БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ

Полезная модель относится к технике обработки воздуха и может быть использовано, в быту, в жилых помещениях, в рабочих помещениях, имеющих компьютерную и телевизионную технику и т.п.
Известны биполярные генераторы ионов (смотри, например, авторское свидетельство СССР №550077 на Генератор ионов, М. Кл. H 05 F 1/00 - не опубликовано). Недостатком известного генератора ионов является наличие в нем в качестве источника ионизации радиоактивного элемента, что делает недопустимым его применение в быту.
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство для ионизации воздуха» по авторскому свидетельству СССР №919452 М.Кл. 3 F 24 F 3/16 (не опубликовано), содержащее расположенные в продуваемом корпусе коронирующие электроды, подключенные к выходной обмотке высоковольтного трансформатора с низковольтной первичной обмоткой, и блок питания.
В этом устройстве для создания высоковольтных импульсов используются два включаемых поочередно блоккинг - генератора, а регулирование концентрации ионов того или иного знака производится путем изменения времени включенного состояния того или иного блоккинг -генератора и времени выключенного состояния обоих блоккинг - генераторов.
К существенным недостаткам прототипа следует отнести сильную зависимость частоты блоккинг - генераторов от внешней температуры (смотри, например, B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. «Энергия», Москва 1972 г., стр. 403), а это значит и зависимость концентрации образуемых ионов от температуры. Вторым недостатком является сложность регулирования режима работы такого устройства из-за прерывистой работы блоккинг - генераторов, приводящей к неравномерной ионизации воздуха, и усложняющей измерения концентрации ионов в воздухе при регулировании режима работы генератора ионов.
Задачей является повышение стабильности работы генератора ионов при изменениях внешней температуры и улучшение регулировочных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что биполярный генератор ионов, содержащий расположенные в продуваемом корпусе коронирующие электроды, подключенные к выходной обмотке высоковольтного трансформатора с низковольтной первичной обмоткой и блок питания, снабжен двумя электронными переключателями, двумя генераторами импульсов с регулируемой скважностью и узлом управления полярностью высоковольтных импульсов, например, в виде логического элемента «исключающее или», входы которого подключены к выходам генераторов импульсов, а выход - ко входам управления электронных переключателей, причем, ко входу управления одного
переключателя он подключен непосредственно, а ко входу другого - через инвертор, выходы электронных переключателей подключены к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, причем один из выходов подключен к указанной обмотке через вольтодобавочный конденсатор, а силовые входы переключателей включены между выходом блока питания и общей шиной.
На чертеже представлен один из возможных вариантов схемной реализации предлагаемого биполярного генератора ионов, где в корпусе 1 размещены коронирующие электроды 2 и 3, вентилятор 4, подключенный к блоку питания 5, а коронирующие электроды 2 и 3 подключены к выходной обмотке 6 высоковольтного трансформатора 7, первичная низковольтная обмотка 8 которого одним концом через вольтодобавочный конденсатор 9 подключена к выходу первого электронного переключателя, собранного на комплементарной паре транзисторов 10 и 11. Второй конец первичной обмотки 8 подключен непосредственно к выходу второго электронного переключателя, собранного на комплементарной паре транзисторов 12 и 13. Первые силовые входы переключателей-коллектора транзисторов 10 и 12 -объединены и подключены к выходу блока питания 5, а вторые силовые входы переключателей - коллектора транзисторов 11 и 13 - подключены к общей шине. Вход управления первого переключателя - объединенные базы транзисторов 10 и 11 - подключен к выходу инвертора 14, вход которого соединен с выходом логического элемента «исключающее или» 15, выполняющего роль узла управления полярностью высоковольтных импульсов напряжения, подаваемых на коронирующие электроды 2 и 3 со вторичной 6 обмотки трансформатора 7. Выход элемента 15 дополнительно подключен ко входу управления второго электронного переключателя, то есть к объединенным базам транзисторов 12 и 13. Первый вход элемента 15 подключен к выходу первого генератора импульсов 16, собранного на двух последовательно включенных инверторах 17 и 18 со сложной времязадающей цепью, состоит из ограничительного резистора 19, потенциометра-регулятора длительности импульсов - 20, потенциометра - регулятора частоты следования импульсов-21, развязывающих диодов 22, 23 и времязадающего конденсатора 24. Эта цепь указанным на чертеже образом, включена между общей точкой инверторов 17 и 18 и выходом инвертора 18, являющегося выходом генератора импульсов 16. Общая точка соединения диодов 22, 23 и конденсатора 24 через развязывающий резистор 25 подключена ко входу инвертора 17. Резистор 19 включен между общей точкой инверторов 17, 18 и средней точкой потенциометра 20, один вывод которого соединен с потенциометром 21, включенным реостатом и через диод 22 подключенным к конденсатору 24. Второй вывод потенциометра 20 через встречновключенный с диодом 22 диод 23 соединен с той же точкой конденсатора 24, куда подключен дополнительно один вывод резистора 25.
