CN107591071A - 一种静电打印实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电打印实验装置，属于放电装置领域，包括静电发生器和显影实验装置，静电发生器包括电晕丝、电池、电路板和塑料外壳，电路板封装在塑料外壳内部，所述电晕丝与电路板的输出端连接，电池与电路板连接供电。显影实验装置包括显影剂调配装置和显影装置，所述显影剂调配装置包括塑料容器、载体和墨粉，载体和墨粉装在塑料容器内部。本发明体积小和重量轻，循环使用耗材，操作安全可靠，纸张规格不受限制，作为各级学校和科技场馆的科教器材，动手制作复印图像，使得学生更好的了解复印的原理，更好的学习相应的知识。解决现有静电复印机结构复杂，不能直接观察其工作原理的问题。

Description

一种静电打印实验装置

技术领域

本发明涉及静电复印实验装置领域，特别是涉及一种静电打印实验装置。

背景技术

现代社会生活，静电复印机成为必备的办公设备，包括模拟复印机和数码复印机，工作原理和成像过程类似。复印机通过曝光和扫描方式，将原稿光学图像投射到充电的感光鼓，产生静电潜像，经过显影、转印、定影等步骤，完成复印过程。商用复印机结构复杂，系统集成化程度高，普通人群无法观察复印机的完整工作过程。

为了使学生在学习过程中更好的直观的观察静电复印机的工作原理，需要设计一种静电打印实验装置，直观展示复印机的科学原理与工作过程，作为各级学校和科技场馆的科教器材，开展个性化的静电图像创作。

发明内容

本发明提供一种静电打印实验装置，解决现有静电复印机结构复杂，不能直接观察其工作原理的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种静电打印实验装置，包括静电发生器和显影实验装置，所述静电发生器包括电晕丝、电池、电路板和塑料外壳，所述电路板封装在塑料外壳内部，所述电晕丝与电路板的输出端连接，所述电池与电路板连接供电，电晕丝直径为直径为0.05毫米—0.1毫米；电晕丝的外围设置有电极防护罩，所述电极防护罩由金属材料制作，电极防护罩内部涂有带电阻的膜层；

所述显影实验装置包括显影剂调配装置和显影装置，所述显影剂调配装置包括塑料容器、载体和墨粉，载体和墨粉装在塑料容器内部；所述显影装置包括上挡板、带电墨粉、复印纸张、绝缘面板、加热器、面板支架、接地导线、下挡板和pvc隔离板；所述面板支架设置为倾斜结构，所述绝缘面板设置在面板支架上，所述加热器设置在绝缘面板背面，绝缘面板上表面设置有放纸凹槽，放纸凹槽四边设置有固定扣，所述复印纸张设置在绝缘面板表面的放纸凹槽内，固定扣扣住，所述绝缘面板的上端放置带电墨粉并设置上挡板扣住复印纸张，所述复印纸张底部设置有下挡板，所述接地导线与复印纸张连接，所述pvc隔离板覆盖在绝缘面板上。

上述方案中，优选的是塑料外壳设置有一个塑料手柄，塑料手柄设置在塑料外壳的外侧的中部。

上述方案中，优选的是电路板包括倍增器电路、变压器、晶体管B1、晶体管B2、三极管、电容C2、C3、C4和电阻R3、R4、R5；倍增器电路的输出端与变压器输入端连接，所述电容C4并联在变压器副线圈的输出端，变压器副线圈一端与电容C2、电阻R3的一端和电晕丝连接，另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极经电阻R5与变压器的反馈线圈一端连接，变压器的反馈线圈另一端与电容C3、电阻R4的一端和电阻R3另一端连接，电容C3、电阻R4的另一端与电容C2另一端和晶体管B1、晶体管B2的一端连接，所述晶体管B1和晶体管B2的另一端与电晕丝连接。

上述方案中，优选的是倍增器电路包括若干个电容和若干个二极管，二极管相互串联连接形成串联二极管折链，相邻两个二极管的一个二极管输入端与另外一个二极管的输出端间并联一个电容，倍增器电路与变压器连接处串联有电容C5。

