БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ Российский патент 2006 года по МПК F24F3/16 

Изобретение относится к технике для обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях и может быть использовано для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков.

Известны различные биполярные генераторы ионов (см., например, авторское свидетельство СССР № 550077 от 3.12.1977 г., Н 05 F 1/00, автор В.П.Реута, или см. авторское свидетельство СССР № 919452 от 8.10.1980 г., F 24 F 3/16, авторы В.П.Реута, В.М.Кондратов). В первом из них для ионизации используется радиоактивный изотоп, что недопустимо в бытовых условиях и там, где нет специальных служб. Во втором генераторе для формирования высоковольтных импульсов используются два поочередно включаемых блокинг-генератора, имеющих, как известно, плохую стабильность частоты при изменении внешней температуры, а также ограниченные возможности при управлении концентрацией ионов.

Наиболее близким по схемному решению является биполярный генератор ионов, содержащий расположенные в продуваемом воздуховоде коронирующие и ускоряющие электроды, подключенные к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, первичная обмотка которого с последовательно соединенным с ней вольтодобавочным конденсатором включена в диагональ мостового переключателя напряжения, соединенного с положительной и общей шинами питания, вход переключателя подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, выполненного, например, на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», первый вход которого соединен с выходом блока управления концентрацией ионов, а второй вход соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, выполненного, например, в виде генератора импульсов с регулируемой скважностью (см. патент на полезную модель №42629 от 20.08.2004 г., 7 F 24 F 3/16, авторы: В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов).

У этого генератора ионов также есть недостатки. Поскольку в нем для создания коронного разряда формируются несимметричные высоковольтные импульсы, у которых обратный выброс примерно равен половине амплитуды полезной части импульса, то возникающее после окончания полезного импульса обратное электрическое поле за счет обратного выброса напряжения тормозит и не выпускает в окружающее пространство заметную часть образовавшихся ионов, снижая эффективность работы генератора ионов, в котором приходится для получения необходимой концентрации ионов увеличивать длительность высоковольтных импульсов, затрачивая на это лишнюю энергию. Дополнительно к этому в прототипе в качестве примера представлен регулятор концентрации ионов, выполненный в виде генератора импульсов с регулируемой скважностью, в котором используется одна времязадающая емкость как для формирования длительности импульсов, так и для формирования частоты следования импульсов, что снижает диапазон регулирования скважности импульсов примерно до 50 из-за ограничений, накладываемых на минимальное и максимальное значения сопротивления во времязадающих цепях. На практике необходим диапазон регулирования скважности импульсов более 100.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы биполярного генератора ионов, а также расширение диапазона регулирования концентрации генерируемых ионов.

Для этого биполярный генератор ионов, содержащий расположенные в продуваемом воздуховоде коронирующие и ускоряющие электроды, подключенные к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, первичная обработка которого с последовательно соединенным с ней вольтодобавочным конденсатором включена в диагональ мостового переключателя напряжения, соединенного с положительной и общей шинами источника питания, вход переключателя подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, выполненного, например, на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», первый вход которого соединен с выходом блока управления концентрацией ионов, а второй вход соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, выполненного, например, в виде генератора импульсов с регулируемой скважностью, снабжен дополнительно переключателем напряжения с тремя состояниями на выходе, выход которого соединен с общей точкой вольтодобавочного конденсатора и первичной обмотки высоковольтного трансформатора, сигнальный вход переключателя, соединенного с вышеназванными шинами питания, соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, а вход управления третьим состоянием подключен к выходу блока управления концентрацией ионов, при этом одно плечо мостового переключателя напряжения, к которому подключен вывод первичной обмотки трансформатора, выполнено также в виде переключателя с тремя состояниями на выходе, сигнальный вход которого подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, а через инвертор - к входу управления второго плеча мостового переключателя напряжения, вход управления третьим состоянием вышеназванного плеча мостового переключателя соединен с выходом блока управления концентрацией ионов и переводится в третье состояние «нулевым» сигналом, в то время как вновь введенный переключатель переводится в третье состояние «единичным» сигналом. Дополнительно к этому блок управления концентрацией ионов выполнен в виде последовательно соединенных мультивибратора с регулируемой частотой импульсов и формирователя импульсов с регулируемой длительностью импульсов, например, в виде элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», первый вход которого соединен с выходом мультивибратора, к которому через потенциатор подсоединен второй вход с установленным на нем конденсатором, подключенным к общей шине, выход названного элемента соединен с первым входом элемента «2И», второй вход которого соединен с выходом мультивибратора, а выход является выходом блока управления концентрацией ионов.