Второй вход элемента 15 соединен с выходом второго генератора импульсов 26, собранного на последовательно включенных инверторах 27, 28, общая точка которых через ограничительный резистор 29 соединена со средней точкой потенциометра - регулятора коэффициента униполярности ионов - 30, два крайних вывода которого через встречновключенные диоды 31, 32 подключены к общей точке соединения конденсатора 33 и резистора 34,
вторые концы которых подключены, соответственно, к выходу инвертора 28 и ко входу инвертора 27. Следует сказать, что принцип построения электрических схем генераторов импульсов 16 и 26 подробно описан в авторском свидетельстве СССР №1132340, НОЗК 3/02, опубликованном 30.12.84 г. в Бюл. №48 (автор В.П.Реута), поэтому в дальнейшем тонкости работы этих генераторов описываться не будут, тем более, что генераторы импульсов 16 и 26 могут иметь и совершенно иное схемное решение. Стрелками «А» показано направление потока воздуха, создаваемого вентилятором 4.
Работает биполярный генератор ионов следующим образом. После включения напряжения питания через внутреннюю полость корпуса 1 и коронирующие электроды 2 и 3 вентилятором 4, подключенным к блоку питания 5, продувается воздух в направлении стрелок «А». На коронирующий электрод 2, состоящий, например, из набора иглообразных стержней, со вторичной обмотки 6 трансформатора 7 непрерывно поступают пачки высоковольтных коротких импульсов то положительной, то отрицательной полярности относительно электрода 3, выполненного, например, в виде жестко соединенных друг с другом колец, соосных со стержнями электрода 2. Размеры колец электрода 3, количество пар стержень - кольцо и их взаимное продольное расположение определяются максимально необходимой производительностью генератора ионов и мощностью трансформатора 7. Если на электрод 2, относительно электрода 3, поступают положительные импульсы, то в воздушное пространство потоком воздуха от вентилятора 4 будут выдуваться положительные ионы. При поступлении на электрод 2, относительно электрода 3, отрицательных импульсов в воздушное пространство будут поступать отрицательные ионы.
Длительность высоковольтных коротких импульсов определяет время существования коронного разряда и, соответственно, концентрацию в единице объема воздуха ионов положительной и отрицательной полярности за время существования коротких импульсов. Формирование выходных высоковольтных импульсов, поступающих на коронирующие электроды 2 и 3, производится путем коммутации концов цепочки из последовательно соединенных первичной 8 обмотки трансформатора 7 и вольтодобавочного конденсатора 9 переключателями на транзисторах 10, 11, 12, 13 между выходом блока питания 5 и общей шиной.
Первый электронный переключатель на транзисторах 10, 11 идентичен второму электронному переключателю на транзисторах 12, 13. Оба они представляют собой комплементарные эмиттерные повторители и управляются в противофазе друг другу за счет наличия на входе управления первого переключателя инвертора 14.
