DE102022103550B4 - Control circuit for an electrical separator - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung umfassend:einen Elektroabscheider (3) mit einer Vielzahl von Emissionselektroden (7) und einer Gegenelektrode (5); undeine Ansteuerschaltung (120), die eingerichtet ist, aus einer Niederspannung einer Gleichspannungsquelle (110) eine Hochspannung zu erzeugen und die Hochspannung an die Emissionselektroden (7) und die Gegenelektrode (5) des Elektroabscheiders (3) anzulegen um ein, Gleichstromplasma zwischen den Emissionselektroden (7) und der Gegenelektrode (5) zu erzeugen;wobei die Ansteuerschaltung (120) einen Regelkreis (122) mit einer Strommesseinheit (256) enthält, wobei die Strommesseinheit (256) den durch die Emissionselektroden (7) über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode (5) des Elektroabscheiders (3) zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung (120) fließenden Gleichstrom misst; und der Regelkreis (122) eingerichtet ist, die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung (120) basierend auf dem Wert des gemessenen fließenden Gleichstroms auf einen Referenzstromwert zu regeln,wobei die Ansteuerschaltung (120) einen Transformator (220) und eine mit einer sekundärseitigen Spule (1218) des Transformators (220) verbundene Hochspannungskaskade (600) aufweist, um die Niederspannung der Gleichspannungsquelle (110) oder eine davon abgeleitete Gleichspannung in die Hochspannung zu wandeln,wobei die Strommesseinheit (256) den Gleichstrom an einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers misst, wobei der Spannungsteiler auf einer Seite mit der sekundärseitigen Spule (1218) des Transformators (220) verbunden ist und auf der anderen Seite mit der Gegenelektrode (5) des Elektroabscheiders (3) und dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung (120) verbunden ist.Device comprising:an electrical separator (3) with a plurality of emission electrodes (7) and a counter electrode (5); anda control circuit (120) which is set up to generate a high voltage from a low voltage of a direct voltage source (110) and to apply the high voltage to the emission electrodes (7) and the counter electrode (5) of the electrical separator (3) in order to create a direct current plasma between the emission electrodes (7) and the counter electrode (5); the control circuit (120) containing a control circuit (122) with a current measuring unit (256), the current measuring unit (256) passing through the emission electrodes (7) via the direct current plasma to the counter electrode ( 5) measures the direct current flowing from the electrical separator (3) to the common reference potential of the control circuit (120); and the control circuit (122) is set up to regulate the output power of the control circuit (120) to a reference current value based on the value of the measured flowing direct current, the control circuit (120) having a transformer (220) and a coil (1218) on the secondary side. has a high-voltage cascade (600) connected to the transformer (220) in order to convert the low voltage of the direct voltage source (110) or a direct voltage derived therefrom into the high voltage, the current measuring unit (256) measuring the direct current at a center tap of a voltage divider, the voltage divider being on is connected on one side to the secondary-side coil (1218) of the transformer (220) and on the other side is connected to the counter electrode (5) of the electrical separator (3) and the reference potential of the control circuit (120).
Description
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Hochspannung, die an die Elektroden eines Elektroabscheiders angelegt wird. Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung einer solchen Ansteuerschaltung in einer Vorrichtung, z.B. einem Raumluftfilter oder einem Feinstaubfilter. Weiter betrifft die Erfindung eine Platine, auf der eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mittels diskreter Bauelemente implementiert ist.The invention relates to a control circuit for generating a high voltage which is applied to the electrodes of an electrical separator. Another aspect is the use of such a control circuit in a device, for example a room air filter or a fine dust filter. The invention further relates to a circuit board on which a control circuit according to the invention is implemented using discrete components.
Elektroabscheider kommen beispielsweise in Raumluftfiltern, Feinstaubfiltern oder ähnlichen Geräten zum Einsatz. Die Elektroden des Elektroabscheiders werden herkömmlich mit einer gepulsten positiven Hochspannung angesteuert, um zwischen den Elektroden des Elektroabscheiders ein Plasma zu erzeugen. Dazu werden in den Endgeräten Steuerschaltungen eingesetzt, die die eingangsseitige Niederspannung in die Hochspannung umsetzen. Dabei kommen häufig Transformatoren zum Einsatz, die einen entsprechend hohen Multiplikationsfaktor durch entsprechende Wahl der Windungszahlen auf der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators zur Verfügung stellen.Electrical separators are used, for example, in room air filters, fine dust filters or similar devices. The electrodes of the electrostatic precipitator are conventionally driven with a pulsed positive high voltage in order to generate a plasma between the electrodes of the electrostatic precipitator. For this purpose, control circuits are used in the end devices that convert the low voltage on the input side into the high voltage. Transformers are often used that provide a correspondingly high multiplication factor by appropriately selecting the number of turns on the primary and secondary sides of the transformer.
Die Patentanmeldung
Die Patentschrift
Die Patentanmeldung
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Dieser Patentanmeldung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Hochspannung für die Ansteuerung eines Elektroabscheiders vorzuschlagen. Bei der Verbesserung der Ansteuerung können einer oder mehrere der folgenden Gesichtspunkte berücksichtigt werden: die Stabilität der Ansteuerschaltung über den gewünschten Temperaturbereich, in dem sie betrieben wird (beispielsweise -40 °C bis +160 °C); eine hohe Ansprechgeschwindigkeit des Regelkreises auf die Umgebungstemperaturen und -parameter (beispielsweise schnelle Temperaturwechsel, unerwünschte Durchschläge des Plasmas, etc.); hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV); Möglichkeit des diskreten Aufbaus der Schaltung; Miniaturisierung der Einzelkomponenten, insbesondere des Transformators, der Ansteuerschaltung. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.This patent application is based, among other things, on the task of proposing an improved control circuit for generating a high voltage for driving an electrical separator. In improving the drive, one or more of the following considerations may be taken into account: the stability of the drive circuit over the desired temperature range in which it operates (e.g. -40°C to +160°C); a high response speed of the control loop to the ambient temperatures and parameters (e.g. rapid temperature changes, undesirable breakdowns of the plasma, etc.); high requirements for electromagnetic compatibility (EMC); Possibility of discrete construction of the circuit; Miniaturization of the individual components, especially the transformer and the control circuit. This task is solved by the subject matter of
Ein weiterer Aspekt und eine weitere Aufgabe dieser Patentanmeldung liegt in der Gestaltung einer Platine, die die Ansteuerschaltung realisiert und dabei zuverlässig Kriechströme und Funkenüberschlag auf der Platine unterbinden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegensand des unabhängigen Patentanspruchs 22 gelöst.Another aspect and another task of this patent application lies in the design of a circuit board that implements the control circuit and can reliably prevent leakage currents and arcing on the circuit board. This task is solved by the subject matter of
Ein wesentlicher weiterer Aspekt und eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Raumluftreiniger, wie beispielsweise aus der Patentanmeldung
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Hochspannung, die an die Elektroden eines Elektroabscheiders angelegt wird. In Gegensatz zu herkömmlichen Ansteuerschaltungen, werden die Elektroden des Elektroabscheiders nicht mit einer gepulsten Hochspannung angesteuert, sondern mit einer Gleichspannung im Hochspannungsbereich, sodass über die Elektroden des Elektroabscheiders ein Gleichstrom fließt. Der Regelkreis der Ansteuerschaltung umfasst eine Strommesseinheit, die den über die Elektroden des Elektroabscheiders fließenden Gleichstrom misst. Der Regelkreis regelt die Ausgangsleistung der Steuerschaltung basierend auf dem gemessenen Wert des fließenden Gleichstroms und regelt den Gleichstrom auf einen Referenzstromwert. Der Regelkreis kann beispielsweise einen Regelungszyklus von einschließlich 5 ms oder weniger, bevorzugt 2 ms oder weniger, weiter bevorzugt 1 ms oder weniger aufweisen. Je kürzer der Regelzyklus, desto schneller können Schwankungen gemessenen Gleichstrom erkannt und ausgeregelt werden.One aspect of the invention relates to a drive circuit for generating a high voltage that is applied to the electrodes of an electrical precipitator. In contrast to conventional control circuits, the electrodes of the electrical precipitator are not controlled with a pulsed high voltage, but rather with a direct voltage in the high-voltage range, so that a direct current flows across the electrodes of the electrical precipitator. The control circuit of the control circuit includes a current measuring unit that measures the direct current flowing across the electrodes of the electrical separator. The control circuit regulates the output power of the control circuit based on the measured value of the flowing direct current and regulates the direct current to a reference current value. The control loop can, for example, have a control cycle of 5 ms or less, preferably 2 ms or less, more preferably 1 ms or less. The shorter the control cycle, the faster fluctuations in measured direct current can be detected and corrected.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Ansteuerschaltung, die eingerichtet ist, aus einer Niederspannung einer Gleichspannungsquelle eine Hochspannung zu erzeugen und die Hochspannung an die eine oder mehreren Emissionselektroden und deren Gegenelektrode des Elektroabscheiders anzulegen, um ein Gleichstromplasma zwischen der/den Emissionselektrode(n) und der Gegenelektrode zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung umfasst dabei einen Regelkreis mit einer Strommesseinheit. Die Strommesseinheit misst den durch die Emissionselektrode(n) über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung fließenden Gleichstrom. Der Regelkreis ist dazu eingerichtet, die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung (bzw. deren Ausgangsstrom) basierend auf dem Wert des gemessenen fließenden Gleichstroms auf einen Referenzstromwert zu regeln. Bei dem Referenzpotenzial der Ansteuerschaltung kann es sich beispielsweise um das Bezugspotential handeln, das für die Festlegung aller Spannungen in der Ansteuerschaltung verwendet wird. Dieses Bezugspotential wird auch als interne Masse bezeichnet. Diese kann oder kann auch nicht der Erdmasse (common ground) entsprechen.One embodiment of the invention relates to a device with a control circuit which is set up to generate a high voltage from a low voltage of a direct voltage source and to apply the high voltage to the one or more emission electrodes and their counter electrode of the electrical separator in order to create a direct current plasma between the emission electrode(s). ) and the counter electrode. The control circuit includes a control circuit with a current measuring unit. The current measuring unit measures the direct current flowing through the emission electrode(s) via the direct current plasma to the counter electrode of the electrical separator to the common reference potential of the control circuit. The control circuit is set up to regulate the output power of the control circuit (or its output current) to a reference current value based on the value of the measured direct current flowing. The reference potential of the control circuit can be, for example, the reference potential that is used to determine all voltages in the control circuit. This reference potential is also referred to as internal ground. This may or may not correspond to the mass of the earth (common ground).
In einer weiteren Ausführungsform ist der Regelkreis eingerichtet, die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung (bzw. deren Ausgangsstrom) basierend auf dem gemessenen Wert des Gleichstroms relativ zu dem Referenzstromwert auf einen Arbeitspunkt einzustellen, bei dem eine Funkenentladung des Gleichstromplasmas zwischen den Emissionselektroden und der Gegenelektrode verhindert wird. Hierbei ist anzumerken, dass in den Ausführungsformen der Erfindung, die Funkenentladung/Durchschlag des Gleichstromplasmas als Fehlerfall angesehen wird und die Regelung durch den Regelkreis ein solches Durchschlagen des Gleichstroms möglichst verhindert.In a further embodiment, the control circuit is set up to set the output power of the control circuit (or its output current) based on the measured value of the direct current relative to the reference current value to an operating point at which a spark discharge of the direct current plasma between the emission electrodes and the counter electrode is prevented. It should be noted here that in the embodiments of the invention, the spark discharge/breakdown of the direct current plasma is viewed as a fault and the regulation by the control circuit prevents such breakdown of the direct current as far as possible.