Схема электрическая принципиальная биполярного генератора ионов представлена на фиг.1. На ней принято стандартное обозначение элементов.

Здесь мультивибратор 1 собран на двух последовательно соединенных инверторах 2 и 3, выход второго 3 инвертора через времязадающий конденсатор 4 и развязывающий резистор 5 соединен с входом первого 2 инвертора, а общая точка инверторов 2 и 3 через последовательно соединенные токоограничивающий резистор 6 и потенциометр 7 управления частотой мультивибратора 1 соединена с общей точкой конденсатора 4 и резистора 5. (При необходимости особенности работы такого мультивибратора см. в книге: Р.Мелен, Г.Гарланд. Интегральные микросхемы с КМОП структурами. М., «Энергия», 1979 г., стр.105-107, рис.6-1.) Выход мультивибратора 1 соединен с входом формирователя импульсов 8, к которому подключен первый вход элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 9 и первый вход элемента «2И» 10, а также через потенциометр управления длительностью импульсов 11 подключен второй вход элемента 9, соединенный через времязадающий конденсатор 12 с общей шиной. Выход элемента «2И» 10, являющийся выходом как формирователя импульсов 8, так и всего блока управления концентрацией ионов, состоящего из мультивибратора 1 и формирователя импульсов 8, соединен с входом управления третьим состоянием переключателя напряжения 13 с тремя состояниями на выходе [под третьим состоянием подразумевается выключенное состояние переключателя, когда его выход, являющийся общей точкой двух последовательно соединенных комплементарных транзисторов «Дарлингтона» 14 и 15, подключенных коллекторами между шиной питания 19 и общей шиной, изолирован от шин питания большим внутренним сопротивлением запертых транзисторов 14 и 15 (о транзисторах «Дарлингтона», представляющих собой составные n-р-n или р-n-р транзисторы, у которых между эмиттером и коллектором в обратном направлении включены защитные диоды, см., например: Клод Галле. Полезные советы по разработке и отладке электронных схем. М., «ДМК», 2003 г., стр.63, рис.2.27)]. Этим входом управления являются объединенные первые входы элементов «2ИЛИ-НЕ» 16 и «2ИЛИ» 17, выходы которых соединены, соответственно, с базами транзисторов 14 и 15. Второй вход элемента «2ИЛИ» 17 через инвертор 18 соединен с вторым входом элемента «2ИЛИ-НЕ» 16 и одновременно подключен к сигнальному входу переключателя 13, через который он соединен с первым входом элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20, являющегося переключателем полярности высоковольтных импульсов и, соответственно, переключателем полярности генерируемых ионов. Этот вход дополнительно подключен к выходу блока управления коэффициентом униполярности ионов 21, собранного на двух последовательно соединенных инверторах 22 и 23. Выход инвертора 23, являющийся выходом блока 21, через последовательно соединенные времязадающий конденсатор 24 и развязывающий резистор 25 подключен к входу инвертора 22, а общая точка инверторов 22 и 23 через токоограничивающий резистор 26 соединена со средней точкой потенциометра 27, предназначенного для регулирования коэффициента униполярности ионов. Крайние выводы потенциометра 27 через встречно включенные диоды 28 и 29 подключены к общей точке конденсатора 24 и резистора 25. Выход формирователя импульсов 8 дополнительно подключен к второму входу элемента 20 и к входу управления третьим состоянием переключателя 30, состоящего из последовательно соединенных комплементарных транзисторов «Дарлингтона» 31 и 32, коллекторы которых соединены, соответственно, с шиной питания 19 и общей шиной, а базы подключены, соответственно, к выходам элементов «2И» 33 и «2И-НЕ» 34, первые входы которых объединены и являются входом управления третьим состоянием переключателя 30, а второй вход элемента 33 соединен с выходом элемента 20 и входом инвертора 35, соединенного своим выходом с вторым входом элемента 34 и с входом переключателя 36. Последний представляет собой комплементарный эмиттеральный повторитель на транзисторах «Дарлингтона» 37 и 38, базы которых объединены и являются входом переключателя, соединенного с вольтодобавочным конденсатором 39, а коллекторы транзисторов 37 и 38 подключены, соответственно, к шине питания 19 и общей шине. Второй вывод конденсатора 39 соединен с выходом переключателя 13 и первичной 40 обмоткой трансформатора 41. Второй конец обмотки соединен с выходом переключателя 30. Вторичная высоковольтная 42 обмотка трансформатора 41 одним концом соединена с общей шиной, а вторым - с установленными в продуваемом корпусе 43 коронирующими электродами 44, а ускоряющие электроды 45, выполняемые, как правило, в виде колец, соединены с общей шиной. Стрелками «А» показано направление потока воздуха, продуваемого через корпус-воздуховод 43.