Управляющие коммутационные импульсы поступают в противофазе на входы управления электронных переключателей с выхода элемента 15 «исключающее или», выполняющего роль узла управления полярностью высоковольтных импульсов напряжения, поступающие на коронирующие электроды 2 и 3. Для этого используется свойство элемента «исключающее или» повторять на своем выходе полярность и форму импульсов, поступающих на один из его входов, если на втором его входе нулевой сигнал. Если же на этом входе сигнал становится единичным, то элемент работает как
инвертор по первому входу. Роль генератора импульсов, задающего длительность и частоту повторения коротких импульсов, выполняет первый генератор импульсов 16, собранный на двух последовательно соединенных инверторах 17, 18, в которых длительность коротких положительных импульсов на выходе инвертора 18 устанавливается потенциометром 20, а частота повторения этих импульсов - потенциометром 21. Если обозначить:
1
τ - длительность коротких импульсов на выходе инвертора 18;
2
τ- длительность пауз между короткими импульсами,
то:
τ<sub>1</sub>=0,7С<sub>24</sub>(R<sub>19</sub>+R<sub>20a</sub>+R<sub>23</sub>),
τ<sub>2</sub>=0,7С<sub>24</sub>(R<sub>19</sub>+R<sub>20b</sub>+R<sub>21</sub>+R<sub>22</sub>);
24
здесь: С - емкость конденсатора 24 (Фарад);
19
R - сопротивление резистора 19 (Ом);
20a
R - сопротивление левой по схеме части потенциометра 20 (Ом);
20b
R - сопротивление правой части потенциометра 20 (Ом);
21
R - сопротивление потенциометра 21 (Ом);
22
R - сопротивление в прямом направление диода 22 (Ом);
23
R - сопротивление в прямом направление диода 23 (Ом).
Тогда частота следования импульсов Гц
1
1
Частоту f при настройке генератора ионов устанавливают оптимальной для выбранного типа трансформатора 7. Например, если в качестве трансформатора 7 применен строчный трансформатор от любого телевизора, то для него оптимальная частота f=15625 Гц плюс - минус допуск, не ухудшающий режим работы трансформатора.
1
Изменением длительности импульса τ изменяют концентрацию ионов обоих знаков в единице объема воздуха.
21
Роль генератора импульсов, задающего полярность импульсов на выходе элемента 15, выполняет второй генератор импульсов 26, собранный на последовательно соединенных инверторах 27, 28. Его схема и расчет параметров аналогичны вышеописанному, если положить в первом случае R=0.
2
2
1
2
1
В генераторе импульсов 26 потенциометром 30 изменяется скважность импульсов при постоянной частоте следования этих импульсов f. Подбором емкости конденсатора 33 и величины сопротивления потенциометра 30 заранее устанавливают f≪f, например, f меньше f более чем на порядок.
Если при регулировке установить движок потенциометра 30 в среднее положение, то генератор ионов будет излучать одинаковое количество ионов обоих знаков. Изменением положения движка потенциометра 30 управляют коэффициентом униполярности ионов , где:
+
3
n - концентрация положительных ионов в см воздуха;
-
3
n - концентрация отрицательных ионов в см воздуха.
При настройке генератора ионов по счетчику ионов вначале устанавливают необходимый коэффициент униполярности ионов, так как при его изменении меняется концентрация ионов обоих знаков - концентрация одних растет, а других - падает. Затем по счетчику ионов регулируют
потенциометром 20 длительность импульсов на выходе генератора импульсов 16, изменяя, тем самым, концентрацию ионов обоих знаков до нужной величины. В первом приближении коэффициент униполярности ионов при этой регулировке не меняется.