Ob Durchschläge auftreten, hängt unter anderem von den Vorwiderständen der Emissionselektroden sowie deren Isolation und den Bedingungen im Abscheideraum ab. Im Abscheideraum können Druckschwankungen (z.B. zuschlagende Türen) oder makroskopische Partikel (z.B. Haare) zu Durchschlägen führen. Während sich Durchschläge aufgrund von makroskopischen Partikeln nur schwer ausregeln lassen, können beispielsweise Druckschwankungen im Abscheideraum mittels der erfindungsgemäßen Regelung mit hoher Zuverlässig verhindert werden. Wenn man beispielsweise von der Anwendung der Erfindung in einem Luftreiniger mit einer Clean Air Delivery Rate (CADR) von 250 m3/h ausgeht und einen Einbruch der CADR um 10 m3/h toleriert, sowie als Ursache dafür Durchschläge sieht, die zu Restarts der Platine führen, kann eine Durchschlagsrate wie folgt abgeschätzt werden. Wenn ein Restart 5 s dauert (parametrierbar), dann entsprechen 10 m3/h ungefähr 0,5 Durchschläge pro Minute. Die Durchschlagsrate von herkömmlichen Elektroabscheiders liegt hier oftmals im Bereich von 40 oder mehr Durchschlägen pro Minute.Whether breakdowns occur depends, among other things, on the series resistances of the emission electrodes as well as their insulation and the conditions in the separation room. In the separation room, pressure fluctuations (e.g. slamming doors) or macroscopic particles (e.g. hair) can lead to breakdowns. While breakdowns due to macroscopic particles are difficult to control, pressure fluctuations in the separation chamber, for example, can be prevented with a high degree of reliability using the control according to the invention. For example, if one assumes the application of the invention in an air purifier with a Clean Air Delivery Rate (CADR) of 250 m 3 /h and tolerates a drop in the CADR of 10 m 3 /h, and sees breakdowns as the cause of this, which leads to restarts the board, a breakdown rate can be estimated as follows. If a restart takes 5 s (can be parameterized), then 10 m 3 /h corresponds to approximately 0.5 breakthroughs per minute. The breakdown rate of conventional electrical separators is often in the range of 40 or more breakdowns per minute.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Regelkreis der Ansteuerschaltung eine Regeleinheit, die den gemessenen Wert des fließenden Gleichstroms von der Strommesseinheit erhält und ein Steuersignal erzeugt. Die Regeleinheit kann beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, einer diskreten Schaltung oder einer integrierten Schaltung (z.B. Application Specific Integrated Circuit (ASIC) oder programmierbare Logik (z.B. Field Programmable Gate Array (FPGA), Programable Logic Device (PLD), etc.) oder Kombinationen der genannten Möglichkeiten ausgebildet sein. Als möglicher Mikroprozessor kann beispielweise ein Microcontroller der S12ZVM Familie von NXP, wie beispielweise der Microprozessor S912ZVMBA6F0WLF von NXP, eingesetzt werden. Das von der Regeleinheit erzeugte Steuersignal ist beispielweise ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Steuersignal oder CMOS Steuersignal. Die Regeleinheit kann ferner eingerichtet sein, die Frequenz des Steuersignals basierend auf dem Wert des Gleichstroms und dem Referenzstromwert zu variieren, um den durch die Emissionselektroden über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung und des Elektroabscheiders fließenden Gleichstrom auf den Referenzstromwert zu regeln. In einer beispielhaften Ausführungsform hat das Steuersignal eine Frequenz im Bereich einschließlich 120,0 kHz bis einschließlich 200,0 kHz, bevorzugt im Bereich einschließlich 130,0 kHz bis einschließlich 170,0 KHz. Die Resonanzfrequenz des Transformators ist dabei höher ist als die Frequenz des Steuersignals; sie liegt bevorzugt im Bereich einschließlich 200,0 kHz bis 240,0 kHz.In a further embodiment, the control circuit of the control circuit comprises a control unit that receives the measured value of the flowing direct current from the current measuring unit and generates a control signal. The control unit can be used, for example, by means of a microprocessor, a discrete circuit or an integrated circuit (e.g. Application Specific Integrated Circuit (ASIC) or programmable logic (e.g. Field Programmable Gate Array (FPGA), Programmable Logic Device (PLD), etc.) or combinations thereof The options mentioned can be designed as a possible microprocessor, for example a microcontroller from the S12ZVM family from NXP, such as the microprocessor S912ZVMBA6F0WLF from NXP. The control signal generated by the control unit is, for example, a transistor-transistor logic (TTL) control signal or CMOS control signal . The control unit can further be set up to vary the frequency of the control signal based on the value of the direct current and the reference current value in order to bring the direct current flowing through the emission electrodes via the direct current plasma to the counter electrode of the electrical separator to the common reference potential of the control circuit and the electrical separator towards the reference current value regulate. In an exemplary embodiment, the control signal has a frequency in the range from 120.0 kHz to 200.0 kHz inclusive, preferably in the range from 130.0 kHz to 170.0 kHz inclusive. The resonance frequency of the transformer is higher than the frequency of the control signal; it is preferably in the range including 200.0 kHz to 240.0 kHz.
Erfindungsgemäß weist die Ansteuerschaltung einen Transformator und eine mit einer sekundärseitigen Spule des Transformators verbundene Hochspannungskaskade auf, um die Niederspannung der Niederspannungs-Gleichspannungsquelle oder eine davon abgeleitete Gleichspannung in die Hochspannung zu wandeln. Die Strommesseinheit misst den Gleichstrom an einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers, wobei der Spannungsteiler auf einer Seite mit der sekundärseitigen Spule des Transformators verbunden ist und auf der anderen Seite mit der Gegenelektrode des Elektroabscheiders und dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung verbunden ist.According to the invention, the control circuit has a transformer and a high-voltage cascade connected to a secondary-side coil of the transformer in order to convert the low voltage of the low-voltage direct voltage source or a direct voltage derived therefrom into the high voltage. The current measuring unit measures the direct current at a center tap of a voltage divider, the voltage divider being connected on one side to the secondary-side coil of the transformer and on the other side being connected to the counter electrode of the electrical separator and the reference potential of the control circuit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Aufbau des Transformators, der in den unterschiedlichen Ausführungsformen der Ansteuerschaltung eingesetzt werden kann. Der
Transformator enthält entweder eine primärseitige Spule und eine sekundärseitige Stufe oder alternativ, zwei primärseitige Spulen, die gleichsinnig gewickelt und in Reihe geschaltet sind und eine sekundärseitige Spule. In letzterem Falle können die primärseitigen Spulen optional ineinandergeschoben sein, um den Transformator kompakter zu bauen. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Wicklungen der sekundärseitigen Spule in mehrere Teilspulen eingeteilt. Der Transformator kann ferner ein nichtleitendes Gehäuse (z.B. einen Wickelkörper) umfassen, das in mehrere in eine Richtung parallel zueinander angeordnete und voneinander durch ein nichtleitendes Material getrennte Gehäuseabschnitte unterteilt ist, in denen die jeweiligen Teilspulen angeordnet sind. Der Transformator kann beispielsweise in einem EFD20 Gehäuse integriert werden. Die Resonanzfrequenz des Transformators liegt bevorzugt im Bereich einschließlich 200,0 kHz bis 240,0 kHz.Another aspect of the invention relates to the structure of the transformer, which can be used in the different embodiments of the control circuit. The
Transformer contains either a primary side coil and a secondary side stage or alternatively, two primary side coils wound in the same direction and connected in series and a secondary side coil. In the latter case, the primary-side coils can optionally be pushed into one another in order to make the transformer more compact. In one embodiment of the invention, the windings of the secondary-side coil are divided into several partial coils. The transformer can further comprise a non-conductive housing (eg a winding body) which is divided into a plurality of housing sections which are arranged parallel to one another in one direction and are separated from one another by a non-conductive material and in which the respective partial coils are arranged. The transformer can be integrated in an EFD20 housing, for example. The resonance frequency of the transformer is preferably in the range 200.0 kHz to 240.0 kHz.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Transformators bzw. der Ansteuerschaltung liegt das Verhältnis der Anzahl der Wicklungen der (einen) primärseitigen Spule oder jeder der beiden primärseitigen Spulen des Transformators und der Anzahl der Wicklungen der sekundärseitigen Spule des Transformators im Bereich einschließlich 0,015 bis einschließlich 0,025. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt dieses Verhältnis 0,02. Beispielsweise liegt die Anzahl der Wicklungen der primärseitigen Spule(n) des Transformators zwischen einschließlich 13 Wicklungen und einschließlich 18 Wicklungen und Anzahl der Wicklungen der sekundärseitigen Spule des Transformators liegt zwischen einschließlich 700 Wicklungen und einschließlich 800 Wicklungen.In an exemplary embodiment of the transformer or the control circuit, the ratio of the number of windings of the (one) primary-side coil or each of the two primary-side coils of the transformer and the number of windings of the secondary-side coil of the transformer is in the range from 0.015 to 0.025 inclusive. In an exemplary embodiment, this ratio is 0.02. For example, the number of windings of the primary-side coil(s) of the transformer is between 13 windings and 18 windings, and the number of windings of the secondary-side coil of the transformer is between 700 windings and 800 windings.
Weitere Ausführungsformen betreffen die Ansteuerung des Transformators der Ansteuerschaltung durch Leistungsschalter, wie beispielweise Leistungstransistoren (z.B. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET)) oder Thyristoren.Further embodiments relate to the control of the transformer of the control circuit by power switches, such as Leis transistors (e.g. metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFET)) or thyristors.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird der Transformator mit zwei Leistungsschaltern angesteuert. Beispielweise können die beiden Leistungsschalter als n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (NMOS MOSFETs) ausgeführt werden. Die Ansteuerschaltung umfasst dabei einen Transformator mit zwei primärseitigen, gleichsinnig gewickelten Spulen und einer sekundärseitigen Spule. Jede primärseitige Spule weist ein Ende auf, das mit Niederspannung der Gleichspannungsquelle bzw. einer daraus abgeleiteten Gleichspannung verbunden ist. Ferner umfass die Ansteuerschaltung einen ersten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit einem frequenzvariablen pulsweitenmodulierten Steuersignal (PWM-Steuersignal) angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem Steuersignal ein zweites Ende einer ersten der beiden primärseitigen Spulen mit dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung verbindet; und einen zweiten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit dem invertierten frequenzvariablen PWM-Steuersignal angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem invertierten frequenzvariablen PWM-Steuersignal ein zweites Ende der zweiten der beiden primärseitigen Spulen mit dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung verbindet. Bei einem Tastgrad von 50% handelt es sich bei dem „invertierten frequenzvariablen PWM-Steuersignal“ um ein zum frequenzvariablen PWM-Steuersignal gleichphasiges jedoch invertiertes Signal: Eine steigende Flanke des PWM-Steuersignals korrespondiert zeitlich mit einer fallenden Flanke des invertierten PWM-Steuersignals und eine fallende Flanke des PWM-Steuersignals korrespondiert zeitlich mit einer steigenden Flanke des invertierten PWM-Steuersignals.In an exemplary embodiment, the transformer is controlled with two power switches. For example, the two power switches can be designed as n-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistors (NMOS MOSFETs). The control circuit includes a transformer with two primary-side coils wound in the same direction and a secondary-side coil. Each primary-side coil has an end that is connected to the low voltage of the DC voltage source or a DC voltage derived therefrom. Furthermore, the control circuit comprises a first power switch (e.g. power transistor or thyristor), which is controlled with a frequency-variable pulse width modulated control signal (PWM control signal) and, depending on the control signal, connects a second end of a first of the two primary-side coils to the reference potential of the control circuit; and a second power switch (e.g. power transistor or thyristor), which is controlled with the inverted frequency-variable PWM control signal and, depending on the inverted frequency-variable PWM control signal, connects a second end of the second of the two primary-side coils to the reference potential of the control circuit. With a duty cycle of 50%, the "inverted frequency-variable PWM control signal" is a signal that is in phase with the frequency-variable PWM control signal but is inverted: A rising edge of the PWM control signal corresponds in time to a falling edge of the inverted PWM control signal and a Falling edge of the PWM control signal corresponds in time to a rising edge of the inverted PWM control signal.
