TWI577101B - 數位高週波離子產生裝置 - Google Patents

Description

數位高週波離子產生裝置

本發明是關於一種離子產生裝置，特別是關於一種利用數位方式產生控制訊號以驅動變壓器產生高週波之正離子或負離子之離子產生裝置。

目前，習知的離子產生裝置大略包含下列幾種架構，分別說明如下：

類比IC RC震盪PWM產生器為主頻的類比電路，其為交流高頻昇壓模式，如第8圖所示。其中，此電路每個震盪波之中產生的離子電性都是固定的無法改變，也無法在數個震盪波之中選擇想要的離子電性。同時沒有短路保護電路設計，漏電時無法立刻中斷高壓放電，因此具有相當高的危險性。

MCU 數位電路諧振為主，其為交流高頻昇壓模式，如第9圖所示。其中，此電路每個震盪波之中產生的離子電性都是固定的無法改變，也無法在數個諧振波之中選擇想要的離子電性。有些MCU設計有短路保護電路設計，漏電時可立刻中斷高壓放電，但由於偵測迴路採用類比方式，其反應速度慢且沒有除錯能力，容易誤判導致誤報異常。

低頻類比IC RC震盪PWM產生器為主頻的類比電路，其為2HZ到20HZ之昇壓模式，如第10圖所示。其中，此電路每個震盪波之中產生的離子電性都是固定的無法改變，也無法在數個震盪波之中選擇想要的離子電性，並且功率損失較大，變壓器容易發熱毀壞。同時沒有短路保護電路設計，漏電時無法立刻中斷高壓放電，因此具有相當高的危險性。

MCU數位電路諧振為主，其為交流低頻(2HZ到20HZ)之昇壓模式，如第11圖所示。每個低頻(2HZ到20HZ)波之中產生的 離子電性都是固定的無法改變，也無法在數個低頻(2HZ到20HZ)波之中選擇想要的離子電性。有些MCU設計有短路保護電路設計，漏電時可立刻中斷高壓放電，但由於偵測迴路採用類比方式，其反應速度慢且沒有除錯能力，容易誤判導致誤報異常。

類比IC RC震盪PWM產生器為主頻的類比電路，其藉由交流高頻昇壓後再次倍壓變成直流模式，如第12圖所示。其中，倍壓電路成本高需要多組高壓電容與高壓二極體，由數個諧振波之中利用倍壓電路產生的離子電性都是固定的無法改變，若同時使用2組時，雖然可以數個諧振波之中利用倍壓電路簡易的選擇想要的離子電性，使eV- eV+交互切換，但成本增加約3倍。同時，沒有短路保護電路設計，漏電時無法立刻中斷高壓放電，因此具有相當高的危險性。另外，由於多級倍壓之故 ，輸出效率大約50%左右，效率極差，並且輸出功率無法很大，都被電容限流。

MCU 數位電路諧振為主，其藉由交流高頻昇壓後再次倍壓變成直流模式，如第13圖所示。其中，倍壓電路成本高需要多組高壓電容與高壓二極體，由數個諧振波之中利用倍壓電路產生的離子電性都是固定的無法改變，若同時使用2組時，雖然可以數個諧振波之中利用倍壓電路簡易的選擇想要的離子電性，使eV- eV+交互切換，但成本增加約3倍。另外，由於多級倍壓之故 ，輸出效率大約50%左右，效率極差，並且輸出功率無法很大，都被電容限流。有些MCU設計有短路保護電路設計，漏電時可立刻中斷高壓放電，但由於偵測迴路採用類比方式，其反應速度慢且沒有除錯能力，容易誤判導致誤報異常。

因此，為解決上述問題，對於原有離子產生裝置之設計加以改良，使得其操作當中能選擇想要產生之離子電性，並且有效解決習知裝置所會產生之缺陷，藉此提升整體操作之效率。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種數位高週波離子產生裝置，以解決一般離子產生裝置無法選擇產生離子電性之問題，並具有保護此離子產生裝置之設計。

