УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА Российский патент 2005 года по МПК C01B13/11 H03K3/353 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания импульсных установок, в частности бытовых генераторов озона.

Известные устройства электропитания бытовых генераторов озона содержат, как правило, высоковольтный импульсный трансформатор, накопительную емкость, балластный резистор, ключевой элемент (тиристор, симистор и т.д.), блок управления ключевым элементом, выпрямительный мост и т.д. /1/. Одним из недостатков этих устройств электропитания генераторов озона является наличие резистивного балласта, на котором выделяется значительная часть потребляемой электрической энергии в виде тепла. Это приводит к снижению КПД устройства электропитания генератора озона, нагреву самого резистивного балласта и других элементов устройства, что, в свою очередь, может привести к нестабильной работе, выходу из строя и возгоранию этих элементов (то есть снижается надежность устройства в целом).

Известно также устройство электропитания бытовых генераторов озона, являющееся наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранное в качестве прототипа, содержащее высоковольтный импульсный трансформатор, в первичной цепи которого расположены диод, накопительная емкость, шунтированная обратным диодом тиристорный ключ, к управляющему электроду которого подключен блок управления тиристорным ключом, выполненное на транзисторах, а к выводам вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора подключен генератор озона /2/.

Среди недостатков данного устройства можно отметить следующие:

- наличие сложного блока управления тиристорным ключом, что является нежелательным в устройствах бытового назначения;

- низкая надежность функционирования этого устройства, что обусловлено следующим обстоятельством. Известно, что во время скачков напряжения электрической сети может произойти самопроизвольное открывание тиристорного ключа. При этом в данном устройстве происходит пробой диода и элементов блока управления тиристорным ключом, что приводит к выходу из строя всего устройства;

- наличие относительно большого количества радиоэлементов, что повышает себестоимость, вероятность отказа, сложность изготовления данного устройства;

- относительно низкое амплитудное значение электрического напряжения на обкладках накопительной емкости. Это, в свою очередь, обусловливает относительно низкую производительность генератора озона, так как величина электрической энергии, накапливаемой на обкладках накопительной емкости и передаваемой генератору озона, пропорциональна квадрату напряжения на этой емкости;

- относительно малая крутизна фронта импульса тока, подаваемого на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. С увеличением этой крутизны увеличиваются КПД высоковольтного импульсного трансформатора и энергетический выход озона /3/;

- относительно малая крутизна фронта выходного импульса высоковольтного импульсного трансформатора, что обусловлено относительно высоким значением межвитковой паразитной емкости витков вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора. Известно, что с увеличением этой крутизны так же увеличивается энергетический выход озона /3/.

Решаемой технической задачей изобретения является упрощение, снижение себестоимости, повышение надежности функционирования, эффективности и КПД устройства электропитания генератора озона, увеличение энергетического выхода озона.

Решение технической задачи в устройстве электропитания генератора озона, содержащем соединенные последовательно высоковольтный импульсный трансформатор и накопительную емкость, к которым параллельно подключены диод и ключевой элемент во взаимно противоположных направлениях, достигается тем, что последовательно к накопительной емкости подключена дополнительная накопительная емкость, одна обкладка которой является выводом для подключения к электрической сети, а ключевым элементом является динистор или тиристор в режиме динистора.

Вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора может быть выполнена из изолированных друг от друга секций, соединенных последовательно.

К тиристору в режиме динистора может быть подключен стабилитрон.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства электропитания генератора озона.

Устройство электропитания генератора озона содержит соединенные последовательно высоковольтный импульсный трансформатор 1 и накопительную емкость 2, к которым параллельно подключены диод 3 и динистор 4 (или тиристор 5 в режиме динистора) во взаимно противоположных направлениях. Последовательно к накопительной емкости 2 подключена дополнительная накопительная емкость 6, одна обкладка которой является выводом для подключения к электрической сети. К тиристору 5 может быть подключен стабилитрон 7. К выводам вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора 1 подключен генератор озона 8.

Устройство электропитания генератора озона работает следующим образом. При включении данного устройства в электрическую сеть в первый полупериод сетевого напряжения (диод 3 открыт) дополнительная накопительная емкость 6 заряжается через диод 3 до амплитудного значения напряжения сети. В следующий полупериод (диод 3 закрыт) напряжения сети и дополнительной накопительной емкости 6 складываются, так как полярность заряда в этой емкости 6 в данный полупериод совпадает с полярностью сети. При этом накопительная емкость 2 заряжается до напряжения отпирания динистора 4 (или тиристора 5). В частности, если в предложенном устройстве использовать динистор 4 с напряжением отпирания, превышающим амплитудное значение напряжения сети примерно в два раза, то и напряжение на обкладках накопительной емкости 2 в момент отпирания динистора 4 будет примерно в два раза выше амплитудного значения напряжения сети, то есть будет в два раза превосходит напряжение на обкладках накопительной емкости прототипа. В процессе отпирания динистора 4 (или тиристора 5) накопительная емкость 2 быстро разряжается через первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора 1. При этом, в случае показанного выше двукратного превышения напряжения на обкладках накопительной емкости 2 над напряжением на обкладках накопительной емкости прототипа, обеспечивается, во-первых, примерно четырехкратное по сравнению с прототипом увеличение энергии, передаваемой генератору озона 8 через высоковольтный импульсный трансформатор 1. Во-вторых, обеспечивается увеличение крутизны фронта импульса тока через первичную обмотку высоковольтного импульсного трансфороматора 1. Одновременно с разряжением накопительной емкости 2 происходит разряжение дополнительной накопительной емкости 6 через динистор 4 (или тиристор 5). При этом разрядные токи накопительной емкости 2 и дополнительной накопительной емкости 6 через динистор 4 (или тиристор 5) складываются, то есть происходит увеличение разрядного тока через динистор 4 (или тиристор 5), что приводит к уменьшению динамического сопротивления р-n переходов динистора 4 (или тиристора 5). Это так же способствует к увеличению крутизны фронта импульса тока через первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора 1 по сравнению с соответствующей характеристикой прототипа. Сформированный таким образом короткий импульс тока в первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора 1 наводит на вторичной обмотке этого трансформатора ЭДС высокого напряжения, обеспечивающее условия для зажигания барьерного разряда в генераторе озона 8. Стабилитрон 7, подключенный к тиристору 5, работающему в режиме динистора, позволяет задать необходимое напряжение открывания этого тиристора 5 и стабилизировать энергию, накапливаемую в накопительной емкости 2.