In einer weiteren Ausführungsform der Ansteuerschaltung werden mehrere Treiberschaltungen, die das TTL oder CMOS Steuersignal der Regeleinheit des Regelkreises in an die Signalpegel der Leistungsschalter angepasst. Entsprechend umfasst die Ansteuerschaltung ferner eine erste Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des ersten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen; und einen zweite Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des zweiten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das invertierte frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen. Dabei kann optional jede der ersten und der zweiten Treiberschaltung mehrere Widerstände, Dioden und Transistoren aufweisen und eingerichtet sein, die Ladung und Entladung der Gate-Kapazitäten der Transistoren in den einzelnen Stufen der Pegelumsetzer so aufeinander abzustimmen, dass jeweilige Transistorpaare in jeder Stufe der Treiberschaltungen, die zwischen einer der Niederspannung entsprechenden oder davon abgeleiteten Gleichspannung und dem Referenzpotential in Reihe geschaltet sind, in einem vorgegebenen Temperaturbereich, in dem die Ansteuerschaltung betrieben wird, bevorzugt um Bereich
-40° C bis 160° C, nicht gleichzeitig leitend sind (d.h. ein „Shoot-Through“ verhindert wird). Insbesondere können die Treiberschaltungen baugleich ausgeführt werden, so dass sichergestellt werden kann, dass die Treiberschaltungen ein gleiches Verhalten bei Tempschwankungen zeigen, d.h. dass sich beispielsweise Änderungen in den Anstiegszeiten und Abfallzeiten der Signalflanken, die insbesondere aufgrund der Schwankungen der Widerstandswerte der Widerstände bei unterschiedlichen Temperaturen ergeben, in den einzelnen Treiberschaltungen gleich ausfallen.In a further embodiment of the control circuit, several driver circuits, which adapt the TTL or CMOS control signal of the control unit of the control circuit to the signal levels of the power switches. Accordingly, the control circuit further comprises a first driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter in order to adapt the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the first power switch and to supply the adapted control signal to the first power switch as the frequency-variable PWM control signal; and a second driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter, to adapt the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the second power switch and to supply the adapted control signal to the first power switch as the inverted frequency-variable PWM control signal. Each of the first and second driver circuits can optionally have a plurality of resistors, diodes and transistors and can be set up to coordinate the charge and discharge of the gate capacitances of the transistors in the individual stages of the level converters in such a way that respective transistor pairs in each stage of the driver circuits, which are connected in series between a DC voltage corresponding to or derived from the low voltage and the reference potential, in a predetermined temperature range in which the control circuit is operated, preferably around range
-40° C to 160° C, are not conductive at the same time (ie a “shoot-through” is prevented). In particular, the driver circuits can be designed to be identical in construction, so that it can be ensured that the driver circuits show the same behavior in the event of temperature fluctuations, that is, for example, that there are changes in the rise times and fall times of the signal edges, which arise in particular due to the fluctuations in the resistance values of the resistors at different temperatures , turn out to be the same in the individual driver circuits.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Transformator mit vier Leistungsschaltern angesteuert oder alternativ mittels zwei Leistungsschaltern und zwei Kondensatoren, die eine Vollbrücke bilden. In dieser Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung einen Transformator mit einer primärseitigen Spule und einer sekundärseitigen Spule. Optional kann die eine primärseitige Spule durch eine Reihenschaltung von gleichsinnig gewickelten Spulen, insbesondere, zwei Spulen gebildet sind. Die Ansteuerschaltung umfasst ferner einen ersten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit einem frequenzvariablen PWM-Steuersignal angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem Steuersignal einer Regeleinheit des Regelkreises ein zweites Ende der primärseitigen Spule mit einer der Niederspannung entsprechenden oder davon abgeleiteten Gleichspannung verbindet; einen zweiten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit dem invertierten frequenzvariablen PWM-Steuersignal angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem invertierten Steuersignal ein erstes Ende der primärseitigen Spule mit der der Niederspannung entsprechenden oder davon abgeleiteten Gleichspannung verbindet; einen dritten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit dem invertierten frequenzvariablen PWM-Steuersignal angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem invertierten Steuersignal das zweites Ende der primärseitigen Spule mit dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung verbindet; und einen vierten Leistungsschalter (z.B. Leistungstransistor oder Thyristor), der mit dem frequenzvariablen PWM-Steuersignal angesteuert wird und in Abhängigkeit von dem Steuersignal das erste Ende der primärseitigen Spule mit dem Referenzpotential der Ansteuerschaltung verbindet. Optional kann jeweils ein Kondensator zwischen Gate-Anschluss und Drain-Anschluss der als Leistungstransistoren ausgeführten Leistungsschalter geschaltet sein, um leitungsgebundene Störungen zu unterdrücken. Der erste und der zweite Leistungsschalter kann beispielsweise als p-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (PMOS MOSFETs) ausgeführt sein. Der dritte und der vierte Leistungsschalter kann beispielsweise als n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (NMOS MOSFETs) ausgeführt sein. In der alternativen Ausführungsform wird der erste und der dritte Leistungsschalter jeweils durch einen Kondensator ersetzt, so dass zwischen den beiden Kondensatoren ein virtuelle Massepunkt gebildet wird, der mit dem zweiten Ende der Spule verbunden ist. In diesem Falle müssen auch keine Treiberschaltungen für den ersten und der dritten Leistungsschalter vorgesehen werden, d.h. in dieser Ausführungsform werden nur die verbleibenden beiden (zweite und vierte) Leistungsschalter entsprechend von Treiberschaltungen angesteuert.In an alternative embodiment, the transformer is controlled with four power switches or alternatively by means of two power switches and two capacitors that form a full bridge. In this embodiment, the drive circuit comprises a transformer with a primary-side coil and a secondary-side coil. Optionally, the one primary-side coil can be formed by a series connection of coils wound in the same direction, in particular two coils. The control circuit further comprises a first power switch (e.g. power transistor or thyristor), which is controlled with a frequency-variable PWM control signal and, depending on the control signal of a control unit of the control circuit, connects a second end of the primary-side coil to a direct voltage corresponding to or derived from the low voltage; a second power switch (e.g. power transistor or thyristor), which is controlled with the inverted frequency-variable PWM control signal and, depending on the inverted control signal, connects a first end of the primary-side coil to the DC voltage corresponding to or derived from the low voltage; a third power switch (eg power transistor or thyristor), which is controlled with the inverted frequency-variable PWM control signal and, depending on the inverted control signal, connects the second end of the primary-side coil to the reference potential of the control circuit; and a fourth power switch (eg power transistor or thyristor), which is controlled with the frequency-variable PWM control signal and, depending on the control signal, the first end of the pri The market-side coil connects to the reference potential of the control circuit. Optionally, a capacitor can be connected between the gate connection and drain connection of the power switches designed as power transistors in order to suppress conducted interference. The first and second power switches can be designed, for example, as p-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistors (PMOS MOSFETs). The third and fourth power switches can be designed, for example, as n-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistors (NMOS MOSFETs). In the alternative embodiment, the first and third power switches are each replaced by a capacitor, so that a virtual ground point is formed between the two capacitors and is connected to the second end of the coil. In this case, no driver circuits need to be provided for the first and third power switches, ie in this embodiment only the remaining two (second and fourth) power switches are correspondingly controlled by driver circuits.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung mehrere Treiberschaltungen, die das TTL oder CMOS Steuersignal der Regeleinheit des Regelkreises an die Signalpegel der Leistungsschalter anpassen. Die Ansteuerschaltung umfasst entsprechend eine erste Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des ersten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen; eine zweite Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des zweiten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das invertierte frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen; eine dritte Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des dritten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen; und eine vierte Treiberschaltung, die als ein oder mehrstufiger Pegelumsetzer ausgebildet ist, um den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals an den Signalpegel des vierten Leistungsschalters anzupassen und das angepasste Steuersignal dem ersten Leistungsschalter als das invertierte frequenzvariable PWM-Steuersignal zuzuführen.In a further embodiment, the control circuit comprises several driver circuits that adapt the TTL or CMOS control signal of the control unit of the control circuit to the signal levels of the power switches. The control circuit accordingly comprises a first driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter in order to adapt the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the first power switch and to supply the adapted control signal to the first power switch as the frequency-variable PWM control signal; a second driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter, to adapt the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the second power switch and to supply the adjusted control signal to the first power switch as the inverted frequency-variable PWM control signal; a third driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter, to adapt the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the third power switch and to supply the adjusted control signal to the first power switch as the frequency-variable PWM control signal; and a fourth driver circuit, which is designed as a single or multi-stage level converter, to adjust the signal level of the TTL/CMOS control signal to the signal level of the fourth power switch and to supply the adjusted control signal to the first power switch as the inverted frequency-variable PWM control signal.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Treiberschaltung mehrere Widerstände, Dioden und Transistoren aufweisen und eingerichtet sein, die Ladung und Entladung der Gate-Kapazitäten der Transistoren in den einzelnen Stufen der Pegelumsetzer so aufeinander abzustimmen, dass jeweilige Transistorpaare in jeder Stufe der Treiberschaltungen, die zwischen einer der Niederspannung entsprechenden oder davon abgeleiteten Gleichspannung und dem Referenzpotential in Reihe geschaltet sind, in einem vorgegebenen Temperaturbereich, in dem die Ansteuerschaltung betrieben wird, bevorzugt um Bereich -40° C bis 160° C, nicht gleichzeitig leitend sind. Auch in dieser Ausführungsform können die Treiberschaltungen baugleich ausgeführt werden, so dass sichergestellt werden kann, dass die Treiberschaltungen ein gleiches Verhalten bei Tempschwankungen zeigen, d.h. dass sich beispielsweise Änderungen in den Anstiegszeiten und Abfallzeiten der Signalflanken, die insbesondere aufgrund der Schwankungen der Widerstandswerte der Widerstände bei unterschiedlichen Temperaturen ergeben, in den einzelnen Treiberschaltungen gleich ausfallen.Furthermore, according to a further embodiment, each of the first, second, third and fourth driver circuits can have a plurality of resistors, diodes and transistors and can be set up to coordinate the charge and discharge of the gate capacitances of the transistors in the individual stages of the level converters so that respective transistor pairs in each stage of the driver circuits, which are connected in series between a direct voltage corresponding to or derived from the low voltage and the reference potential, in a predetermined temperature range in which the control circuit is operated, preferably in the range -40 ° C to 160 ° C, not simultaneously are leading. In this embodiment too, the driver circuits can be designed to be identical in construction, so that it can be ensured that the driver circuits show the same behavior in the event of temperature fluctuations, i.e. that, for example, there are changes in the rise times and fall times of the signal edges, which are particularly due to the fluctuations in the resistance values of the resistors Different temperatures result in the same in the individual driver circuits.
In den oben genannten Ausführungsformen können die Treiberschaltung(en), die das invertierte PWM-Steuersignal erhalten, alternativ auch das PWM-Steuersignal erhalten. In diesem Falle können die entsprechenden Treiberschaltung(en) einen Inverter umfassen, die das PWM-Steuersignal zunächst invertieren, um das invertierte PWM-Steuersignal zu erhalten. Die jeweils andere(n) Treiberschaltung(en) umfassen in diesem Falle eine Verzögerungsschleife für das PWM-Steuersignal, die die sich aus der Invertierung ergebene Verzögerung des PWM-Steuersignals ausgleicht. Alternativ können in den oben genannten Ausführungsformen auch die Treiberschaltung(en), die das PWM-Steuersignal erhalten, das invertierte PWM-Steuersignal erhalten und entsprechend zunächst invertieren. Auch hier würden die andere(n) Treiberschaltung(en) die Verzögerung des Steuersignals durch die Invertierung mittels einer Verzögerungsschleife ausgleichen.In the above embodiments, the driver circuit(s) receiving the inverted PWM control signal may alternatively also receive the PWM control signal. In this case, the corresponding driver circuit(s) may comprise an inverter which first inverts the PWM control signal in order to obtain the inverted PWM control signal. In this case, the other driver circuit(s) comprise a delay loop for the PWM control signal, which compensates for the delay in the PWM control signal resulting from the inversion. Alternatively, in the above-mentioned embodiments, the driver circuit(s) that receive the PWM control signal can also receive the inverted PWM control signal and initially invert it accordingly. Here too, the other driver circuit(s) would compensate for the delay in the control signal by inverting it using a delay loop.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann das PWM-Steuersignal einen Tastgrad (duty cycle) von 50% besitzen, sodass die eine oder mehrere primärseitigen Spulen des Transformators quasi kontinuierlich mit der Niederspannung der Niederspannungsquelle, bzw. einer davon abgeleiteten Gleichspannung geschaltet werden können. Falls beim Betrieb der Ansteuerschaltung im gewünschten Temperaturbereich aufgrund von Temperaturschwankungen Ansteuerfehler (z.B. Shoot-Through der in Reihe geschalteten Transistorpaare der Treiberschaltungen bzw. der Leistungsschalterpaare) ergeben, könnte alternativ oder zusätzlich der Tastgrad des PWM-Steuersignal verringert werden, um diese Steuerfehler zu verhindern. Dies könnte jedoch die Welligkeit der sekundärseitigen Ausgangsspannung des Transformators womöglich erhöhen, sodass weitere Maßnahmen zur Gleichrichtung auf der sekundärseitigen Schaltungsseite der Ansteuerschaltung notwendig werden könnten.In the embodiments described above, the PWM control signal can have a duty cycle of 50%, so that the one or more primary-side coils of the transformer can be switched virtually continuously with the low voltage of the low-voltage source, or a direct voltage derived therefrom. If, when operating the control circuit in the desired temperature range, control errors occur due to temperature fluctuations (e.g. shoot-through of the series-connected transistor pairs of the driver circuits or the power switch pairs), the duty cycle of the PWM control signal could alternatively or additionally be reduced in order to prevent these control errors. However, this could be the ripple of the secondary output chip voltage of the transformer may increase, so that further measures for rectification on the secondary circuit side of the control circuit could be necessary.
Die Ausgangsspannung des Transformators kann gegebenenfalls nicht den gewünschten Spannungspegel aufweisen. Daher kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Ansteuerschaltung eine mehrstufige, insbesondere 3-stufige, 4-stufige, 5-stufige, oder 6-stufige Hochspannungskaskade aufweisen, die die ausgansseitige Wechselspannung des Transformators in die Gleichstrom-Hochspannung hochsetzt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Hochspannungskaskade ausgelegt, um die sekundärseitige Ausgangsspannung des Transformators in eine Gleichspannung im Hochspannungsbereich zu wandeln, deren Wechselanteil (AC Komponente) im Vergleich zu ihrem Gleichspannungsanteil (DC Komponente) 4% oder weniger, bevorzugt 3 % oder weniger, weiter bevorzugt 2% oder weniger beträgt. Die Hochspannungskaskade kann beispielsweise eine Villardkaskade oder eine Hochspannungskaskade mit Vollweggleichrichtung sein, wobei die Villardkaskade deutlich kompakter ausgebildet werden kann. Beispielsweise kann jede Stufe der Hochspannungskaskade eine Reihenschaltung mehrerer Dioden und eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren umfassen, die als diskrete Bauelemente ausgebildet sind. In diesem Falle ist die Anzahl der notwendigen diskreten Bauelemente bei einer Villardkaskade im Vergleich zu einer Hochspannungskaskade mit Vollweggleichrichtung deutlich geringer.The output voltage of the transformer may not be at the desired voltage level. Therefore, according to a further embodiment, the control circuit can have a multi-stage, in particular 3-stage, 4-stage, 5-stage, or 6-stage high-voltage cascade, which increases the output-side alternating voltage of the transformer into the direct current high voltage. In an exemplary embodiment, the high-voltage cascade is designed to convert the secondary-side output voltage of the transformer into a direct voltage in the high-voltage range, whose alternating component (AC component) compared to its direct voltage component (DC component) is 4% or less, preferably 3% or less is preferably 2% or less. The high-voltage cascade can be, for example, a Villard cascade or a high-voltage cascade with full-wave rectification, whereby the Villard cascade can be made significantly more compact. For example, each stage of the high-voltage cascade can include a series connection of several diodes and a series connection of several capacitors, which are designed as discrete components. In this case, the number of discrete components required for a Villard cascade is significantly lower than for a high-voltage cascade with full-wave rectification.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ansteuerschaltung ferner eine Impedanzanpassungsschaltung auf. Die Impedanzanpassungsschaltung kann zwischen den beiden Ausgängen der sekundärseitigen Spule des Transformators der Ansteuerschaltung und die Eingänge der Hochspannungskaskade geschalten sein. Die Impedanzanpassungsschaltung dient dazu, die die Impedanz zwischen den Leistungsschaltern der Ansteuerschaltung, dem Transformator der Ansteuerschaltung und der Hochspannungskaskade der Ansteuerschaltung aneinander anzupassen.In a further embodiment, the control circuit further has an impedance matching circuit. The impedance matching circuit can be connected between the two outputs of the secondary-side coil of the transformer of the control circuit and the inputs of the high-voltage cascade. The impedance matching circuit serves to adapt the impedance between the power switches of the drive circuit, the transformer of the drive circuit and the high-voltage cascade of the drive circuit to one another.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ansteuerschaltung ferner eine Eingangsstufe auf, die an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die Eingangsstufe eine Gleichtaktdrossel und/oder ein Filter umfasst, die eingerichtet sind, leitungsgebundene Störungen des Transformators zu dämpfen und/oder den aus der Gleichspannungsquelle in die Ansteuerschaltung fließenden Strom zu begrenzen.In a further embodiment, the control circuit further has an input stage which is connected to the DC voltage source, the input stage comprising a common mode choke and/or a filter which are set up to attenuate conducted interference from the transformer and/or from the DC voltage source into the Control circuit to limit current flowing.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung ferner eine Eingangsstufe, die ein Filter umfasst, wobei der Ausgang des Filters eine von der Niederspannung der Gleichspannungsquelle abgeleitete Gleichspannung zur Verfügung zu stellen, mit der die primärseitigen Spulen des Transformators der Ansteuerschaltung beaufschlagt werden.According to a further embodiment, the control circuit further comprises an input stage which comprises a filter, the output of the filter providing a DC voltage derived from the low voltage of the DC voltage source, which is applied to the primary-side coils of the transformer of the control circuit.