根據本發明之一目的，提出一種數位高週波離子產生裝置，其包含編譯器、驅動迴路以及保護迴路。其中，編譯器包含產生高週波之正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號之時脈產生器；以及進行操作指令之編程之微處理器，將欲產生之離子種類及離子濃度，藉由編程程式轉換為數位驅動訊號，此數位驅動訊號結合正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號。驅動迴路包含連接於微處理器，接收數位驅動訊號之驅動裝置；連接於驅動裝置之功率開關，由驅動裝置控制功率開關之導通與截止，藉此控制導通之電壓，依照正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號產生正極性電壓或負極性電壓；以及連接於驅動裝置及功率開關之高壓變壓器，藉由正極性電壓及負極性電壓施加於高壓放電針，由高壓放電針產生電暈放電，產生正離子或負離子。連接於微處理器並包含離子感應天線之保護迴路，偵測產生之正離子或負離子之離子濃度，再利用類比至數位轉換器將離子種類及離子濃度轉換成數位偵測訊號，在數位偵測訊號超過或低於預設範圍時，產生斷電訊號以中止繼續施加電壓進行放電。

較佳者，正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號之頻率可為20KHz至150KHz。

較佳者，數位驅動訊號可為連續產生正離子之正離子脈衝訊號或連續產生負離子之負離子脈衝訊號。

較佳者，數位驅動訊號可為交替產生正離子及負離子之正離子脈衝訊號與負離子脈衝訊號之組合。

較佳者，保護迴路可包含回授電容及複數個回授電阻，複數個回授電阻串聯於感應天線，回授電容與複數個回授電阻中之一並聯並連接於微處理器。

承上所述，依本發明之數位高週波離子產生裝置，其可具有一或多個下述優點：

(1) 此數位高週波離子產生裝置能隨著程式改變產生之離子電性，或者在多個震盪波中選擇想要之離子電性，提高裝置之實用性，且提高裝置之轉換效率。

(2) 此數位高週波離子產生裝置能減少材料之使用，避免設置額外之倍壓電路，因而產生較高之零件成本，同時也能減少整體裝置之體積。

(3) 此數位高週波離子產生裝置能偵測離子濃度，轉換成數位偵測訊號，並經由程式分析迅速的判斷數位高週波離子產生裝置是否發生異常，進而提升裝置之安全性及準確性。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參閱第1圖，其係為本發明之數位高週波離子產生裝置之方塊圖。如圖所示，數位高週波離子產生裝置包含編譯器10、驅動迴路20、保護迴路30以及電源供應器40。其中，電源供應器40可提供編譯器10及驅動迴路20之電力，並且提供施加至變壓器之電壓。編譯器10包含時脈產生器100及微處理器101，時脈產生器100可以產生高週波(20KHz~150KHz)之震盪波型。且產生正離子及產生負離子之控制訊號，分別為正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號。微處理器101接受使用者之操作指令，將想要產生之離子種類及離子濃度，藉由微處理器101當中之編程程式，將正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號編程結合成為一個數位驅動訊號。此數位驅動訊號包含了產生正離子及負離子之震盪波型，驅動迴路20依照此數位驅動訊號來產生對應之正離子或負離子。此數位驅動訊號可全部為正離子脈衝訊號或者全部是負離子脈衝訊號，亦可為正離子與負離子交替產生之脈衝訊號。

驅動迴路20包含了驅動裝置200、功率開關201以及高壓變壓器202。其中，驅動裝置200可包含驅動晶片、驅動晶片整流器及驅動晶片電容等。驅動裝置之驅動端可連接功率開關201，功率開關201則連接至高壓變壓器202之感應線圈。驅動裝置200接收了編譯器10之微處理器101傳送之數位驅動訊號後，依照訊號控制功率開關201之導通或截止。功率開關201之導通與否則決定施加至高壓變壓器202之導通電壓。在此，由於數位驅動訊號包含正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號，因此施加至高壓變壓器202之電壓也會有正極性電壓及負極性電壓。高壓變壓器202在施加正極性電壓時產生正離子，在施加負極性電壓時產生負離子，依照數位驅動訊號即可選擇產生所需極性之離子50。

