БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ Российский патент 2010 года по МПК F24F3/16 

Изобретение относится к технике обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях, не загазованных вредными примесями, 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 биполярные генераторы ионов, содержащие расположенные в продуваемом корпусе коронирующие электроды, подключенные к выходным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения, в которых ионы создают пачками то одного, то другого знака с длительностью пачек от нескольких минут (см., например, US 3936698 A, 03.02.1979) до долей секунд (см., например, RU 42629 U1, 10.12.2004, В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов; или см. RU 2287744 C1, 20.11.2006, В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов).

И хотя эти пакеты разнополярных ионов перемещаются потоком воздуха, процесс рекомбинации ионов из этих пакетов начинается с задержкой, что приводит к образованию большого количества «средних» и «тяжелых» ионов, поскольку время жизни легких ионов лежит в интервале от 10^-4 с до 100 с - это время, в течение которого нерекомбинированный легкий ион обязательно столкнется с крупным конгломератом молекул или ядром конденсации и образует средний или тяжелый ион.

Наиболее близким по технической сущности является биполярный генератор ионов, содержащий последовательно соединенные высокочастотный мультивибратор с регулируемой частотой следования выходных импульсов и формирователь независимо регулируемых по длительности импульсов по фронту и спаду выходных импульсов мультивибратора, расположенные в продуваемом корпусе две одинаковые группы коронирующих и ускоряющих электродов, блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности, включенный своими входами в диагональ мостового переключателя напряжения, установленного между положительной и общей шинами питания, а высоковольтные выходы названного блока подключены к разным группам коронирующих и ускоряющих электродов (см. RU 2301377 C2, 20.06.2007 г., В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов).

Использование прототипа позволяет максимально приблизить качество искусственно ионизированного воздуха к качеству воздуха с естественной ионизацией по таким параметрам как равномерность распределения ионов обоих знаков в окружающем пространстве при минимальном содержании в воздухе «средних» и «тяжелых» ионов.

Недостатком прототипа является сложность его электронной схемы, вызванная наличием вольтодобавочного конденсатора и цепей формирования зарядного тока этого конденсатора. В свою очередь, наличие в прототипе вольтодобавочного конденсатора объясняется отсутствием на рынке во время разработки этого генератора ионов высоковольтных трансформаторов с необходимыми параметрами. Единственным приемлемым трансформатором был тогда телевизионный трансформатор ТВС 90П4 (см. этикетку на этот трансформатор, приложенную к материалам заявки), но его выходное напряжение становилось приемлемым только при его удвоении, для чего и потребовалось вводить вольтодобавочный конденсатор. В настоящее время наши соседи-китайцы заполнили наши рынки специально созданными высоковольтными трансформаторами для ионизаторов воздуха, причем изготовители согласны поставлять трансформаторы с заказанным числом витков в обмотках (см. этикетку на трансформатор FMB-01, приложенную к материалам заявки), что для нашей промышленности просто немыслимо.

Задачей является упрощение схемы электрической биполярного генератора ионов.

Для этого биполярный генератор ионов, содержащий последовательно соединенные высокочастотный мультивибратор с регулируемой частотой следования выходных импульсов и формирователь независимо регулируемых по длительности импульсов по фронту и спаду выходных импульсов мультивибратора, расположенные в продуваемом корпусе две одинаковые группы коронирующих и ускоряющих электродов, блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности, включенный своими входами в диагональ мостового переключателя напряжения, установленного между положительной и общей шинами питания, а высоковольтные выходы названного блока подключены к разным группам коронирующих и ускоряющих электродов, снабжен логическим элементом «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», первый вход которого соединен с выходом мультивибратора, второй вход - с выходом формирователя импульсов, а выход подключен к входу одного из плеч мостового переключателя напряжения, у которого вход второго плеча соединен с выходом мультивибратора, причем оба плеча выполнены по схеме комплементарных эмиттерных повторителей на транзисторах Дарлингтона. Дополнительно к этому, блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности содержит либо один высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к входам блока преобразования, а у вторичной обмотки - начало соединено с общей шиной, а конец - через два встречно подключенных высоковольтных диода соединен с разнополярными выходами блока преобразования, либо два высоковольтных трансформатора, первичные обмотки которых синфазно и параллельно через встречно подключенные к ним диоды соединены с входами блока преобразования, а вторичные обмотки, начала которых подключены к общей шине, вторыми выводами подключены к разнополярным выходам блока преобразования.