На фиг.2 представлен стилизованный вид импульсов в различных точках схемы по фиг.1. Здесь приняты следующие обозначения:

t - время;

И1, И9, И10 и т. д. - напряжение импульса на выходе узла или блока с соответствующим номером

Заштрихованные зоны на графиках для И13 и И30 обозначают третье состояние на выходе соответствующего переключателя.

Поскольку ток через обмотку 40 трансформатора 41 не может мгновенно увеличиться или упасть до нуля, на импульсах И40 это показано в виде пичков на переднем фронте импульсов и в виде плавного перехода к нулю на заднем фронте.

Работает биполярный генератор ионов следующим образом.

После включения напряжения питания все узлы и блоки переходят (после окончания переходных процессов) в рабочее состояние. Мультивибратор 1 генерирует импульсы И1 с частотой, определяемой емкостью конденсатора 4 и потенциометра 7 с последовательно включенным с ним резистором 6. Эти импульсы поступают на вход формирователя импульсов 8, внутри которого они попадают на первые входы элементов 9 и 10, а через потенциометр 11 - на второй вход элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 9. Поскольку конденсатор 12 разряжен, то на выходе элемента 9 по переднему фронту импульса И1 сформируются импульс И9, длительность которого определяется постоянной времени RC-цепи, состоящей из потенциометра 11, конденсатора 12, а также порогом срабатывания элемента 9 [порог срабатывания КМОП элементов варьирует от 30% до 70% величины И19 (смотри, например: Р.Мелен, Г.Гарланд. Интегральные микросхемы с КМОП структурами. М., «Энергия», 1979 г., стр.107)]. Потенциометром 11 устанавливается необходимая длительность генерируемых формирователем 8 импульсов.

Поскольку на обоих входах элемента «2И» 10 - «единичные» сигналы, то «единичный» импульс И10 появится на выходе элемента «2И» 10 и на выходе формирователя 8. После окончания импульса И1 на выходе мультивибратора 1 «нулевой» сигнал поступит на первый вход элемента 9 и резистора 11.

Поскольку конденсатор 12 заряжен до «единичного» напряжения, на первом входе элемента 9 - «нулевой» сигнал, то на выходе элемента 9 сформируется импульс И9 по заднему фронту импульса И1, который поступит на второй вход элемента «2И» 10, но дальше не пройдет, т.к. элемент 10 заперт для прохождения сигнала «нулевым» сигналом на первом входе. После достижения напряжением на конденсаторе 12 порога срабатывания элемента 9, сигнал на выходе последнего станет «нулевым», а конденсатор 12 разрядится до «нуля». И так будут формироваться импульсы И10 на выходе формирователя импульсов 8 с приходом каждого нового импульса И1. Т.е. из каждой пары импульсов И9 на выход пропускается только один. Сделано это потому, что импульсы И9, формируемые по переднему и заднему фронтам импульса И1, имеют разную длительность, а нам нужны импульсы И10 одинаковой длительности. Если первый вход элемента «2И» 10 подключить к выходу инвертора 2, а не 3, то на выход элемента «2И» 10 будут приходить импульсы И9, сформированные по заднему фронту импульса И1.