產生之離子50可能為正離子或負離子，產生之離子濃度也依照編寫之訊號內容有所不同。在高壓放電針產生離子50後，保護迴路30之感應天線300可以偵測離子種類及離子濃度，再依據類比轉數位之轉換器將偵測之類比訊號轉換成數位偵測訊號，並且將其回傳至微處理器101。由於微處理器101中有原操作指令所欲達到之離子種類及離子濃度，在回傳之數位偵測訊號超出或低於預設範圍時，可由程式直接判定異常，進而進行異常處理。異常處理最常見即為斷電，微處理器101在數位偵測訊號所代表之離子濃度大幅超過所需濃度時，可傳送斷電訊號至驅動裝置200，由驅動裝置200控制功率開關201關閉，截斷高壓變壓器202之供電而避免持續放電造成整個數位高週波離子產生裝置損毀。另外，保護迴路30也可以在固定時段內沒有達到預定濃度之情況下，經由程式再次傳送所需離子之驅動訊號，以補足所需之離子濃度。

請參閱第2圖，其係為本發明之編譯器之示意圖。如圖所示，數位高週波離子產生裝置之編譯器11可包含時脈產生器110及微處理器111。其中，時脈產生器可以產生0與1之脈衝訊號，而微處理器111則藉由編程程式對脈衝訊號進行編程，產生數位編程訊號112。在本發明中，可以分別設定正離子發射碼及負離子發射碼之參數，例如設定解析度為8位元，則數位之波寬排列組合則為255階，若為16位元則為65535階。依照設定之參數編寫正離子脈衝訊號及負離子脈衝訊號，如圖中所示之正離子發射碼及負離子發射碼，此正離子發射碼及負離子發射碼可傳送至驅動迴路當中，依照0與1 之訊號執行導通及關閉，使電壓能在導通時間內施加於高壓變壓器而分別產生正離子及負離子，如圖中之正離子發射波型113及負離子發射波型114。

請參閱第3圖，其係為本發明之編譯器編程之實施例之示意圖。如圖所示，正離子發射碼與負離子發射碼可以經由微處理器之編程程式進行編程，將原來正離子發射波型113及負離子發射波型114組合成為圖中之各種波型115~124，例如波型115當中，送至驅動迴路之數位驅動訊號為依序產生三個正離子波型及三個負離子波型。亦即，高壓變壓器依此驅動訊號接收導通電壓，讓放電針依序放出三個波型之正極性離子及三個波型之負極性離子。在正離子波型與負離子波型之結合方式上，沒有特定之限制，例如波型116當中，可以在產生1個正離子波型後，連續產生5個負離子波型；也可如波型118，在產生5個正離子波型後，穿插1個負離子波型。或者如波型119中則在2個正離子波型當中插入正負離子平衡之波型；又或者如波型122、123當中形成僅有正離子或僅有負離子之波型。結合之方式依照產生離子之需求來編程，操作者可輕易得到想要之離子極性，例如在需要較多負離子之情況下，可設定如波型117產生較高濃度之負離子，而產生較少之正離子。

上述微處理器中之編程程式，可針對所要產生之離子種類及數量，組合正離子發射碼與負離子發射碼，成為所需之發射碼，例如將操作指令中離子所需數量轉換成複數個0與1的導通訊號，並且選擇正負離子的種類，分別形成正離子發射碼及負離子發射碼，再進一步結合兩個發射碼所對應之發射波形，產生所欲產生之離子發射波形。

請參閱第4圖，其係為本發明之編譯器編程之另一實施例之示意圖。如圖所示，如同前述實施例所示，正離子發射碼與負離子發射碼可以經由微處理器編程，將原來正離子發射波型113及負離子發射波型114組合成為圖中之連續發射波型125、126。在連續發射波型126當中，數位驅動訊號驅動高壓變壓器連續發射正離子，在連續7個正離子波型後才產生1個負離子波型，使得正離子之濃度迅速提高。相對地，在連續發射波型125當中，數位驅動訊號驅動高壓變壓器連續發射負離子，在連續7個負離子波型後才產生1個正離子波型，使得負離子之濃度迅速提高。此驅動方式可連續產生同一極性之離子，迅速提高離子濃度。