Eine weitere Ausführung betrifft das Design einer Platine, die eine erfindungsgemäße Steuerschaltung implementiert. Insbesondere betrifft dieser Aspekt den diskreten Aufbau zumindest des Hochspannungsteils der Ansteuerschaltung. Natürlich kann auch die vollständige Ansteuerschaltung diskret aufgebaut sein. Eine weitere Ausführungsform betrifft daher eine Platine, auf der eine Ansteuerschaltung mit diskreten Komponenten implementiert ist. Die Ansteuerschaltung weist einen Niederspannungsteil und einen Hochspannungsteil auf, der auf der Platine implementiert ist. Die Platine kann eine im Wesentlichen rechteckige Form haben, jedoch ist die Erfindung nicht auf rechteckige Formen der Platine beschränkt. Es kann jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen werden, dass sich die Platine in eine Längsrichtung und Querrichtung erstreckt, und die Platine einen oberen Bereich, in dem der Hochspannungsteil der Ansteuerschaltung implementiert ist und einen unteren Bereich, in dem der Niederspannungsteil der Ansteuerschaltung implementiert ist, aufweist. Ein Transformator der Ansteuerschaltung kann dabei an einer Stelle der Platine verbaut sein, der den Übergang zwischen Niederspannungsteil und Hochspannungsteil der Ansteuerschaltung definiert. In Längsrichtung der Platine betrachtet kann der Transformator an einer Seite der Platine in einem Grenzbereich zwischen dem oberen (Hochspannungs-)Bereich und dem unteren (Niederspannungs-)Bereich der Platine angeordnet sein. Der verbleibende Teil der Platine weist in dem Grenzbereich zwischen dem oberen (Hochspannungs-)Bereich und dem unteren (Niederspannungs-)Bereich der Platine einen in Längsrichtung erstreckenden Schlitz auf, der den oberen Bereich der Platine vom unteren Bereich der Platine trennt, um potentielle Kriechpfade für Kriechströme zwischen dem oberen (Hochspannungs-)Bereich und den unter (Niederspannungs-)Bereich der Platine zu verlängern. Dadurch ist es möglich Kriechströme und/oder Funkenüberschlag vom Hochspannungsteil der Ansteuerschaltung in den Niederspannungsteil der Ansteuerschaltung zu unterbinden.Another embodiment relates to the design of a circuit board that implements a control circuit according to the invention. In particular, this aspect concerns the discrete structure of at least the high-voltage part of the control circuit. Of course, the complete control circuit can also be constructed discretely. A further embodiment therefore relates to a circuit board on which a control circuit with discrete components is implemented. The control circuit has a low-voltage part and a high-voltage part, which is implemented on the circuit board. The board may have a substantially rectangular shape, but the invention is not limited to rectangular shapes of the board. However, without limiting the generality, it can be assumed that the board extends in a longitudinal direction and a transverse direction, and the board has an upper region in which the high-voltage part of the driving circuit is implemented and a lower region in which the low-voltage part of the driving circuit is implemented. having. A transformer of the control circuit can be installed at a point on the circuit board that defines the transition between the low-voltage part and the high-voltage part of the control circuit. Viewed in the longitudinal direction of the board, the transformer can be arranged on one side of the board in a border area between the upper (high-voltage) region and the lower (low-voltage) region of the board. The remaining part of the board has a longitudinally extending slot in the boundary region between the upper (high-voltage) region and the lower (low-voltage) region of the board, which separates the upper region of the board from the lower region of the board in order to avoid potential creep paths for leakage currents between the upper (high voltage) area and the lower (low voltage) area of the board. This makes it possible to prevent leakage currents and/or arcing from the high-voltage part of the control circuit into the low-voltage part of the control circuit.
In einer weiteren Ausführungsform der Platine umfasst die Ansteuerschaltung eine Hochspannungskaskade, die im oberen Bereich der Platine mittels diskreter Bauelemente realisiert ist. Die Hochspannungskaskade besteht aus einer Vielzahl von Kondensatoren und Dioden, wobei ein Teil der Kondensatoren in einem Kondensatoren-Streifen an einem oberen Rand des oberen Bereichs der Platine angeordnet und ein anderer Teil der Kondensatoren in einem sich in Längsrichtung erstreckenden Kondensatoren-Streifen an einem unteren Rand des oberen Bereichs der Platine, der sich neben dem sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz in der Platine befindet, angeordnet sind. Die Dioden der Hochspannungskaskade sind in mehreren sich in Querrichtung erstreckenden Dioden-Streifen zwischen dem unteren Rand und dem oberen Rand des oberen Bereichs der Platine angeordnet. Die Platine weist zwischen den jeweiligen Dioden-Streifen und den Kondensatoren-Streifen am unteren Rand und am oberen Rand des oberen Bereichs Aussparungen auf, um Kriechströme und/oder Funkenüberschlag zwischen den Dioden und Kondensatoren der Hochspannungskaskade der Ansteuerschaltung zu verhindern.In a further embodiment of the circuit board, the control circuit comprises a high-voltage cascade, which is implemented in the upper region of the circuit board using discrete components. The high-voltage cascade consists of a large number of capacitors and diodes, with some of the capacitors in a capacitor strip at an upper edge of the upper area of the board and another part of the capacitors are arranged in a longitudinally extending capacitor strip at a lower edge of the upper region of the board, which is located next to the longitudinally extending slot in the board. The diodes of the high-voltage cascade are arranged in a plurality of transversely extending diode strips between the lower edge and the upper edge of the upper region of the board. The board has recesses between the respective diode strips and the capacitor strips at the bottom edge and at the top edge of the upper area in order to prevent leakage currents and/or arcing between the diodes and capacitors of the high-voltage cascade of the control circuit.
In einer weiteren Ausführungsform sind in jedem Dioden-Streifen Gruppen aus diskreten Dioden in einer zickzackförmigen Anordnung in Reihe geschaltet, wobei sich zwischen die einzelnen diskreten Dioden der Gruppen von den Aussparungen ausgehende Schlitze in der Platine erstrecken, um Kriechströme und/oder Funkenüberschlag zwischen den diskreten Dioden zu verhindern. In einer vorteilhaften Weiterbildung erstrecken sich die Anoden und Kathoden der diskreten Dioden in den Gruppen in Längsrichtung. Die von den Aussparungen ausgehende Schlitze erstrecken sich ebenfalls in Längsrichtung in der Platine zwischen benachbarte Dioden.In a further embodiment, groups of discrete diodes are connected in series in a zigzag-shaped arrangement in each diode strip, with slots in the board extending from the recesses extending between the individual discrete diodes of the groups in order to prevent leakage currents and/or arcing between the discrete ones To prevent diodes. In an advantageous development, the anodes and cathodes of the discrete diodes in the groups extend in the longitudinal direction. The slots starting from the recesses also extend in the longitudinal direction in the board between adjacent diodes.
Ferner können in einer vorteilhaften Weiterbildung der Ausführungsform die Kondensatoren gruppenweise in den Kondensatoren-Streifen am unteren Rand und am oberen Rand des oberen Bereichs angeordnet sein, wobei die Platine zwischen den beiden Polen eines jeden diskreten Kondensators einen sich in Querrichtung erstreckenden Schlitz aufweist, um Kriechströme und/oder Funkenüberschlag zwischen den beiden Polen der diskreten Kondensatoren zu verhindern.Furthermore, in an advantageous development of the embodiment, the capacitors can be arranged in groups in the capacitor strips at the lower edge and at the upper edge of the upper area, the circuit board having a slot extending in the transverse direction between the two poles of each discrete capacitor in order to prevent leakage currents and/or to prevent arcing between the two poles of the discrete capacitors.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ausführungsform ist einer der Dioden-Streifen in Längsrichtung neben dem Transformator angeordnet. Die Platine weist einen sich in Querrichtung erstreckenden Schlitz auf, der sich zwischen dem einen Dioden-Streifen und dem Transformator erstreckt, um Kriechströme und/oder Funkenüberschlag zwischen den Dioden des einen Dioden-Streifens und der sekundärseitigen Anschlüsse des Transformators im Hochspannungsteil der Ansteuerschaltung zu verhindern. Dabei können sich von dem sich in Querrichtung erstreckenden Schlitz ausgehend Schlitze in der Platine in Längsrichtung zwischen den benachbarten diskreten Dioden des einen Dioden-Streifens erstrecken, um Kriechströme zwischen den diskreten Dioden des einen Dioden-Streifens zu verhindern.According to a further advantageous development of the embodiment, one of the diode strips is arranged in the longitudinal direction next to the transformer. The circuit board has a transversely extending slot which extends between the one diode strip and the transformer in order to prevent leakage currents and/or arcing between the diodes of the one diode strip and the secondary-side connections of the transformer in the high-voltage part of the drive circuit . Starting from the slot extending in the transverse direction, slots in the board can extend in the longitudinal direction between the adjacent discrete diodes of one diode strip in order to prevent leakage currents between the discrete diodes of the one diode strip.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Platine in dem unteren Bereich der Platine auf einer Ausgangsseite der Hochspannungskaskade einen weiteren Schlitz auf, der im Wesentlichen zumindest abschnittsweise parallel zu dem sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz in der Platine, der den oberen Bereich der Platine vom unteren Bereich der Platine trennt, verläuft. Dieser weitere Schlitz kann von einem die Platine auf der Ausgangsseite der Hochspannungskaskade begrenzenden Rand im unteren Bereich der Platine ausgehen und sich von dem Rand weg erstrecken. Der weitere Schlitz kann also den Rand der Platine unterbrechen.In a further embodiment, the board has a further slot in the lower region of the board on an output side of the high-voltage cascade, which is essentially at least partially parallel to the longitudinally extending slot in the board, which separates the upper region of the board from the lower region of the Circuit board separates, runs. This further slot can start from an edge in the lower region of the board that delimits the board on the output side of the high-voltage cascade and can extend away from the edge. The additional slot can therefore interrupt the edge of the board.