Пример. В устройстве электропитания генератора озона, изображенном на чертеже, были использованы следующие радиоэлементы: высоковольтный импульсный трансформатор с К=1:100; накопительная емкость 2 с емкостью 0,5 мкФ; диод 3 с I_пр=1 А; динистор 4 с напряжением отпирания 400 В; дополнительная накопительная емкость 6 с емкостью 2,5 мкФ. Для устранения наводок в электрическую сеть устройство подключали через LC-фильтр импульсных помех. Были проведены испытания предложенного устройства и прототипа с использованием в них одних и тех же высоковольтного импульсного трансформатора 1 и накопительной емкости 2. Амплитуда и крутизна фронта выходного импульса напряжения высоковольтного импульсного трансформатора 1 измерялись из осциллограмм соответствующих импульсов. Результаты испытаний показали, что при переходе от прототипа к заявленному устройству происходит увеличение амплитуды и крутизны фронта выходного импульса высоковольтного импульсного трансформатора 1 более чем в 1,7 и 3 раза соответственно. Были также проведены испытания заявленного устройства и прототипа с двумя высоковольтными импульсными трансформаторами 1, имеющими одинаковые сердечники и число витков, но отличающиеся способом намотки этих витков: в первом трансформаторе намотка витков производилась в ряд (навалом), а во втором - в изолированные друг от друга секции, соединенные последовательно. Испытания показали, что как в заявленном устройстве, так и в прототипе при замене первого трансформатора на вторую (то есть при выполнении высоковольтного импульсного трансформатора 1 из изолированных друг от друга секций, соединенных последовательно) происходит увеличение как амплитуды, так и крутизны фронта выходного импульса напряжения высоковольтного импульсного трансформатора 1 примерно в 1,3 раза.

По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство электропитания генератора озона обладает следующими преимуществами:

- меньшее количество используемых в устройстве радиоэлементов, что снижает его себестоимость, делает устройство более простым и компактным, упрощает процесс его изготовления;

- более высокая надежность, что связано с меньшим количеством используемых радиоэлементов и исключением пробоя этих элементов;

- более высокая эффективность. Действительно, как было показано выше, при одинаковых параметрах накопительной емкости и высоковольтного импульсного трансформатора в предложенном устройстве обеспечивается значительное увеличение энергии, передаваемой от электрической сети к генератору озона;

- более высокое значение КПД устройства, что обеспечивается, с одной стороны, отсутствием активных сопротивлений, а с другой - более высокой крутизной фронтов импульса тока через первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора и выходного импульса этого трансформатора. Известно, что с увеличением крутизны этих фронтов повышаются как КПД и эффективность работы высоковольтного импульсного трансформатора, так и эффективность образования озона /3/.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устраняет все перечисленные выше недостатки прототипа и решает поставленную задачу.

Литература

1. Бытовая озонирующая установка "Озонид" ТУ 3468-001-22627662-93.

2. Руденко Б. Озонаторы для дома. - Наука и Жизнь. М.: Правда, 1990, №4, с.112.

3. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ, 1989, 176 с.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания импульсных установок, в частности бытовых генераторов озона. Технический результат - упрощение, снижение себестоимости, повышение надежности функционирования, эффективности и КПД устройства электропитания генератора озона, увеличение энергетического выхода озона. В устройстве электропитания генератора озона, содержащем соединенные последовательно высоковольтный импульсный трансформатор и накопительную емкость, к которым параллельно подключены диод и ключевой элемент во взаимно-противоположных направлениях, последовательно к накопительной емкости подключена дополнительная накопительная емкость, одна обкладка которой является выводом для подключения к электрической сети, а ключевым элементом является динистор или тиристор в режиме динистора. Вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора может быть выполнена из изолированных друг от друга секций, соединенных последовательно. К тиристору в режиме динистора может быть подключен стабилитрон. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство электропитания генератора озона, содержащее соединенные последовательно высоковольтный импульсный трансформатор и накопительную емкость, к которым параллельно подключены диод и ключевой элемент во взаимнопротивоположных направлениях, отличающееся тем, что последовательно к накопительной емкости подключена дополнительная накопительная емкость, одна обкладка которой является выводом для подключения к электрической сети, а ключевым элементом является динистор или тиристор в режиме динистра.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора выполнена из изолированных друг от друга секций, соединенных последовательно.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к тиристору в режиме динистра подключен стабилитрон.