請參閱第5圖，其係為本發明之驅動迴路之實施例之示意圖。如圖所示，數位高週波離子產生裝置之驅動迴路21包含第一驅動晶片211及第二驅動晶片212。第一驅動晶片211及第二驅動晶片212分別藉由第一節點n1及第二節點n2連接於編譯器，接收來自編譯器之數位驅動訊號。第一驅動晶片211包含第一功率開關213及第二功率開關214。第一功率開關213與第二功率開關214之控制端連接於第一驅動晶片211，由第一驅動晶片211控制導通與截止；第二控制晶片212包含第三功率開關215及第四功率開關216。第三功率開關215及第四功率開關216之控制端連接於第二驅動晶片212，由第二驅動晶片212控制導通與截止。第一功率開關213及第三功率開關215之輸入端由第三節點n3連接至電源供應器之主電源電壓41a，第二功率開關214之輸入端由第四節點n4連接至電源供應器之驅動晶片電源電壓41b以及第一驅動晶片211，第四功率開關216之輸入端由第五節點n5連接至電源供應器之驅動晶片電源電壓41b以及第二驅動晶片212。第一功率開關213及第二功率開關214之輸出端連接於第六節點n6，第三功率開關214及第四功率開關215之輸出端連接於第七節點n7，第六節點n6與共振電容217及第七節點n7分別連至高壓變壓器218之一次側感應線圈兩端，而高壓變壓器218之二次側則包含高壓放電針219及對地環220。

除了上述電路連接結構外，第一驅動晶片211還包含了第一驅動晶片電容211a、第一驅動晶片整流器211b以及第一高端驅動電容211c。同樣地，第二驅動晶片212還包含了第二驅動晶片電容212a、第二驅動晶片整流器212b以及第二高端驅動電容212c。第一驅動晶片電容211a、第一驅動晶片整流器211b以及第一高端驅動電容211c連接於驅動晶片電源電壓41b與第一驅動晶片211，第二驅動晶片電容212a、第二驅動晶片整流器212b以及第二高端驅動電容212c連接於驅動晶片電源電壓41b與第二驅動晶片212，其連接方式如第5圖所示。上述驅動迴路之電路結構，旨在說明數位高週波離子產生裝置之驅動迴路之實施方式，但本發明不以此為限，其他類似或等效之驅動迴路設計均應包含於本發明之申請專利範圍當中。

請參閱第6圖，其係為本發明之保護迴路之實施例之示意圖。如圖所示，數位高週波離子產生裝置之保護迴路31包含感應天線310、第一至第五回授電阻311~315以及回授電容316，感應天線310與第一至第五回授電阻311~315串聯，並連接至編譯器11之微處理器111，而回授電容316與第五回授電阻315並聯。此電路結構旨在說明偵測離子濃度並回授至微處理器之實施方式，但本發明不以此為限，其他可偵測離子濃度之感應電路均包含於本發明之申請專利範圍當中。在本實施例中，感應天線310可以感應高壓變壓器進行高壓放電產生離子之濃度，亦即感應離子之電場電壓值來作為偵測產生離子濃度之類比訊號。此類比訊號形成為如圖所示之正離子類比訊號波型317或負離子類比訊號波型318，經由類比轉數位之轉換器將此類比訊號轉換成正離子數位偵測訊號319或負離子數位偵測訊號320，並將其傳至微處理器111。微處理器111當中具有原先欲達到之離子種類及離子濃度，因此在收到正離子數位偵測訊號319或負離子數位偵測訊號320後，可以比對是否達到需求之濃度。若是差異超過預定範圍，則判定產生離子裝置發生異常。這裡之比對可藉由程式進行，一有異常馬上送出斷電訊號以停止繼續施加電壓，迅速中止裝置的操作以避免對裝置進一步之損壞。