Wie bereits angeführt, ist ein wesentlicher Aspekt dieser Erfindung, Raumluftreiniger, wie sie insbesondere aus der Patentanmeldung
Eine besonders effektive Reinigung von Raumluft wird mittels des Einsatzes so genannter Luftreiniger mit der Elektroabscheidetechnologie erreicht, bei der zusätzlich ein Flüssigkeitsspeicher vorgesehen ist, um die Gegenelektrode des Elektroabscheiders mit einer fließfähigen Masse, wie einer Flüssigkeit, zumindest teilweise, insbesondere vollständig zu benetzen, insbesondere zu umspülen. Während des Betriebs des Raumluftreinigers werden die vom Elektroabscheider elektrisch aufgeladenen Partikel von dessen Gegenelektrode angezogen und können somit in der Flüssigkeitsbenetzung auf der Gegenelektrode, die insbesondere als kontinuierlich fließender Flüssigkeitsfilm ausgebildet sein kann, gefangen und abtransportiert werden, insbesondere, während die davon bereinigte Luftströmung separat weitergeführt und schließlich in die Umgebung wieder zurück abgegeben wird. Bei der Flüssigkeit handelt es sich im allgemeinen um ein fließfähiges Spül- und/oder Kollektormedium, beispielsweise von Wasser, insbesondere auch Regenwasser, ein hygroskopisches Sammelmaterial, wie beispielsweise ein in einer Flüssigkeit gelöstes Natriumhydroxid, ein Gel, welches beispielsweise auf eine bestimmte Temperatur erhitzt ist, so dass ein flüssiger Aggregatszustand erreicht ist, wie beispielsweise ein Wachs oder ähnliches, eine ionische Flüssigkeit, wie beispielsweise geschmolzene oder ausgelöste Salze, oder auch hochviskose Öle, die beispielsweise mit elektrisch leitfähigen Partikeln versetzt sind, wie Kupfer, zum Einsatz. Beispielsweise kann die Flüssigkeit eine vorbestimmte minimale elektrische Leitfähigkeit besitzen, beispielsweise von wenigstens 0,005 S/m. Der Flüssigkeitsspeicher kann als lokaler Flüssigkeitsspeicher ausgebildet sein. Unter lokal ist gemeint, dass der Flüssigkeitsspeicher Teil des Raumluftreinigers ist und/oder diesem unmittelbar zugeordnet ist, im Unterschied zu einem separaten Flüssigkeitsspeicher oder einer separaten Flüssigkeitsversorgung. Beispielsweise ist der Flüssigkeitsspeicher unterhalb des Elektroabscheiders angeordnet. Die Flüssigkeit kann dann beispielsweise mit einer Pumpe nach oben, beispielsweise an die Oberseite der Gegenelektrode gepumpt werden und anschließend auf konstruktiv einfache Weise unter Ausnutzung der Gewichtskraft über die Gegenelektrode wieder zurück in die Flüssigkeitsspeicher gelangen. Die vom Elektroabscheider abgeschiedenen Partikel können von der Flüssigkeit mitgerissen werden, in den Flüssigkeitsspeicher transportiert und dort gesammelt werden.Particularly effective cleaning of indoor air is achieved through the use of so-called Air purifier achieved with the electrostatic separation technology, in which a liquid storage is additionally provided in order to at least partially, in particular completely, wet, in particular wash around, the counter electrode of the electrostatic precipitator with a flowable mass, such as a liquid. During operation of the room air purifier, the particles electrically charged by the electric separator are attracted to its counter electrode and can thus be caught and transported away in the liquid wetting on the counter electrode, which can in particular be designed as a continuously flowing liquid film, in particular while the air flow cleaned therefrom continues separately and finally released back into the environment. The liquid is generally a flowable rinsing and/or collector medium, for example water, in particular rainwater, a hygroscopic collecting material, such as sodium hydroxide dissolved in a liquid, a gel, which is heated to a certain temperature, for example , so that a liquid state of aggregation is achieved, such as a wax or the like, an ionic liquid, such as melted or dissolved salts, or even highly viscous oils that are mixed with electrically conductive particles, such as copper, are used. For example, the liquid may have a predetermined minimum electrical conductivity, for example of at least 0.005 S/m. The liquid storage can be designed as a local liquid storage. By local it is meant that the liquid storage is part of the room air purifier and/or is directly assigned to it, in contrast to a separate liquid storage or a separate liquid supply. For example, the liquid storage is arranged below the electrical separator. The liquid can then be pumped upwards, for example to the top of the counterelectrode, using a pump and then returned to the liquid reservoir via the counterelectrode in a structurally simple manner using the weight force. The particles separated by the electrostatic precipitator can be carried along by the liquid, transported to the liquid storage and collected there.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln, insbesondere Befeuchten, Reinigen und/oder Waschen von Luft. Bei einer solchen Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen Luftbefeuchter, ein Raumluftreiniger, ein Luftwäscher oder dergleichen handeln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Elektroabscheider, wie er insbesondere oben beschrieben ist. Der Elektroabscheider umfasst eine Emissionselektrodenanordnung bestehend aus einer Mehrzahl von Emissionsnadeln, und eine Gegenelektrode. Die Emissionselektrodenanordnung und die Gegenelektrode sind elektrisch mit der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung gekoppelt ist.Further embodiments of the invention relate to a device and a method for treating, in particular humidifying, cleaning and/or washing, air. Such a device can in particular be a humidifier, a room air purifier, an air washer or the like. The device according to the invention comprises an electrical separator, as described in particular above. The electrostatic precipitator includes an emission electrode arrangement consisting of a plurality of emission needles and a counter electrode. The emission electrode arrangement and the counter electrode are electrically coupled to the control device according to the invention.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt entsprechend einer Vorrichtung, insbesondere einen Raumluftreiniger, zum Behandeln von Luft bereit. Diese Vorrichtung umfasst einen Elektroabscheider mit einer Emissionselektrode, die aus einer Mehrzahl von Emissionsnadeln gebildet ist und einer der zur Emissionsnadeln in Abstand ausgebildeten, Gegenelektrode, die von einer Flüssigkeit, zumindest teilweise benetzt, vorzugsweise umspült ist; und eine Steuereinheit, welche den Elektroabscheider betreibt. Die Steuereinheit umfasst eine Ansteuerschaltung, die eingerichtet ist, eine Hochspannung, insbesondere eine Gleichspannung im Hochspannungsbereich, an die Emissionsnadeln der Emissionselektrode und die Gegenelektrode des Elektroabscheiders anzulegen, um Gleichstromplasma zwischen den Emissionselektrode und der Gegenelektrode zu erzeugen.An embodiment of the invention accordingly provides a device, in particular a room air purifier, for treating air. This device comprises an electrical separator with an emission electrode, which is formed from a plurality of emission needles and one of the counter electrodes, which is formed at a distance from the emission needles and which is at least partially wetted, preferably surrounded by a liquid; and a control unit that operates the electrical separator. The control unit comprises a control circuit which is set up to apply a high voltage, in particular a direct voltage in the high voltage range, to the emission needles of the emission electrode and the counter electrode of the electrical precipitator in order to generate direct current plasma between the emission electrode and the counter electrode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Ansteuerschaltung einen Regelkreis, der eingerichtet ist, die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung basierend auf einem gemessenen Wert eines durch die Emissionselektrode über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung fließenden Gleichstroms relativ zu dem Referenzstromwert auf einen Arbeitspunkt einzustellen, bei dem eine Funkenentladung des Gleichstromplasmas zwischen den Emissionsnadeln der Emissionselektrode und der Gegenelektrode verhindert wird.According to a further embodiment of the device, the control circuit comprises a control circuit which is set up to set the output power of the control circuit to an operating point relative to the reference current value based on a measured value of a direct current flowing through the emission electrode via the direct current plasma to the counter electrode of the electrical separator to the common reference potential of the control circuit set in which a spark discharge of the direct current plasma between the emission needles of the emission electrode and the counter electrode is prevented.
Erfindungsgemäß umfasst der Regelkreis eine Strommesseinheit, wobei die Strommesseinheit den durch die Emissionselektrode über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung fließenden Gleichstrom misst.According to the invention, the control circuit comprises a current measuring unit, wherein the current measuring unit measures the direct current flowing through the emission electrode via the direct current plasma to the counter electrode of the electrical separator to the common reference potential of the control circuit.
Erfindungsgemäß umfasst der Regelkreis eine Regeleinheit, die den gemessenen Wert des fließenden Gleichstroms von der Strommesseinheit erhält und ein Steuersignal erzeugt, wobei die Regeleinheit eingerichtet ist, die Frequenz des Steuersignals basierend auf dem gemessenen Wert des durch die Emissionsnadeln der Emissionselektrode über das Gleichstromplasma zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung fließenden Gleichstroms und dem Referenzstromwert zu variieren, um den zum gemeinsamen Referenzpotential der Ansteuerschaltung und des Elektroabscheiders fließenden Gleichstrom auf den Referenzstromwert zu regeln.According to the invention, the control circuit comprises a control unit which receives the measured value of the flowing direct current from the current measuring unit and generates a control signal, the control unit being set up to control the frequency of the control signal based on the measured value of the flow through the emission needles of the emission electrode via the direct current plasma to the counter electrode of the Electrical separator to vary the direct current flowing to the common reference potential of the control circuit and the reference current value in order to flow to the common reference potential of the control circuit and the electrical separator to regulate the direct current to the reference current value.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, ist die Ansteuerschaltung benachbart der Emissionselektrode und insbesondere distal zur Gegenelektrode angeordnet.In a further embodiment of the device, the control circuit is arranged adjacent to the emission electrode and in particular distal to the counter electrode.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, treibt die Steuereinheit und/oder die Ansteuerschaltung einen Ventilator an.In a further embodiment of the device, the control unit and/or the control circuit drives a fan.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind. Einander entsprechende Elemente/Funktionen sind in den Figuren mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Dabei zeigt:
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1 zeigt einen exemplarischen Systemaufbau gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in dem eine Ansteuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von einer Gleichspannungsquelle mit einer Niederspannung gespeist wird, und diese in eine Hochspannung umsetzt, um die Emissionselektroden und die Gegenelektrode eines Elektroabscheiders mit einer Hochspannung zu beauftragen; -
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Ansteuerschaltung der1 ; -
3 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform und Verschaltung von der Leistungsschaltern der2 , um die primärseitige Niederspannung mittels des Transformators hochzusetzen; -
4a zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform und Verschaltung von der Leistungsschaltern der2 , um die primärseitige Niederspannung mittels des Transformators hochzusetzen; -
4b zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform und Verschaltung von der Leistungsschaltern der2 , um die primärseitige Niederspannung mittels des Transformators hochzusetzen; -
5 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Hochspannungskaskade inder 2 ; -
6 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Hochspannungskaskade inder 2 ; -
7 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer der Treiberschaltungen des Treibers inder 2 ; -
8a zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer der Treiberschaltungen des Treibers inder 2 , wenn es sich bei dem zu treibenden Leistungsschalter um PMOS MOSFETs handelt; -
8b zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer der Treiberschaltungen des Treibers inder 2 , wenn es sich bei dem zu treibenden Leistungsschalter um NMOS MOSFETs handelt; -
9 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der Regelung der Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung in2 basierend auf dem über die Emissionselektroden zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zu einem Referenzpotenzial (GND) fließenden Gleichstrom; -
10 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Regelung der Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung in2 basierend auf dem über die Emissionselektroden zur Gegenelektrode des Elektroabscheiders zu einem Referenzpotenzial (GND) fließenden Gleichstrom und einer gemessenen Temperatur der der Ansteuerschaltung; -
11 zeigt ein exemplarisches Eingangsfilter zurVerwendung im Leistungsbegrenzer 212der 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
12 zeigt einen exemplarischen Aufbau eines Transformators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
13 zeigt den Frequenzgang eines beispielhaften Transformators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
14a zeigt eine Ausführungsform einer Platine, die eine Ansteuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert; -
14b zeigt die Ausführungsform der Platine der14a , wobei die in2 gezeigten Komponenten der die eine Ansteuerschaltung gekennzeichnet sind; -
15 zeigt Teilbereiche der Platine der14a und die Anordnung von Schlitzen und Aussparungen in der Platine; -
16 illustriert beispielhaft die Realisierung der Hochspannungskaskade, der Impedanzanpassung und des Transformators in5 auf der Platine der14a ; und -
17 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Teilbereichen im Hochspannungsbereich der Platine der14a und die Anordnung von Schlitzen und Aussparungen im Hochspannungsbereich der Platine; und -
18 eine schematische, perspektivische Schnittansicht eines Ausschnitts eines beispielhaften Raumluftreinigers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der eine Ansteuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet; und -
19 eine schematische Schnittansicht von der Seite des Raumluftreinigers aus18 .
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1 shows an exemplary system structure according to an embodiment of the invention, in which a drive circuit according to an embodiment of the invention is fed by a DC voltage source with a low voltage and converts this into a high voltage in order to charge the emission electrodes and the counter electrode of an electrical precipitator with a high voltage; -
2 shows an exemplary embodiment of thecontrol circuit 1 ; -
3 shows a first exemplary embodiment and connection of thecircuit breakers 2 to increase the primary side low voltage using the transformer; -
4a shows a second exemplary embodiment and connection of thecircuit breakers 2 to increase the primary side low voltage using the transformer; -
4b shows a third exemplary embodiment and connection of thecircuit breakers 2 to increase the primary side low voltage using the transformer; -
5 shows a first exemplary embodiment of a high-voltage cascade in the2 ; -
6 shows a second exemplary embodiment of a high-voltage cascade in the2 ; -
7 shows a first exemplary embodiment of one of the driver circuits of the driver in the2 ; -
8a shows a second exemplary embodiment of one of the driver circuits of the driver in the2 , if the power switch to be driven is PMOS MOSFETs; -
8b shows a second exemplary embodiment of one of the driver circuits of the driver in the2 , if the power switch to be driven is NMOS MOSFETs; -
9 shows a first exemplary embodiment of the control of the output power of the control circuit in2 based on the direct current flowing via the emission electrodes to the counter electrode of the electrostatic precipitator to a reference potential (GND); -
10 shows a second exemplary embodiment of the control of the output power of the control circuit in2 based on the direct current flowing via the emission electrodes to the counter electrode of the electrical separator to a reference potential (GND) and a measured temperature of the control circuit; -
11 shows an exemplary input filter for use in thepower limiter 212 of2 according to an exemplary embodiment of the invention; -
12 shows an exemplary structure of a transformer according to an embodiment of the invention; -
13 shows the frequency response of an exemplary transformer according to an embodiment of the invention; -
14a shows an embodiment of a circuit board that implements a drive circuit according to an embodiment of the invention; -
14b shows the embodiment of the circuit board14a , where the in2 shown components which are marked with a control circuit; -
15 shows parts of the circuit board14a and the arrangement of slots and recesses in the board; -
16 exemplifies the implementation of the high-voltage cascade, the impedance matching and the transformer in5 on the circuit board of the14a ; and -
17 shows an enlarged view of partial areas in the high-voltage area of the circuit board14a and the arrangement of slots and recesses in the high voltage area of the board; and -
18 a schematic, perspective sectional view of a section of an example adhesive room air purifier according to an embodiment of the invention, which includes a control circuit according to an embodiment of the invention; and -
19 a schematic sectional view from the side of the room air purifier18 .
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Hochspannung, die an die Elektroden eines Elektroabscheiders angelegt wird. Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung einer solchen Ansteuerschaltung in einer Vorrichtung mit einem Elektroabscheider. Diese Vorrichtung kann beispielweise eine Luftbehandlungsvorrichtung sein, z.B. ein Raumluftfilter, ein Luftbefeuchter, ein Luftwäscher, ein Luftsterilisator, ein Aerosolfilter oder ein Feinstaubfilter.The invention relates to a control circuit for generating a high voltage which is applied to the electrodes of an electrical separator. Another aspect is the use of such a control circuit in a device with an electrical separator. This device can be, for example, an air treatment device, e.g. a room air filter, a humidifier, an air washer, an air sterilizer, an aerosol filter or a fine dust filter.
