制器控制。所以：方波频率受谐振控制环路控制。

Lz：一个扼流圈

Cz：升压变压器和离子放电管组合后的电学模型(在电路中不存在Cz这个实体电容)

Cz和Lz串联组成一个串联谐振回路接在输出级的输出端。电路在稳态时，系统工作频率在Lz和Cz的谐振频率上。谐振时根据傅利叶变换。在Cz上将获得与系统频率同频，相位与输出级相差90度，幅度为输出级幅度的Q倍(Q是Lz和Cz的谐振参数)的标准正弦波电压。该电压经升压变压器后驱动离子管。

谐振控制环路：是一个子系统，它与输出级，时钟信号发生器，Lz/Cz谐振回路构成一个大环路负反馈。控制目的：使Lz/Cz处于谐振状态。本系统中Lz和Cz的固有频率是一定的，通过改变工作频率使之谐振。谐振控制环路的工作过程：检测谐振相位和驱动相位，经过一个特殊的相位变换器，在谐振相位和驱动相位为90度时输出零电压，谐振相位超前驱动相位90度时产生一个使时钟信号发生器频率升高的输出电压。在谐振相位滞后驱动相位90度时产生一个使时钟信号发生器频率降低的输出电压。谐振控制环路实现Lz和Cz始终工作于谐振状态。

齐纳控制回路：是一个子系统，它与输出级，供电设备，Lz/Cz谐振回路构成一个大环路负反馈。控制目的：控制离子管的齐纳电流，使其工作稳定，并实现控制电路对离子管电流的控制，实现离子管输出离子量的稳定与受控。控制方式与阻性负载驱动电路原理一致。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种等离子发生器，具有阳极和阴极，其特征在于，还包括：隔离所述阳极和所述阴极的非导电介质；

所述阳极采用金属柱，所述阴极为由金属丝编织成的环形金属网，所述非导电介质为筒状结构；

所述金属柱设置在所述非导电介质的内部，所述环形金属网包覆在所述非导电介质的外壁上。

2.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征在于，所述金属柱的外壁上均匀分布有若干个作为阳极放电端的毛刺状的凸起；

所述金属柱的凸起与所述非导电介质的内壁相接触。

3.根据权利要求2所述的等离子发生器，其特征在于，环形金属网上具有若干个“十”字型结构的交叉点；

所述金属柱的凸起与所述环形金属网的交叉点相对。

4.根据权利要求3所述的等离子发生器，其特征在于，所述金属柱的凸起与所述环形金属网的交叉点相对，具体包括：

所述金属柱的每个凸起与所述环形金属网的每个交叉点一一相对。

5.根据权利要求1-4任一项所述的等离子发生器，其特征在于，在所述环形金属网的表面积不大于5000平方毫米时，所述等离子发生器作为阻性负载；

在所述环形金属网的表面积不小于20000平方毫米时，所述等离子发生器作为容性负载。

6.一种阻性负载驱动系统，其特征在于，包括：依次连接的供电设备、自激振荡器、升压变压器、权利要求1-4任一项所述的等离子发生器、齐纳电流检测元件、伺服控制器，所述伺服控制器与所述供电设备电连接，用于根据所述齐纳电流检测元件输出的电流值与基准值比较，调节所述供电设备输出的电压。

7.根据权利要求6所述的阻性负载驱动系统，其特征在于，还包括：调整与所述伺服控制器的基准值的控制电路，与所述伺服控制器连接。

8.一种容性负载驱动系统，其特征在于，包括：供电设备、运算放大器、时钟信号发生器、升压变压器、权利要求1-4任一项所述的等离子发生器、齐纳控制电路、谐振控制电路；

所述运算放大器，其输入端分别连接所述供电设备的输出端和所述时钟信号发生器的输出端，其输出端分别与所述升压变压器的初级绕组和所述谐振控制环路的输入端连接，用于将电压从方波变换为正弦波提供给所述升压变压器，以及将产生的驱动相位提供给所述谐振控制环路；

所述升压变压器，其次级绕组分别电连接所述等离子发生器和所述谐振控制电路，用于驱动所述等离子发生器，以及提供所述谐振控制电路谐振相位；

所述谐振控制环路与所述时钟信号发生器连接，用于根据所述驱动相位及谐振相位，调整所述时钟信号发生器的振荡频率；

所述齐纳控制环路分别与所述等离子发生器和所述供电设备连接，用于根据流通所述等离子发生器的电流，调整所述供电设备输出的电压。

9.根据权利要求8所述的容性负载驱动系统，其特征在于，所述时钟信号发生器为调整式振荡器。

10.根据权利要求9所述的容性负载驱动系统，其特征在于，所述齐纳控制环路由伺服控制器、齐纳电流检测元件、控制电路构成；

所述伺服控制器与所述供电设备连接，所述齐纳电流检测元件接在所述伺服控制器和所述等离子发生器之间，所述控制电路与所述伺服控制器连接。