請參閱第7圖，其係為本發明之操作介面之實施例之示意圖。如圖所示，數位高週波離子產生裝置之操作介面60可包含正離子設定選鈕600、負離子設定選鈕601以及進行離子中和之設定選鈕603，此選鈕可為機械式之轉盤或按鍵，也可為觸控螢幕之圖式，藉由選鈕之操作可以控制數位高週波離子產生裝置產生對應極性之離子。另外在操作介面60上也可包含各種顯示介面，例如各種離子之顯示燈號603或是顯示螢幕604，藉由顯示介面呈現產生離子之狀態，進而掌控裝置之操作狀況。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10、11‧‧‧編譯器
20、21‧‧‧驅動迴路
30、31‧‧‧保護迴路
40‧‧‧電源供應器
41a‧‧‧主電源電壓
41b‧‧‧驅動晶片電源電壓
50‧‧‧離子
60‧‧‧操作介面
100、110‧‧‧時脈產生器
101、111‧‧‧微處理器
112‧‧‧數位編程訊號
113‧‧‧正離子發射波型
114‧‧‧負離子發射波型
115~124‧‧‧波型
125、126‧‧‧連續發射波型
200‧‧‧驅動裝置
201‧‧‧功率開關
202、218‧‧‧高壓變壓器
211‧‧‧第一驅動晶片
211a‧‧‧第一驅動晶片電容
211b‧‧‧第一驅動晶片整流器
211c‧‧‧第一高端驅動電容
212‧‧‧第二驅動晶片
212a‧‧‧第二驅動晶片電容
212b‧‧‧第二驅動晶片整流器
212c‧‧‧第二高端驅動電容
213‧‧‧第一功率開關
214‧‧‧第二功率開關
215‧‧‧第三功率開關
216‧‧‧第四功率開關
217‧‧‧共振電容
219‧‧‧高壓放電針
220‧‧‧對地環
300、310‧‧‧感應天線
311~315‧‧‧回授電阻
316‧‧‧回授電容
317、318‧‧‧類比訊號波型
319、320‧‧‧數位偵測訊號
600~602‧‧‧設定選鈕
603‧‧‧顯示燈號
604‧‧‧顯示螢幕
n1~n7‧‧‧節點

第1圖係為本發明之數位高週波離子產生裝置之方塊圖。

第2圖係為本發明之編譯器之示意圖。

第3圖係為本發明之編譯器編程之實施例之示意圖。

第4圖係為本發明之編譯器編程之另一實施例之示意圖。

第5圖係為本發明之驅動迴路之實施例之示意圖。

第6圖係為本發明之保護迴路之實施例之示意圖。

第7圖係為本發明之操作介面之實施例之示意圖。

第8圖至第13圖係為習知的離子產生裝置之示意圖。

10‧‧‧編譯器

20‧‧‧驅動迴路

30‧‧‧保護迴路

40‧‧‧電源供應器

50‧‧‧離子

100‧‧‧時脈產生器

101‧‧‧微處理器

200‧‧‧驅動裝置

201‧‧‧功率開關

202‧‧‧高壓變壓器

300‧‧‧感應天線

Claims (5)

1. 一種數位高週波離子產生裝置，其包含：一編譯器，其包含：一時脈產生器，該時脈產生器係產生高週波之一正離子脈衝訊號及一負離子脈衝訊號；以及一微處理器，該微處理器藉由一編程程式對一操作指令進行編程，將欲產生之一離子種類及一離子濃度轉換為一數位驅動訊號，該數位驅動訊號結合該正離子脈衝訊號及該負離子脈衝訊號而組合成為一震盪波型；一驅動迴路，其包含：一驅動裝置，係連接於該微處理器，接收該數位驅動訊號；一功率開關，係連接於該驅動裝置，由該驅動裝置控制該功率開關之導通與截止，藉此控制導通之電壓，依照該正離子脈衝訊號及該負離子脈衝訊號產生一正極性電壓或一負極性電壓；以及一高壓變壓器，係連接於該驅動裝置及該功率開關，藉由該正極性電壓及該負極性電壓施加於一高壓放電針，由該高壓放電針產生電暈放電，產生一正離子或一負離子；以及一保護迴路，係連接於該微處理器並包含一離子感應天線，偵測產生之該正離子或該負離子之該離子濃度，再利用一類比至數位轉換器將該離子種類及該離子濃度轉換成一數位偵測訊號，在該數位偵測訊號超過或低於一預設範圍時，產生一斷電訊號以中止繼續施加電壓進行放電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之數位高週波離子產生裝置，其中該正離子脈衝訊號及該負離子脈衝訊號之頻率為20KHz至150KHz。
3. 如申請專利範圍第1項所述之數位高週波離子產生裝置，其中該數位驅動訊號為連續產生該正離子之該正離子脈衝訊號或連續產生該負離子之該負離子脈衝訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之數位高週波離子產生裝置，其中該數位驅動訊號為交替產生該正離子及該負離子之該正離子脈衝訊號與該負離子脈衝訊號之組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之數位高週波離子產生裝置，其中該保護迴路包含一回授電容及複數個回授電阻，該複數個回授電阻串聯於該感應天線，該回授電容與該複數個回授電阻中之一並聯並連接於該微處理器。