Die Ansteuerschaltung kann grundsätzlich in allen Endgeräten eingesetzt werden, die Partikel oder Flüssigkeiten oder Verunreinigungen mittels eines Niederenergieplasmas aus einem Gasstrom ausgesondert werden. Exemplarisch ist hier auf die PCT-Anmeldung
Ein Elektroabscheider arbeitet im Wesentlichen nach dem folgenden Prinzip: Freisetzung von elektrischen Ladungen, insbesondere Elektronen oder positive Ionen; Aufladung von Partikeln, die in der Luft vorhanden sein können, in einem elektrischen Feld; Transport der elektrisch geladenen Partikel zu einem Gegenpol; Entladung der geladenen Partikel an dem Gegenpol; und Entfernung der Partikel von dem Gegenpol. Beispielweise kann das dem Elektroabscheider zugrunde liegende Prinzip der Ladungserzeugung die Stoßionisation sein. Mit Überschreiten einer sogenannten Corona-Einsatzfeldstärke können Elektronen freigesetzt werden und in eine Wechselwirkung mit den umgebenden Gasmolekülen der Luft treten, wodurch sich eine Corona bildet. Ob dies eine positive oder negative Corona ist, hängt von der Hochspannung ab, die an die Elektroden angelegt wird. In der Luft vorhandene freie Elektronen werden im elektrostatischen Feld der Corona stark beschleunigt, sodass es zu einer Gasentladung kommen kann. Beim Auftreffen auf Gasmoleküle in der Luft können weitere Elektronen abgespalten werden oder sich an die Gasmoleküle anlagern. Die negativen Ladungen bewegen sich innerhalb der Luftbehandlungsvorrichtung, insbesondere innerhalb des Elektroabscheiders. Beim Eintritt eines partikelbeladenen Luftstroms lagern sich die negativ geladenen Ladungen an den Partikeln an. Durch die einwirkende elektrostatische Kraft des anliegenden Gleichspannungsfeldes, welches quer zur Strömungsrichtung der Luft innerhalb der Vorrichtung orientiert sein kann, werden die negativ aufgeladenen Partikel umgelenkt und können so aus dem Luftstrom separiert werden.An electrostatic precipitator essentially works on the following principle: release of electrical charges, especially electrons or positive ions; Charging particles that may be present in the air in an electric field; Transport of the electrically charged particles to an opposite pole; discharge of the charged particles at the opposite pole; and removal of the particles from the opposite pole. For example, the principle of charge generation underlying the electrostatic precipitator can be impact ionization. When a so-called corona field strength is exceeded, electrons can be released and interact with the surrounding gas molecules in the air, whereby a corona is formed. Whether this is a positive or negative corona depends on the high voltage applied to the electrodes. Free electrons present in the air are strongly accelerated in the electrostatic field of the corona, so that a gas discharge can occur. When it hits gas molecules in the air, additional electrons can be split off or attach to the gas molecules. The negative charges move within the air treatment device, in particular within the electrostatic precipitator. When a particle-laden air stream enters, the negatively charged charges attach to the particles. Due to the acting electrostatic force of the applied DC voltage field, which can be oriented transversely to the direction of flow of the air within the device, the negatively charged particles are deflected and can thus be separated from the air flow.
Ein weiterer Aspekt und weitere Ausführungsformen der Erfindung, die hierin beschrieben werden, betreffen die Verwendung der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in Vorrichtungen, insbesondere Luftbehandlungsvorrichtung mit einem Elektroabscheider. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Ansteuerschaltung in einem Raumluftfilter umfassend einen Elektroabscheider mit einer Emissionselektrode, die aus einer Mehrzahl von Emissionsnadeln gebildet ist und einer der zur Emissionsnadeln in Abstand ausgebildeten, Gegenelektrode, die von einer Flüssigkeit, zumindest teilweise benetzt, vorzugsweise umspült ist. Die Ausführungsformen der Erfindung können insbesondere Luftbehandlungsvorrichtungen mit einem Volumendurchsatz der zu behandelnden Luft (bei einer CADR von mehr als einschließlich 250) bis einschließlich 500 m3/h, bevorzugt bis einschließlich 350 m3/h und weiter bevorzugt bis einschließlich 300 m3/h betreffen. Weitere Ausführungsformen können Luftbehandlungsvorrichtungen betreffen, in denen die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung im Bereich zwischen einschließlich 0,5 W und 20 W, bevorzugt zwischen 0,7 W und 17 W liegt.A further aspect and further embodiments of the invention, which are described herein, relate to the use of the control circuit according to the invention in devices, in particular air treatment devices with an electrical separator. In particular, the invention relates to the use of such a control circuit in a room air filter comprising an electrical separator with an emission electrode, which is formed from a plurality of emission needles and one of the counter electrodes, which is formed at a distance from the emission needles and which is preferably surrounded by a liquid, at least partially wetted . The embodiments of the invention can in particular air treatment devices with a volume flow rate of the air to be treated (at a CADR of more than 250 inclusive) up to and including 500 m 3 /h, preferably up to and including 350 m 3 /h and more preferably up to and including 300 m 3 /h regarding. Further embodiments may relate to air treatment devices in which the output power of the control circuit is in the range between 0.5 W and 20 W, preferably between 0.7 W and 17 W.
Die Ansteuerschaltung kann dabei eine Hochspannung erzeugen, deren Betrag des Gleichanteils im Bereich zwischen einschließlich 8 kV und einschließlich 17 kV, bevorzugt zwischen einschließlich 10 kV und einschließlich 13 kV liegt. Der Gleichanteil des Gleichstroms, den die Ansteuerschaltung einem Elektroabscheider bereitgestellt, liegt im Bereich zwischen 0,100 µA und 1,000 µA, bevorzugt im Bereich zwischen einschließlich 0,150 µA und 0,400 µA. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Leistungsbereiche, Spannungsbereiche und/oder Gleichstrombereiche beschränkt. Die genauen Betriebsparameter hinsichtlich Leistung, Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstrom der Ansteuerungsschaltung ergeben sich aus dem Einsatzgebiet der Ansteuerschaltung und können von den angegebenen Bereichen abweichen. Die angegebenen Bereiche und Parameter sind jedoch typisch für die Verwendung der Ansteuerschaltung Innenraumluftfilter oder Feinstaubfiltern.The control circuit can generate a high voltage, the magnitude of the direct component of which is in the range between 8 kV and 17 kV inclusive, preferably between 10 kV and 13 kV inclusive. The direct component of the direct current that the control circuit provides to an electrical separator is in the range between 0.100 µA and 1.000 µA, preferably in the range between 0.150 µA and 0.400 µA. However, the invention is not limited to these power ranges, voltage ranges and/or direct current ranges. The exact operating parameters with regard to power, output voltage and/or output current of the control circuit result from the area of application of the control circuit and may differ from the specified ranges. However, the specified ranges and parameters are typical for the use of the control circuit for cabin air filters or fine dust filters.
Durch das Anlegen der Hochspannung VPlasma an die Emissionselektroden 130 und die Gegenelektrode 140 des Elektroabscheiders fließt über die Emissionselektroden 130, das Gleichstromplasma und die Gegenelektrode 140 ein Gleichstrom IPlasma. In der gezeigten Ausführungsform wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die von der Ansteuerungsschaltung 120 erzeugte Hochspannung VPlasma eine negative Gleichspannung ist. Entsprechend zeigt der Pfeil des Gleichstroms IPlasma in der
Die Ansteuerschaltung 120 umfasst ferner einen Regelkreis 122, der die Ausgangsleistung (P = IPlasma · VPlasma) der Ansteuerschaltung 120 regelt. Dabei regelt der Regelkreis 122 den ausgangsseitig zum Elektroabscheider fließenden Gleichstrom IPlasma auf einen gewünschten Referenzstromwert (IRef). Die Gegenelektrode 140 des Elektroabscheiders als auch ein Ende der sekundärseitigen Spule eines Transformators in der Ansteuerschaltung 120 kann dabei, wie nachstehend noch näher ausgeführt wird, mit dem Referenzpotenzial (GND) der Ansteuerschaltung 120 verbunden werden, sodass der ausgangsseitig zum Referenzpotenzial fließende Gleichstrom IPlasma erfasst und als Eingangsgröße dem Regelkreis 122 zugeführt werden kann. Die Ansteuerschaltung 120 variiert dabei basierend auf dem gemessenen Gleichstrom IPlasma die Frequenz f[n] eines Steuersignals, mit der die Leistungsersteller in der Ansteuerschaltung 120 die primärseitige(n) Spule(n) eines Transformators ansteuert, sodass sich der gewünschte Referenzstromwert (IRef) ausgangsseitig einstellt und die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung auf den gewünschten Wert geregelt wird. Die Zykluszeit des Regelkreises ist dabei sehr kurz gewählt und ist vorzugsweise im Bereich von einschließlich 5 ms oder weniger, bevorzugt 2 ms oder weniger, weiter bevorzugt 1 ms oder weniger aufweisen. Je kürzer der Regelzyklus, desto schneller können Schwankungen gemessenen Gleichstrom erkannt und ausgeregelt werden.The
Der Regelkreis 122 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus der „Regelstrecke“, die durch die Regeleinheit 214, den Treiber 216, die Leistungsschalter 218 den Transformator 220, der optionalen Impedanzanpassung 252 sowie der Hochspannungskaskade 254 umfasst, so dass zwischen den Elektroden 130, 140 des Elektroabscheiders ein Gleichstromplasma gebildet wird. Der Regelkreis umfasst ferner die Strommesseinheit 256, die die Regelgröße, den Plasmastrom IPlasma, misst und an den Regler, die Regeleinheit 214, zurückführt.In the exemplary embodiment shown, the
Die Regeleinheit 214 variiert die Frequenz der Steuersignale (Stellgröße), die von der Regeleinheit 214 dem Treiber 216 zugeführt werden, basierend auf dem gemessenen Plasmastrom IPlasma· Die Regeleinheit 214 kann ferner eingerichtet sein, die Frequenz des Steuersignals basierend auf dem Wert des Plasmastroms IPlasma und dem Referenzstromwert IRef (nicht gezeigt) zu variieren, um den zum gemeinsamen Referenzpotential GND der Ansteuerschaltung 120 und des Elektroabscheiders fließenden Gleichstrom IPlasma auf den Referenzstromwert IRef zu regeln. Steigt der ausgangsseitige Plasmastrom IPlasma im Vergleich zum Referenzstromwert IRef an, reduziert die Regeleinheit 214 die Frequenz der Steuersignale. Fällt der ausgangsseitige Plasmastrom IPlasma im Vergleich zum Referenzstromwert IRef ab, erhöht die Regeleinheit 214 die Frequenz der Steuersignale.The
Die Regeleinheit 214 kann beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, einer diskreten Schaltung oder einer integrierten Schaltung (z.B. ASIC oder programmierbare Logik (z.B. FPGA, PLD, etc.) oder Kombinationen der genannten Möglichkeiten ausgebildet sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die Regeleinheit 214 die Steuersignale VPWM(f) und
In einer beispielhaften Ausführungsform haben die Steuersignale VPWM(f) und VPWM(f) eine Frequenz im Bereich einschließlich 120,0 kHz bis einschließlich 200,0 kHz, bevorzugt im Bereich einschließlich 130,0 kHz bis einschließlich 170,0 KHz. Die Regeleinheit 214 kann dabei die Frequenz der Steuersignale VPWM(f) und
Durch die hohe Betriebsfrequenz der Steuersignale VPWM(f) und
Dadurch können sich Probleme bei der EMV ergeben und die Effizienz des Transformators 220 sinkt. Die zusätzliche Entwärmungsproblematik macht somit die Miniaturisierung des Transistors 220 herausfordernd. Bei zunehmendem Grad der Miniaturisierung sinkt die zur Verfügung stehende Oberfläche zur Entwärmung des Transformators quadratisch, d.h. es ist schwerer die im Transformator 220 entstehende Wärme abzutransportieren. Diese sich aufgrund der Miniaturisierung ergebenden leitungsgebundenen Störungen können, wie nachstehend noch erläutert wird, mittels Filterung im Leistungsbegrenzer 212 kompensiert werden.This can cause EMC problems and reduce the efficiency of the
Die Steuersignale VPWM(f) und
Die Leistungsschalter 218 beauftragen die primärseitige(n) Spule(n) des Transformators 220 wechselnd mit der Niederspannung V'DC_ext, sodass in der sekundärseitigen Spule des Transformators 220 eine Wechselspannung in Hochspannungsbereich ausgegeben wird. Beispielsweise liegt die Ausgangsspannung VTrafo des Transformators 220 im Bereich von einschließlich 2 kV oder mehr, bevorzugt 2,5 kV oder mehr. Diese Ausgangsspannung auf der Sekundärseite des Transformators 220 wird anschließend über eine Impedanzanpassung 252 geführt und von einer Hochspannungskaskade 254 gleichgerichtet und gleichzeitig auf die gewünschte Ausgangsgleichspannung VPlasma gewandelt, die an die Emissionselektroden 130 und die Gegenelektrode 140 des Elektroabscheiders angelegt werden kann, wie in
Wie in der
Die Ansteuerschaltung 120 kann in einen Niederspannungsteil 210 und einen Hochspannungsteil 250 unterteilt werden. Der Hochspannungsteil 250 umfasst die sekundärseitige Spule des Transformators 220 und die nachgelagerten Teile der Ansteuerschaltung 120, insbesondere die Impedanzanpassung 252, die Hochspannungskaskade 254 und die Strommesseinheit 256. Der Niederspannungsteil 210 der Ansteuerschaltung 120 umfasst den Leistungsbegrenzer 212, die Regeleinheit 214, den Treiber 216, die Leistungsschalter 218 sowie die primärseitige(n) Spule(n) des Transformators 220. Der Transformator 220 bildet somit den Übergang vom Niederspannungsbereich 210 zum Hochspannungsbereich 250.The
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leistungsschalter 218 als MOSFETs ausgebildet, wobei die Leistungsschalter 402 und 404 PMOS MOSFETs sind, und die Leistungsschalter 406 und 408 NMOS MOSFETs sind. Die Leistungsschalter 402 und 408 werden dabei von entsprechenden Treiberschaltungen 216 mit dem Steuersignal V'PWM(f) angesteuert, während die Leistungsschalter 404 und 406 von entsprechenden Treiberschaltungen 216 mit dem Steuersignal
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Kondensator zwischen Gate-Anschluss und Source-Anschluss eines jeden der Leistungsschalter 402, 404, 406 und 408 geschalten sein. Dies ist jedoch in
Weiter optional kann der Drain-Anschluss der Leistungsschalter 402 und 404, nicht direkt mit der Niederspannung V'DC_ext verbunden sein, sondern über ein Filter 412. Das Filter 412 kann dabei leitungsgebundene Störungen aufgrund parasitärer Impedanzen und dem hochfrequenten Schalten der Leistungsschalter 402, 404, 406 und 408 reduzieren.Further optionally, the drain connection of the power switches 402 and 404 can not be connected directly to the low voltage V' DC_ext , but via a
Der Ausgang der sekundären Spule des Transformators 220 kann mit einer Schaltung 252 verbunden sein, die die Impedanzen der Leistungsschalter 218, des Transformators 220 und der nachfolgenden Hochspannungskaskade 254 aneinander anzupassen.The output of the secondary coil of the
Es ist anzumerken, dass die gezeigte Anordnung der Kaskadenstufen 502, 504, 506, 508 und 510 ausgangsseitig eine negative Gleichspannung VPlasma erzeugt. Um eine positive Gleichspannung zu erzeugen, müssen lediglich Anode und Kathode der einzelnen Dioden in den Stufen 502, 504, 506, 508 und 510 miteinander vertauscht werden.It should be noted that the arrangement of the cascade stages 502, 504, 506, 508 and 510 shown generates a negative DC voltage V plasma on the output side. In order to generate a positive DC voltage, the anode and cathode of the individual diodes in
Die beiden Kaskaden 500 und 600 in den
Der Aufbau der Treiberschaltungen ist in den unterschiedlichen Ausführungsformen jedoch identisch. Es können lediglich die (Art der) verwendeten Transistoren in den einzelnen Stufen der Treiberschaltungen unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise abhängig davon welcher Spannungspegel geschaltet wird bzw. welche (Art von) Leistungsschalter die jeweilige Treiberschaltung ansteuert. Die einander entsprechenden Widerstände und Dioden der einzelnen Stufen 700, 720 der Treiberschaltungen können jedoch baugleich ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Auswirkungen von Schwankungen der Betriebstemperatur auf die Widerstandwerte und damit die Anstiegszeiten und Abfallzeiten von Signalflanken der Treiberschaltungen 216-1, 216-2 in allen Treiberschaltungen 216-1, 216-2 gleichmäßig ausfallen und somit das Schalttiming nicht negativ beeinflussten. Insbesondere kann dadurch der zuverlässige Betrieb der Ansteuerschaltung 120 über den gewünschten Temperaturbereich, in dem die Ansteuerschaltung 120 betrieben werden soll, sichergestellt werden. Dadurch lassen sich insbesondere auch ein möglicher „Shoot Through“ in den einzelnen Stufen 700, 720 der Treiberschaltungen 216-1, 216-2 verhindern.However, the structure of the driver circuits is identical in the different embodiments. Only the (type of) transistors used in the individual stages of the driver circuits can be designed differently, for example depending on which voltage level is switched or which (type of) power switch controls the respective driver circuit. However, the corresponding resistors and diodes of the
In der
Die Treiberschaltung 216, die in der
Die erste Treiberstufe 700 umfasst eingangsseitig einen Spannungsteiler bestehend aus zwei Parallelschaltungen von jeweils einem Widerstand und einer Diode. Die erste Parallelschaltung wird durch den Widerstand 708 und die Diode 706 gebildet. Die zweite Parallelschaltung wird durch den Widerstand 712 und die Diode 714 gebildet. Das Steuersignal VPWM (f) bzw.