Допустим, что в какой-то момент времени на выходе генераторов импульсов 16 и 26 нулевые сигналы, то есть паузы между импульсами. В этом случае на выходе элемента 15 будет нулевой сигнал, который через инвертор 14 откроет транзистор 10 и закроет транзистор 11, а также закроет транзистор 12 и откроет транзистор 13. В результате нижний по схеме конец первичной обмотки 8 трансформатора 7 окажется соединенным с общей шиной, а конденсатор 9 будет подсоединен к выходу блока питания 5. Через конденсатор 9 и первичную обмотку 8 потечет ток заряда конденсатора, который создаст на выходной обмотке 6 трансформатора 7 экспоненциальный импульс, допустим, отрицательной полярности. Но его амплитуда будет меньше порога коронирования электродов 2 и 3 (это задается величиной напряжения питания, получаемого на выходе блока питания 5).
За время паузы между импульсами конденсатор 9 зарядится до амплитудного значения подаваемого на него напряжения питания. Появление короткого положительного импульса на выходе генератора импульсов 16 вызовет появление такого же по длительности импульса на выходе элемента 15. Этот импульс на время своего существования закроет транзистор 13 и откроет транзистор 12, а через инвертор 14 закроет транзистор 10 и откроет транзистор 11. В результате, к первичной обмотке 8 трансформатора 7 окажется приложенным двойное напряжение питания, обеспечиваемое блоком питания 5 - одно - непосредственно с блока питания 5 приложится к нижнему по схеме выводу обмотки 8, а второе - за счет заряженного конденсатора 9, который окажется подключенным между верхним по схеме выводом обмотки 8 и общей шиной. Через обмотку 8 потечет ток обратного направления, который создаст на выходной обмотке 6 трансформатора 7 положительный импульс напряжения, амплитуда которого будет выше порога коронирования электродов 2 и 3, и в воздухе появятся положительные ионы, которые вентилятором 4 будут выдуваться в окружающее пространство. По окончании импульса на выходе генератора импульсов 16 произойдет переключение первого и второго переключателей на транзисторах 10, 11 и 12, 13 в предыдущее состояние. Начнется новый заряд, вернее - дозаряд конденсатора 9, который за время действия импульса разряжается только частично. Это обеспечивается величиной емкости конденсатора 9 и максимальной длительностью импульса, за время действия которого конденсатор 9 разрядится до уровня, при котором напряжение на обмотке 6 останется выше порога коронирования. Далее этот процесс будет повторяться до тех пор, пока на выходе генератора импульсов 26 не появится положительное напряжение. После этого полярность импульсов и пауз на выходе элемента 15 изменится, то есть во время пауз на выходе элемента 15 будет единичное напряжение, а во время наличия импульсов - нулевое. Это приведет к смене полярности высоковольтных импульсов, подаваемых с обмотки 6 трансформатора 7 на коронирующие электроды 2 и 3. Произойдет это потому, что во время пауз между импульсами заряд конденсатора 9 будет происходить не через транзистор 10 и обмотку 8, а через транзистор 12 и обмотку 8 на общую шину,
то есть на конденсаторе напряжение заряда будет иметь другой знак, а при разряде напряжение питания из блока питания 5 через транзистор 10 сложится с напряжением на конденсаторе 9 и приложится к обмотке 8, нижний конец которой через открытый транзистор 13 будет подключен к общей шине. В результате коронирования электродов 2 и 3 в пространство теперь будут выдуваться вентилятором 4 отрицательные ионы. Это будет продолжаться аналогично вышеописанному до тех пор, пока импульс на выходе генератора импульсов 26 не окончится. Снова начнется образование положительных ионов. И так будет происходить непрерывное излучение то положительных, то отрицательных ионов некоторыми заданными порциями, которые будут сменять друг друга много раз в течение секунды. За пределами корпуса 1 генератора ионов за счет завихрений воздуха, создаваемых вентилятором 4, и за счет конвективных потоков воздуха, будет происходить практически равномерное перемешивание ионов обоих знаков, что снимает проблемы при измерении их количества в единице объема воздуха. А температурная стабильность работы генератора ионов определяется, в основном, только температурной стабильностью примененных в нем времязадающих элементов. И, что немаловажно, предлагаемый генератор ионов позволяет применять для работы любые строчные телевизионные трансформаторы, и не требует изготовления спецтрансформаторов, как это делается при использовании прототипа.