Одновременно с генератором 1 работает генератор импульсов с регулируемой скважностью 21, который формирует импульсы И21, частота которых во много раз (как правило, более чем в 10 раз) ниже частоты следования импульсов И1 (генераторы импульсов с регулируемой скважностью, подобные генератору 21, описаны в авторском свидетельстве СССР №1132340 от 28.02.1983 г., Н 03 К 3/02, автор В.П.Реута). В этом генераторе длительность импульса задается RC-цепью, состоящей из емкости конденсатора 24 и последовательно включенных сопротивлений диода 29, правой части потенциометра 27 и резистора 26. Длительность пауз между импульсами задается емкостью конденсатора 24 и последовательно включенными сопротивлениями диода 28, левой части потенциометра 27 и резистора 26. Потенциометром 27 устанавливают необходимое соотношение между длительностями импульсов И21 и пауз между этими импульсами, за счет чего устанавливается количество импульсов И40 положительной и отрицательной полярности, а значит, и коэффициент униполярности ионов, т.е. отношение концентрации ионов положительной полярности к концентрации ионов отрицательной полярности в единице объема воздуха (обычно - в см³).

С выхода блока 21 импульсы И21 поступают на первый вход элемента 20 и на сигнальный вход переключателя 13, на вход управления третьим состоянием которого поступают импульсы И 10, которые одновременно поступают на второй вход элемента 20 «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» и на вход управления третьим состоянием переключателя 30. Наличие «единичного» импульса И21 на входе элемента 20 превращает элемент 20 в инвертор для импульсов И 10. Его выходные импульсы И20 поступают на сигнальный вход переключателя 30, а через инвертор 35 переключателя 30 - на вход управления переключателя 36. Совместное воздействие импульсов И 10 и И21 приводит к тому, что:

а) при наличии «единичного» импульса И21 и «единичного» импульса И 10 переключатель 13 переходит в третье состояние (заштрихованные зоны на диаграмме И13);

переключатель 36 повторяет на своем выходе импульсы И 10 в виде импульсов И36;

переключатель 30 инвертирует импульсы И 10, превращая их в "нулевые" импульсы И30;

на первичной обмотке 40 трансформатора 41 формируются положительные импульсы И40 с амплитудой, почти в два раза большей величины напряжения питания И 19 за счет суммирования напряжения питания И 19 с напряжением заряда конденсатора 39 (на фиг.2 диаграммы импульсов представлены как вырезка во времени, а не с нулевого момента включения, при котором первый импульс И40 будет иметь амплитуду, примерно равную И19);

передний фронт импульса И40 имеет выброс за счет ЭДС самоиндукции обмотки 40 трансформатора 41, т.к. ток через индуктивность не может мгновенно нарастать;

с вторичной обмотки 42 трансформатора 41 высоковольтные импульсы, похожие по форме на импульсы И40, поступают на размещенные в продуваемом воздуховоде 43 коронирующие электроды 44 относительно ускоряющих электродов 45, что приводит к образованию коронного разряда между этими электродами и образованию в воздухе у электродов 44 положительных ионов, которые уносятся потоком воздуха в окружающее пространство по направлению стрелок «А».

b) При «единичном» И21 и переходе И10 в «нулевое» состояние импульс И20 перейдет в «единичное» состояние;

в переключателе 13 откроется транзистор 14 и появится «единичный» импульс И13;

в переключателе 36 закроется транзистор 37 и откроется транзистор 38, в результате чего через транзистор 14, конденсатор 39 и транзистор 38 потечет ток заряда конденсатора 39, который зарядится до напряжения И19;

переключатель 30 перейдет в третье состояние (заштрихованная зона на диаграмме для И30);

поскольку ток через обмотку 40 трансформатора 41 не может мгновенно прекратиться, то он потечет, не меняя направление от шины питания 19 через транзистор 14, обмотку 40 и диод между эмиттером и коллектором закрытого транзистора 31 к шине 19, уменьшаясь до нуля, что отмечено плавным спадом заднего фронта импульса И40;

прекратится излучение положительных ионов.

Процессы по пунктам а) и b) будут далее повторяться до тех пор, пока импульс И21 не перейдет в нулевое состояние.

После этого, как видно из диаграмм фиг.2, сменится полярность импульсов И20, И13, И36, И30 и, соответственно, И40. Это приведет к смене полярности импульсов между коронирующими 44 и ускоряющими 45 электродами. За счет отрицательной короны у электрода 44 начнут образовываться отрицательные ионы, которые будут уноситься потоком воздуха в окружающее пространство до тех пор, пока импульс И2 вновь не станет «единичным». Далее повторится процесс образования положительных ионов.