Die Anode des Diode 706 ist mit dem Gate-Anschluss des NMOS MOSFETs 704 verbunden. Die Kathode des Diode 706 ist mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers verbunden, sodass das Steuersignal VPWM (f) bzw.
Die zweite Treiberstufe 720 empfängt das Ausgangssignal, dass an dem Abgriff zwischen dem des PMOS MOSFET 702 und dem NMOS MOSFET 704 bereitgestellt wird. Dieses Ausgangssignal wird dem Gate-Anschluss des PMOS MOSFET 722 zugeführt. Der Geld-Anschluss des NMOS MOSFETs 724 ist über eine Parallelschaltung der Diode 726 und des Widerstands 728 mit dem Abgriff zwischen dem des PMOS MOSFET 702 und dem NMOS MOSFET 704 verbunden. Das Ausgangssignal der ersten Treiberstufe 700 liegt an der Kathode der Diode 226 an, während dessen Anode mit dem Gate-Anschluss des NMOS MOSFETs 724 verbunden ist. Der PMOS MOSFET 722 und der NMOS MOSFET 724 ist über den Widerstand 730 in Serie geschaltet, wobei ein Mittelabgriff zwischen dem PMOS MOSFET 722 und dem NMOS MOSFET 724 das Ausgangssignal V'PWM (f) bzw.
Die einzelnen Treiberstufen 700 und 720 bilden jeweils einen Pegelumsetzer, die den Signalpegel des TTL/CMOS Steuersignals VPWM (f) bzw.
Die Dioden 706 und 714, bzw. 726 ermöglichen es, dass die Entladung der Gate-Kapazität am Gate-Anschluss der NMOS-Transistoren 704 und 724 schnell erfolgen kann und damit das Laden der Gate-Kapazität der PMOS-Transistoren 702 und 722 und ihre Schaltzeit beschleunigt wird. Aufgrund der Sperrrichtung der Dioden erfolgt die Aufladung der Geld-Kapazität der NMOS-Transistoren 704 und 724 über die Widerstände 708 und 712 bzw. 728. Durch diese Schaltungsanordnung können die Schaltzeiten der PMOS-Transistoren 702 und 722 und der NMOS-Transistoren 704 und 724 angeglichen werden, sodass ein „Shoot Through“ der Transistorpaare in jeder der Treiberstufen 700, 720 verhindert werden kann.The
Die beiden Ausführungsformen der Treiberschaltungen 216-1, 216-2 des Treibers 216 in den
Die zusätzliche Eingangsstufe 800 der Treiberschaltung 216-1, 216-2 in den
Da die Messeinheit 256 sehr hochohmig (vgl. Operationsverstärker 918) mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers verbunden ist, fließt nur ein vernachlässigbarer Strom Strom in die Messeinheit 256. Die Messeinheit 256 umfasst hier exemplarisch ein eingangsseitiges RC Glied (Tiefpassfilter) aus den Widerständen 910 und dem Kondensator 912 und eine ESD-Protection, die durch die Dioden 914 und 916 gebildet wird. Am nichtinvertieren den Eingang des Operationsverstärkers 918 liegt somit - aufgrund des zu vernachlässigenden Stroms in die Messeinheit 256 - das Potenzial am Mittelabgriff des Spannungsteilers zwischen den Widerständen 902 und 904 an. Die Verschaltung des Operationsverstärker 918 realisiert einen Gain-Buffer oder Unity Gain Buffer. Der invertierende Eingang des Operationsverstärker 918 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärker 918 gekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärker 918 ist mit einem weiteren RC Glied (Tiefpassfilter) aus den Widerständen 920 und dem Kondensator 922 verbunden und gibt den (analogen) Strommesswert I[t] aus. Dieser analoge Strommesswert I[t] wird durch einen Analog/Digital (A/D)-Wandler 924 in einen digitalen Strommesswert I [n] gewandelt und der Regeleinheit 214 zugeführt. Ob eine A/D Wandlung des analogen Strommesswerts I[t] notwendig ist, hängt davon ab, ob die Regeleinheit analog oder digital arbeitet. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Regeleinheit 214 den A/D-Wandler 924. Wie bereits erwähnt, kann die Regeleinheit 214 als Mikroprozessor ausgeführt sein. Der Regelzyklus des Regelkreises 122 ist bevorzugt im Bereich von einschließlich 5 ms oder weniger, bevorzugt 2 ms oder weniger, weiter bevorzugt I ms oder weniger aufweisen. Je kürzer der Regelzyklus, desto schneller können Schwankungen im gemessenen Plasmastrom IPlasma,erkannt und ausgeregelt werden. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Regelzyklus 1 ms. Entsprechend passt die Regeleinheit 214 den Frequenzwert f[n] in Intervallen von 1 ms an den jeweiligen Strommesswert I[n] an, um die Ausgangsleistung der Ansteuerschaltung 120, bzw. deren Ausgangsstrom IPlasma, auf eine Referenzausgangsleistung bzw. einen Referenzstromwert IRef zu regeln.Since the measuring
Aufgrund der Temperaturschwankungen ist zu erwarten, dass bei höheren Temperaturen der Widerstandswert der Widerstände in den Treiber Schaltungen 216-1, 216-2 ansteigt. Dies könnte die Regeleinheit 214 beispielsweise dazu nutzen, den Tastgrad der Steuersignale VPWM (f) bzw.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Regeleinheit 214 die gemessene(n) Temperatur(en) zur Anpassung der Frequenz f[n] der Steuersignale VPWM(f) bzw.
Bei Kenntnis der Temperatur des Transformators 220 oder einer korrelierenden Temperatur kann ein thermisches Durchgehen („thermal runaway“) frühzeitig erkannt und unterbunden werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Regeleinheit 214 eingerichtet, ein thermisches Durchgehen basierend auf dem Temperaturmesswert, der die Temperatur des Transformators 220 repräsentiert, zu erkennen (z.B. durch Vergleich mit einer vergebenden Schwellen-Temperatur, die basierend auf der Curie-Temperatur des Transformators 220 gewählt ist, und ein Erkennen eines Überschreitens der Schwellen-Temperatur) und die Eingangsleistung des Transformators 220 reduzieren, zum Beispiel durch die Änderung des Tastgrads der Steuersignale VPWM (f) bzw.
Ferner ist nimmt typischerweise der Reverse Current der Dioden der Kaskade 254 exponentiell mit der Temperatur zu, sodass die Effizienz sinkt und auch hier ein thermisches Durchgehen droht. Zusätzlich zur Temperatur des Transformators 220 oder alternativ dazu, kann/können einer oder mehrere Temperatursensoren die Temperatur der Dioden in der Kaskade 254 (bei mehreren Temperatursensoren, an unterschiedlichen Stellen der Kaskade 254) erfassen. Die Regeleinheit 214 empfängt die Temperturmesswerte des einen Temperatursensors oder der mehreren Temperatursensoren und kann darauf basierend ein drohendes thermales Durchgehen erkennen (z.B. durch Vergleich mit einer vergebenden Schwellen-Temperatur und ein Erkennen eines Überschreitens der Schwellen-Temperatur). Droht thermales Durchgehen kann die Regeleinheit 214 die Eingangsleistung des Transformators 220 reduzieren, zum Beispiel durch die Änderung des Tastgrads der Steuersignale VPWM(f) bzw.
Entweder zusätzlich oder alternativ könnte das Überschreiten einer Schwellentemperatur eine Notabschaltung der Ansteuerschaltung 120 erfolgen, indem die Regeleinheit 214 die Steuersignale VPWM(f) bzw.
In den beschriebenen Ausführungsformen stellte die Regeleinheit 214 die Steuersignale VPWM (f) und
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Design des Transformators 220, so dass dieser möglichst kompakt realisiert werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung, weist der Transformator 220 ein Gehäuse mit einer rechteckigen oder quadratischen Grundform auf. Die Kantenlänge dieser Grundform beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 30 mm und einschließlich 18 mm. Beispielsweise kann der Transformator 220 ein EFD20 Gehäuse umfassen. Die sekundärseitige Spule 1218 des Transformators 220 kann dabei in mehrere mittels eines dielektrischen Materials voneinander isolierten Kammern des Transformatorgehäuses 1228 angeordnet sein.Another aspect of the invention relates to the design of the
Der Transformator 220 umfasst das Transformatorgehäuse 1228, das auch als Wickelkörper bezeichnet werden kann. Dieses ist aus einem isolierenden Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Transformator 220 zwei primärseitige Spulen 1206 und 1212. Die erste Spule 1206 hat dabei die Anschlüsse 1208 und 1210, wobei der erste Anschluss 1208 auch als erstes Ende 1208 der primärseitigen Spule 1206 und der zweite Anschluss 1210 auch als das zweite Ende 1210 der primärseitigen Spule 1206 bezeichnet wird. Die zweite Spule 1212 weist ebenfalls zwei Anschlüsse 1214 und 1216 auf. Anschlüsse 1214 und 1216 werden entsprechend auch als erstes Ende 1214 und zweites Ende 1216 der Spule 1212 bezeichnet. Das zweite Ende 1210 der Spule 1206 und das erste Ende 1214 der zweiten primärseitigen Spule 1212 können dabei miteinander kurzgeschlossen sein bzw. auf der Platine kurzgeschlossen werden (siehe
Die Aufteilungen der Wicklungen der sekundärseitigen Spule 1218 in mehrere Kammern 1224-1,1224-2,1224-3, die voneinander isoliert sind, ermöglicht es, die Potentialunterschiede zwischen den Wicklungslagen zu reduzieren. Dadurch ist es möglich, die Dicke der Isolierungen um die einzelnen Leiter der sekundärseitigen Spule 1218 zu reduzieren, was wiederum eine kompaktere Bauweise des Transformators 220 ermöglicht. Dadurch ist es auch möglich, den Transformator 220 mit industriellen Prozessen zu fertigen. In zuvor verwendeten, handgefertigten Transformatoren 220 wurden die einzelnen Teilspulen 1218-1, 1218-2 und 1218-3 der sekundärseitigen Wicklungen der Spule 1218 mittels per Hand eingezogener isolierender Folien voneinander isoliert.The division of the windings of the secondary-
Die Ausgänge 1220 (512) und 1222 (514) der sekundärseitigen Spule 1218 geben die in der sekundärseitigen Spule 1218 induzierte Wechselspannung VTrafo des Transformators 220 aus. Die Ausgänge1220 (512) und 1222 (514) der sekundärseitigen Spule 1218 sind mit der Impedanzanpassung 252 und der Hochspannungskaskade 254 verbunden, wie in der
In der in
In einer beispielhaften Ausführungsform des Transformators 220 liegt das Verhältnis der Anzahl der Wicklungen jeder der beiden primärseitigen Spulen 1208 und 1212 des Transformators 220 und der Anzahl der Wicklungen der sekundärseitigen Spule 1218 des Transformators 220 im Bereich einschließlich 0,015 bis einschließlich 0,025. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt dieses Verhältnis 0,02, was einem Multiplikationsfaktor von 1:0,02=50 entspricht. Beispielsweise liegt die Anzahl der Wicklungen der primärseitigen Spulen 1206 und 1212 des Transformators 220 zwischen einschließlich 13 Wicklungen und einschließlich 18 Wicklungen und Anzahl der Wicklungen der sekundärseitigen Spule 1218 des Transformators 220 liegt zwischen einschließlich 700 Wicklungen und einschließlich 800 Wicklungen. In einer beispielhaften Implementierung beträgt die Anzahl der Wicklungen der Spulen 1206 und 1212 jeweils 15 und die Anzahl der Wicklungen der sekundärseitigen Studie 1218 beträgt 750.In an exemplary embodiment of the
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Design einer Platine, die eine erfindungsgemäße am Ansteuerschaltung implementiert. Insbesondere betrifft dieser Aspekt den diskreten Aufbau zumindest des Hochspannungsteils der Ansteuerschaltung 120 auf einer Platine und die Verwendung einer solchen Platine in einem Raumluftreiniger, wobei der Raumluftreiniger einen Elektroabscheider mit einer Emissionselektrode, die aus einer Mehrzahl von Emissionsnadeln gebildet ist und einer der zur Emissionsnadeln in Abstand ausgebildeten, Gegenelektrode, die von einer Flüssigkeit, zumindest teilweise benetzt, vorzugsweise umspült ist, umfasst. Natürlich kann auch die vollständige Ansteuerschaltung diskret aufgebaut sein.