上述方案中，优选的是面板支架倾斜角度为40°—70°。

上述方案中，优选的是pvc隔离板设置为绝缘外盖，使用有机玻璃或PC板。

本发明的优点与效果是：

本发明体积小和重量轻，循环使用耗材，操作安全可靠，纸张规格不受限制，作为各级学校和科技场馆的科教器材，动手制作复印图像，使得学生更好的了解复印的原理，更好的学习相应的知识，电晕丝直径为直径为0.05毫米—0.1毫米使得输出的较低，并且电晕丝又不容易断，增加了使用寿命，节约器材。

附图说明

图1是本发明显影实验装置的结构示意图；

图2是本发明静电枪的结构示意图；

图3是本发明静电枪电极防护罩的结构示意图；

图4是本发明静电发生器电路原理图。

图中标号：1上挡板、2带电墨粉、3复印纸张、4绝缘面板、5加热器、6面板支架、7接地导线、8下挡板、9pvc隔离板、10塑料容器、11载体、12墨粉、13电晕丝、14电池、15电路板、16塑料外壳、17电极防护罩。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，包括静电发生器和显影实验装置。静电发生器用于产生正电荷，使得正电荷吸附显影实验装置上释放的带负电荷的墨粉，进行吸附，从而使得形成相应根据静电发生器画的图案，模拟了静电复印的过程。

静电发生器包括电晕丝13、电池14、电路板15和塑料外壳16，电路板15封装在塑料外壳16内部，所述电晕丝13与电路板15的输出端连接，所述电池14与电路板15连接供电。电晕丝13的外围设置有电极防护罩17，所述电极防护罩17由金属材料制作，电极防护罩17内部涂有带电阻的膜层，电极防护罩17直径约为0.5—3厘米，长度为1—2厘米。为了使得纸张表面带电，本发明设计简易的手持式静电发生器(也称静电枪)，通过9伏可充电的电池供电，产生稳定持续的静电高压。调整静电枪的电子元件参数，电极能够输出6000—8000伏高压，在纸张表面产生电晕放电。

本发明设计的静电发生器，采用较低成本的电路制作，微型高压电源从9伏电池生成几十到几百微安的电流，高压模块采用低廉的升压变压器。晶体管作为电路的谐振振荡器，频率由电容器C3和升压变压器T1决定，升压变压器T1的次级线圈上振荡电压被升压到几千伏特。电容器C4—C15以及二极管D1—D12形成全波电压倍增器，输出放大6倍的直流高压。通过改变二极管的连接方向，输出包括正离子输出、负离子输出。

以下是依据本发明设计的静电发生器电路图的可供参考的电子元器件参数和规格，其他电子器件的参数，根据实验的需要，可以进行小幅度的调整。

表1：静电发生器的电子元器件参数

静电发生器的装配：依据上述电路图，在电路板上焊接全部电子元器件，用高强度绝缘塑料进行封装，镶嵌到内径5厘米，长度为25厘米的塑料管中，形成手持式静电枪。

静电枪的主体结构是高压装置，电路板15封装在手持式塑料外壳16内部，通过可充电电池14，输出6000——7000伏直流高压，对金属电晕丝14形成电晕放电。由于高电压使空气电离，电离范围限制电晕丝周围空间，出现稳定的电晕放电。电晕丝14的材料包括难以氧化的钨丝或者不锈钢丝，直径为0.05—0.1毫米。电晕丝的直径越小，所需电晕电压也小，但是容易折断。电晕丝直径过粗，需要电压也高，对电路性能要求也高。为了提高电晕丝14的电离效果，在静电枪口处设立如图4所示的防护罩17。防护罩17由金属材料制作，罩壳内部涂有带电阻的膜层，罩壳直径约为0.5—3厘米，长度为1—2厘米。在纸面创作文字或线条图案时，选择直径0.5厘米的防护罩，将输出电荷集中在较小的范围内。创作大型图案时，选择直径1—3厘米的防护罩，增加电荷吸附在纸张的面积。