Из описанного видно, что процесс заряда и перезаряда конденсатора 39 происходит не через обмотку 40, как это делается в прототипе, а через переключатель 13. Поэтому импульсы И40 и высоковольтные импульсы не имеют обратных выбросов, и все образовавшиеся ионы уходят с потоком воздуха в окружающее пространство, что повышает эффективность работы и КПД генератора ионов.

Применение в блоке управления концентрацией ионов последовательно соединенных мультивибратора с регулируемой частотой и формирователя импульсов с регулируемой длительностью импульсов, имеющих независимые времязадающие RC-цепи, позволяет изменять скважность импульсов практически в любых пределах от величины, несколько большей двух, и до величин, превышающих тысячу. Это важно при генерировании малых концентраций ионов, в то время как прототип хорошо работает только при средних и больших концентрациях ионов.

Генератор предназначен для обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях. Генератор содержит расположенные в продуваемом воздуховоде коронирующие и ускоряющие электроды, подключенные к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, первичная обмотка которого с последовательно соединенным с ней вольтодобавочным конденсатором включена в диагональ мостового переключателя напряжения, соединенного с положительной и общей шинами источника питания, вход переключателя подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, выполненного, например, на логическом элементе "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", первый вход которого соединен с выходом блока управления концентрацией ионов, а второй вход соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, выполненного, например, в виде генератора импульсов с регулируемой скважностью, снабжен дополнительно переключателем напряжения с тремя состояниями на выходе, выход которого соединен с общей точкой соединения первичной обмотки трансформатора и вольтодобавочного конденсатора, сигнальный вход переключателя, соединенного с вышеназванными шинами питания, соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, при этом одно плечо мостового переключателя напряжения, к которому подключен вывод первичной обмотки трансформатора, выполнено также в виде переключателя с тремя состояниями на выходе, вход которого подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, а через инвертор - к входу управления второго плеча мостового переключателя, вход управления третьим состоянием вышеназванного плеча мостового переключателя соединен с выходом блока управления концентрацией ионов и переводится в третье состояние "нулевым" сигналом, в то время как вновь введенный переключатель переводится в третье состояние "единичным" сигналом. Технический результат - расширение диапазона регулирования концентрации генерируемых ионов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биполярный генератор ионов, содержащий расположенные в продуваемом воздуховоде коронирующие и ускоряющие электроды, подключенные ко вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, первичная обмотка которого с последовательно соединенным к ней вольтодобавочным конденсатором включена в диагональ мостового переключателя напряжения, соединенного с положительной и общей шинами источников питания, вход переключателя подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, выполненного, например, на логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом блока управления концентрацией ионов, а второй вход соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, выполненного, например, в виде генератора импульсов с регулируемой скважностью, отличающийся тем, что он снабжен дополнительно переключателем напряжения с тремя состояниями на выходе, выход которого соединен с общей точкой вольтодобавочного конденсатора и первичной обмотки высоковольтного трансформатора, сигнальный вход переключателя, соединенного с вышеназванными шинами питания, соединен с выходом блока управления коэффициентом униполярности ионов, а вход управления третьим состоянием подключен к выходу блока управления концентрацией ионов, при этом одно плечо мостового переключателя напряжения, к которому подключен вывод первичной обмотки трансформатора, выполнено также в виде переключателя с тремя состояниями на выходе, сигнальный вход которого подключен к выходу узла управления полярностью высоковольтных импульсов, а через инвертор - ко входу управления второго плеча мостового переключателя, вход управления третьим состоянием вышеназванного плеча мостового переключателя соединен с выходом блока управления концентрацией ионов и переводится в третье состояние "нулевым" сигналом, в то время как вновь введенный переключатель переводится в третье состояние "единичным" сигналом.2. Биполярный генератор ионов по п.1, отличающийся тем, что блок управления концентрацией ионов выполнен в виде последовательно соединенных мультивибратора с регулируемой частотой импульсов и формирователя импульсов с регулируемой длительностью импульсов, например, в виде элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом мультивибратора, к которому через потенциометр подключен второй вход с установленным на нем конденсатором, подключенным к общей шине, выход названного элемента соединен с первым входом элемента 2И, второй вход которого соединен с выходом мультивибратора, а выход является выходом блока управления концентрацией ионов.