Wie in der
Im oberen Bereich der Platine 1400, der den Hochspannungsbereich 1502 definiert, ist die Hochspannungskaskade 254 der Ansteuerschaltung 120 mittels diskreter Dioden und Kondensatoren realisiert. Der Ausgang der Hochspannungskaskade 254 befindet sich im linken Bereich 1520 des Hochspannungsbereichs 1502. Dort sind somit die höchsten Spannungen zu erwarten. Der Spannungspegel steigt von der Hochspannung VTrafo am Ausgang des Transformators 220 im Hochspannungsbereich 1502 auf den Ausgangswert VPLasma am Ende der Kaskade 254. Die Hochspannungskaskade 254 entspricht in dem Ausführungsbeispiel der Ausgestaltung in
Im Bereich rechts unten in
Ferner ist in der
Wie eingangs erwähnt, ist ein weiterer Aspekt der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in Luftbehandlungsvorrichtung, insbesondere einem Raumluftreiniger mit einem Elektroabscheider, wie er beispielsweise aus der PCT-Anmeldung
Der Raumluftreiniger 1 ist rotationsförmig ausgebildet und umfasst die folgenden Hauptkomponenten: Ein Ansteuerschaltung 120 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, einen Elektroabscheider 3 zum Abscheiden von flüssigen und/oder festen Partikeln aus der zu behandelnden Luft mit einer rotationsförmigen Gegenelektrode 5 (die der Gegenelektrode 140 in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung entspricht) und einer Emissionselektrode 7, die in der beispielhaften Ausführung als ein Array an Emissionselektrodennadeln 9 (die den Emissionselektroden 130 in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung entsprechen) ausgebildet ist, das oberhalb der rotationsförmigen Gegenelektrode 5 angeordnet ist. Die Ansteuerschaltung 120 stellt dem Elektroabscheider eine Gleichspannung VPlasma im Hochspannungsbereich bereit, die an der Gegenelektrode 5 und der Emissionselektrode 7, insbesondere, dem Array an Emissionselektrodennadeln 9, im Betrieb des Raumluftreinigers 1 angelegt und geregelt wird.The
Die Hauptkomponenten des Raumluftreiniger 1 können ferner umfassen: einen Flüssigkeitsspeicher 11; eine mit dem Flüssigkeitsspeicher 11 verbundene Flüssigkeitsförderung 13 zum Benetzen der Gegenelektrode 5 mit Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher 11; eine rotationsförmige Luftführung 15 zum Zuführen der zu behandelnden Luft zu dem Elektroabscheider 3 und zum Weiterführen der von dem Elektroabscheider 3 gereinigten Luft zu einem stromabwärts des Elektroabscheiders 3 im Rotationszentrum des Luftreinigers 1 bzw. der Luftführung 15 angeordneten Umlenkkörper 17, der die gereinigte Luft entgegen der Gravitationsrichtung, also nach oben, umlenkt, um die gereinigte Luft über einen Strömungsauslass 26 wieder in die Umgebung abzuführen; und einen Ventilator 27 zum Erzeugen der Luftströmung durch den Raumluftreiniger 1. Der Ventilator 27 kann von einer Steuereinheit des Raumluftreinigers 1 gesteuert werden.The main components of the
Bei der Ausführung in
Innerhalb des Gehäuses 3 sind sämtliche Komponenten des erfindungsgemäßen Raumluftreinigers 1 aufgenommen beziehungsweise untergebracht. Das Gehäuse 3 kann ferner einen Anschluss für eine externe Gleichspannungsquelle 110 aufweisen, die mittels des Anschlusses (z.B. ein Steckverbinder) mit der Ansteuerschaltung 120 des Raumluftreinigers 1 verbunden werden kann. Vom Grundsatz her wird die zu behandelnde Luft, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 17 versehen ist und welche flüssige und/oder feste Partikel enthält, seitlich über einen Lufteinlass 19 in das Innere des Gehäuses 67 eingeführt und dem Elektroabscheider 5 zugeführt. Nach dem Elektroabscheideprozess werden die abgeschiedenen flüssigen und/oder festen Partikel, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet sind, in einen ebenfalls innerhalb des Gehäuses 67 angeordneten Auffangbehälter 21 abtransportiert, während die bereinigte Frischluft, welche mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist, insbesondere mittels des Umlenkkörpers 17 umgelenkt. Die Luft kann ein Luftnachbehandlungssystem durchlaufen, das beispielsweise einen Ozonfilter umfassen kann, und schließlich verlässt die bereinigte und ggf. im Ozongehalt abgesenkte Reinluft, welche mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist, über den Luftauslass 26, der beispielsweise gitterförmige oder lamellenförmige Austrittsöffnungen 29 aufweisen kann, das Gehäuse 67 beziehungsweise den Raumluftreiniger 1 in Richtung der Umgebung.All components of the
Die Flüssigkeit zur Benetzung der Gegenelektrode 5 wird grundsätzlich mithilfe einer nicht dargestellten Pumpe über eine mit dem Flüssigkeitsspeicher 11 verbundene Leitung 23 aus dem Flüssigkeitsspeicher 11 an eine Oberseite 25 der Gegenelektrode 5 gepumpt. Der Flüssigkeitsspeicher 11 und der Auffangbehälter 21 können dasselbe Bauteil sein oder verschiedene Flüssigkeitsbecken umfassen.The liquid for wetting the
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Raumluftreinigers 1 wird anhand von
Die Luftzuführung 15 definiert eine Luftführungsstruktur 31, die einen gekrümmten Durchgangskanal für die zu behandelnde Luft in das Innere des Raumluftreinigers 1 begrenzt. Der Luftzuführungskanal umfasst eine stromaufwärtige Kanalwand 43, an der die einströmende Luft eine erste Umlenkung um wenigstens 30° in Bezug auf die Einströmrichtung E erfährt. Wie in
Sowohl die stromabwärtige Kanalwand 45 als auch die stromaufwärtige Kanalwand 43 umfassen jeweils eine konvex gekrümmte Strömungsabrisskante 47, 49, an denen die Luftströmung die Kanalwände 43, 45 als freier Strahl in das Innere des Raumluftreinigers verlässt, d.h. ohne weitere strukturelle Führung und/oder Stützung im Verlauf der Strömung. Durch die konvexe Krümmung der Strömungsabrisskanten 49, 47 gehen auch im Bereich des Strömungsaustritts 6 möglichst geringe Strömungsverluste/Druckverluste einher. Im gesamten Verlauf des Luftzuführungskanals kann sich eine laminare Strömung ausbilden, die sich turbulenzfrei und/oder druckverlustfrei ausbreiten kann.Both the
Die Luftzuführung 15 im Bereich des Strömungsaustritts 6 eine Strömungsaustrittsfläche. Diese Strömungsaustrittsfläche ist kleiner als eine durch die Gegenelektrode 5 und die Emissionselektrode 7 begrenzte Abscheideraumquerschnittsfläche, welcher die Höhe bzw. den Abstand zwischen Emissionselektrodennadeln 9 und Gegenelektrode 5 darstellt, angedeutet ist.The
An der Strömungsabrisskante 47, 49, an der die Luft in Richtung des Elektroabscheiders insbesondere in einem freien Strahl, abgegeben wird, ist eine gedachte Verlängerung T der Luftführungsleitfläche über die Strömungsabrisskante hinaus eingezeichnet, die die Emissionselektrodennadeln 9 nicht kreuzt, aber in Richtung der Gegenelektrode 5 orientiert ist und diese kreuzt. Die Strömungsabrisskante 47, 49 hat einen diffusor- und/oder spoilerartigen Effekt auf die Luftströmung und bewirkt eine gezielte Einführung der Luftströmung in den Abscheideraum zwischen Emissionselektrodennadeln 9 und Gegenelektrode 5, denn die erfindungsgemäße Orientierung der Luftführungsleitfläche kann zuverlässig sichergestellt werden, dass die zu behandelnde und zu reinigende Luft größtenteils, insbesondere ausschließlich, in die einen sogenannten Plasmakegel 39 bildende Elektrodenwolke unterhalb der Emissionselektrodennadeln 9 gelangt.At the
Die Gegenelektrode 5 ist, wie bereits oben beschrieben wurde, mit einer Flüssigkeit benetzt, um die aus der Luft abgeschiedenen Partikel aufzufangen und abzutransportieren. Der Abtransport der Partikel ist mittels des Pfeils 20 angedeutet. Die Flüssigkeit rinnt insbesondere gleichmäßig und/oder als beruhigter Flüssigkeitsfilm an der Oberfläche 25 der Gegenelektrode 5, die gemäß der bevorzugten Ausführung eine Trichterform aufweist, in dessen Rotationszentrum und wird schließlich im Auffangbehälter 21 gesammelt. Die zu behandelnde Luft strömt demnach nach Verlassen der Luftführungsstruktur 31 am Strömungsauslass 6 hindernisfrei zunächst durch den Elektroabscheider 3 und schließlich durch den Kondensator 33, dessen Funktionsweise und dessen Aufbau im Folgenden erläutert werden.As already described above, the
Die Emissionselektrode 7 umfasst ein Array an Emissionselektrodennadeln 9, die an einer dem Abscheideraum zwischen Emissionselektrodenadeln 9 und Gegenelektrode 5 abgewandten Rückseite einer den Luftströmungspfad begrenzenden Luftführungswand 35 abgebracht sind. Die Ansteuerschaltung 120 ist mit der Emissionselektrode 7 und der Gegenelektrode 5 leitend verbunden, um eine Hochspannung die an die Emissionselektrode 7 und die Gegenelektrode 5 anzulegen. Die Gegenelektrode 5 ist dabei mit dem Referenzpotential GND der Ansteuerschaltung 120 verbunden. Wie oben ausgeführt, kann die Ansteuerschaltung 120 den von der Emissionselektrode 7 über der Gleichstromplasma zur Gegenelektrode 5 fließenden Plasmastrom regeln, so dass sich der gewünschte Plasmastrom einstellt. Die Luftführungswand 35 ist im Wesentlichen parallel zur Gegenelektrodenkontur ausgebildet und erstreckt sich rotationsförmig von radial außen nach radial innen in Richtung des zentralen Umlenkkörpers 17. Die Luftführungswand 35 ist elektrisch leitfähig und weist stromabwärts des Elektroabscheiders 3, insbesondere der Emissionselektronenadeln 9, einen eine Kondensatorplatte 37 bildenden Abschnitt auf, der an die Ansteuerschaltung 120 angeschlossen ist, und zusammen mit der Gegenelektrode ein elektrisches Hochspannungsfeld F aufbaut (
Im Bereich des Elektroabscheiders 3 erzeugen die Emissionselektrodennadeln dichte Elektronenwolken in Form sogenannter Plasmakegel 39, in denen die in der Luft vorhandenen Partikel elektrisch aufgeladen werden, um die geladenen Partikel 41 aus der Luft zu separieren. Die Abscheidung erfolgt dadurch, dass die geladenen Partikel von der auf Masse liegenden Gegenelektrode 5 entsprechend der technischen Stromrichtung TR angezogen werden. Dadurch, dass erfindungsgemäß herausgefunden wurde, dass die in Strömungsrichtung betrachtete Länge des Elektroabscheiders 3 nicht ausreicht, um zuverlässig und effektiv genug Partikel aus der zu wandelnden Luft abzuscheiden, wird die stromabwärtige Kondensatorplattenanordnung 37 und das darin vorhandene aufgebaute elektrische Hochspannungsfeld F genutzt, um einem negativ geladenen Partikel 41 eine Anziehungskraft FC aufzuerlegen, die bewirkt, dass der elektrisch geladene Partikel 41 in Richtung der Gegenelektrode 5 umgelenkt bzw. abgelenkt wird und schließlich dort von der Flüssigkeitsbenetzung mitgerissen und in den Auffangbehälter 21 abtransportiert wird. Die bereinigte Luft 22 wird über den Umlenkkörper 17 nach vertikal oben hin abgelenkt und schließlich der Umgebung (Bezugszeichen 24) zugeführt.In the area of the
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features disclosed in the above description, the figures and the claims can be important both individually and in any combination for the implementation of the invention in the various embodiments.
Claims (39)
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