由于电晕丝14的输出电荷集中在罩壳的开口面，将开口面对着纸张表面，带电粒子被纸张有效地吸附。将防护罩的长度设定为1—2厘米，是为了保证电晕丝产生的电荷，在空气中运动较短距离后，能够有效到达纸张表面；如果运动距离太长，电荷与空气分子发生激烈的碰撞，难以保证足够数量的电荷到达纸张表面。同时，罩壳的长度增加，需要较高的电晕电压，要求电路板输出更高的电压，对静电发生器显然是不利的。静电发生器操作时，空气湿度越大则越容易电离，空气也容易被击穿，因此需要降低电晕电压，保证电晕电流的大小恒定。本发明设计的静电发生器，限定周围环境的湿度在85％以下，防止火花放电和空气被击穿，电晕丝和防护罩不能出现尖角和毛刺，以免发生尖端放电。

显影实验装置包括显影剂调配装置和显影装置，显影剂调配装置包括塑料容器11、载体11和墨粉12，载体11和墨粉12装在塑料容器11内部。显影装置包括上挡板1、带电墨粉2、复印纸张3、绝缘面板4、加热器5、面板支架6、接地导线7、下挡板8和pvc隔离板9。面板支架6设置为倾斜结构，绝缘面板4设置在面板支架6上。加热器5设置在绝缘面板4背面，所述复印纸张3设置在绝缘面板4表面，所述绝缘面板4的上端放置带电墨粉2并设置上挡板1隔档，所述复印纸张3底部设置有下挡板8。接地导线7与复印纸张3连接，所述pvc隔离板9覆盖在绝缘面板4上。

上挡板1由绝缘塑料或木板等构成，在上挡板1中均匀倒入摩擦带电的墨粉2，提起上挡板1，使得墨粉2缓慢均匀地流向底部。纸张3平铺在面板4的表面，面板4由绝缘材料(塑料或木板等)构成，具有较好的硬度与平整度，用静电枪电极13在纸张3表面电晕放电，形成肉眼看不见的静电潜像。墨粉2经过纸张表面3时，异性电荷相互吸引，墨粉2吸附在纸张3表面而形成可见的图案。

为了控制墨粉2的流动速度，绝缘面板4通过绝缘支架6，与水平面之间形成一定的倾斜角度θ。面板倾斜角θ设计在40—70度的范围，墨粉在纸张表面滑动时受到摩擦力作用，考虑墨粉与纸张的摩擦系数u，空气阻力对于墨粉下滑的阻碍作用，倾斜角θ不能太小，否则墨粉无法从纸张表面滑落到底部。倾斜角θ也不能太大，例如墨粉垂直下落，运动速度过大，难以有效被纸张表面的异性电荷吸附而形成图案。

墨粉颗粒很小，直径为5—15微米。在面板4上方，设计透明的PVC隔离板9，使面板4与外界环境隔离，避免墨粉2飞撒到周围空间。操作者可以佩戴口罩，防止吸入墨粉颗粒。隔离面板9还可以是其他透明的绝缘材料，例如有机玻璃，PC板等。

通过以上装置进行的瀑布式显影，墨粉在纸面形成的图案不牢固，仅靠静电作用而吸附在纸面。开启位于底板的加热装置5，纸面温度升高到150-200度，此时墨粉颗粒融化，渗透到纸面内部，形成清晰稳定的静电图案。

本发明设计的加热装置包括以下多种方案，具体加热功率需要根据面板大小和纸张规格确定，保证纸面升温迅速，面板受热均匀。

(1)红外线灯直接加热；

(2)电热丝加热，用镍络丝或者钨丝缠绕在细长的石英管内；

(3)闪氙灯加热，摄影用闪光光源进行辐射加热，光照时间很短，白色纸张部位不吸收发出的光，黑色部分吸收长波部分的光。

对于流失到面板底部的墨粉，利用下挡板8收集后重新利用，加入到墨粉盒中。下挡板8采用绝缘塑料制作，强度高，耐磨性好。

当创作大幅图案时，尤其几个静电枪同时在纸张表面输出电荷，例如喷射正电荷集聚在纸面，会吸附周围空间存在的负电荷，导致墨粉无法吸附到纸面。在纸面下方位置，贴上具有导电功能的金属箔条7，例如铝条和锡纸等，通过接地处理，纸面积累的多余正电荷经过导线，流入到地面。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。

Claims (6)

1.一种静电打印实验装置，包括静电发生器和显影实验装置，其特征在于，

所述静电发生器包括电晕丝(13)、电池(14)、电路板(15)和塑料外壳(16)，所述电路板(15)封装在塑料外壳(16)内部，所述电晕丝(13)与电路板(15)的输出端连接，所述电池(14)与电路板(15)连接供电，电晕丝(13)直径为直径为0.05毫米—0.1毫米；电晕丝(13)的外围设置有电极防护罩(17)，所述电极防护罩(17)由金属材料制作，电极防护罩(17)内部涂有带电阻的膜层；

所述显影实验装置包括显影剂调配装置和显影装置，所述显影剂调配装置包括塑料容器(11)、载体(11)和墨粉(12)，载体(11)和墨粉(12)装在塑料容器(11)内部；所述显影装置包括上挡板(1)、带电墨粉(2)、复印纸张(3)、绝缘面板(4)、加热器(5)、面板支架(6)、接地导线(7)、下挡板(8)和pvc隔离板(9)；所述面板支架(6)设置为倾斜结构，所述绝缘面板(4)设置在面板支架(6)上，所述加热器(5)设置在绝缘面板(4)背面，绝缘面板(4)上表面设置有放纸凹槽，放纸凹槽四边设置有固定扣，所述复印纸张(3)设置在绝缘面板(4)表面的放纸凹槽内，固定扣扣紧复印纸张(3)边缘，所述绝缘面板(4)的上端放置带电墨粉(2)并设置上挡板(1)扣住复印纸张(3)，所述复印纸张(3)底部设置有下挡板(8)，所述接地导线(7)与复印纸张(3)连接，所述pvc隔离板(9)覆盖在绝缘面板(4)上。

2.根据权利要求1所述的一种静电打印实验装置，其特征在于：所述塑料外壳(16)设置有一个塑料手柄，塑料手柄设置在塑料外壳(16)的外侧的中部。

3.根据权利要求1所述的一种静电打印实验装置，其特征在于：所述电路板(15)包括倍增器电路、变压器、晶体管B1、晶体管B2、三极管、电容C2、C3、C4和电阻R3、R4、R5；倍增器电路的输出端与变压器输入端连接，所述电容C4并联在变压器副线圈的输出端，变压器副线圈一端与电容C2、电阻R3的一端和电晕丝(13)连接，另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极经电阻R5与变压器的反馈线圈一端连接，变压器的反馈线圈另一端与电容C3、电阻R4的一端和电阻R3另一端连接，电容C3、电阻R4的另一端与电容C2另一端和晶体管B1、晶体管B2的一端连接，所述晶体管B1和晶体管B2的另一端与电晕丝(13)连接。

4.根据权利要求4所述的一种静电打印实验装置，其特征在于：所述倍增器电路包括若干个电容和若干个二极管，二极管相互串联连接形成串联二极管折链，相邻两个二极管的一个二极管输入端与另外一个二极管的输出端间并联一个电容，倍增器电路与变压器连接处串联有电容C5。

5.根据权利要求1所述的一种静电打印实验装置，其特征在于：所述面板支架(6)倾斜角度为40°—70°。

6.根据权利要求1所述的一种静电打印实验装置，其特征在于：所述pvc隔离板(9)设置为绝缘外盖，使用有机玻璃或PC板。