Два альтернативных варианта исполнения схемы электрической принципиальной биполярного генератора ионов представлены на фигурах 1 и 2, а на фиг.3 приведены временные характеристики стилизованных импульсов напряжения в различных точках электрических схем по фигурам 1 и 2.

На чертежах приняты следующие стандартные обозначения:

1 - высокочастотный мультивибратор;

2, 3 - инвертора;

4, 13 - времязадающие конденсаторы;

5 - развязывающий резистор;

6, 11, 12 - потенциометры в реостатном включении;

7 - формирователь импульсов;

8, 14 - логические элементы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»;

9, 10, 23, 29 - диоды;

15, 19 - «плечи» мостового переключателя напряжения;

16, 20 - n-р-n-транзисторы Дарлингтона;

17, 21 - р-n-р-транзисторы Дарлингтона;

18 - шина питания;

22 - блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности;

24 и 30 - первичные обмотки трансформаторов, соответственно, 25 и 31;

26 и 32 - вторичные высоковольтные обмотки тех же трансформаторов;

27 и 33 - коронирующие электроды первой и второй групп;

28 - объединенные ускоряющие электроды обоих групп коронирования;

34 - корпус;

35, 36 - высоковольтные диоды;

«А» и «В» - стрелки, указывающие направление неионизированного и ионизированного потоков воздуха, соответственно; точками на схемах показано условное начало обмоток трансформаторов 25 и 31.

На графиках фиг.3 обозначено:

U1 - последовательность импульсов на выходе мультивибратора 1;

U8 - последовательность импульсов на выходе логического элемента 8;

U14 - последовательность импульсов на выходе логического элемента 14;

U24-1 и U24-2 - последовательность импульсов на первичной 24 обмотке трансформатора 25, соответственно, для схем по фигурам 1 и 2;

U30 - последовательность импульсов на первичной 30 обмотке трансформатора 31;

t - время.

Схемы электрические на фигурах 1 и 2 отличаются друг от друга только внутренним содержанием блока преобразования 22, поэтому описание схем будет общим для обоих фигур, а различия будут отмечены в тексте особо.

Мультивибратор 1 имеет стандартную схему (см., например, Р.Мелен, Г.Гарланд. Интегральные микросхемы с КМОП-структурами. М., «Энергия», 1979 г., стр.105-107, рис.6-1) и состоит из последовательно включенных инверторов 2 и 3, времязадающей RC-цепи, состоящей из конденсатора 4 и потенциометра 6, последовательно включенных между выходом и входом инвертора 3, общая точка которых через развязывающий резистор 5 соединена с входом инвертора 2. Потенциометром 6 можно регулировать частоту следования выходных импульсов мультивибратора 1. Выход мультивибратора 1 подключен к входу формирователя импульсов 7, предназначенного для формирования «нечетных» и «четных» импульсов, соответственно, по переднему и заднему фронтам выходных импульсов мультивибратора 1 (подробно такой формирователь описан в патенте на полезную модель RU №48126 U1, 10.09.2005, В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов).

Формирователь импульсов 7 реализован на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 8, первый вход которого подключен к выходу мультивибратора 1, к которому также подключены встречно включенные диоды 9 и 10, соединенные через последовательно установленные с ними потенциометры, соответственно, 11 и 12 с вторым входом логического элемента 8, к которому дополнительно подключен соединенный с общей шиной времязадающий конденсатор 13. Выход мультивибратора 1 и выход логического элемента 8 соединены с разными входами второго логического элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 14, выход которого подключен к входу правого по схеме «плеча» 15 мостового переключателя напряжения, которое представляет собой комплементарный эмиттерный повторитель, собранный на комплементарной паре транзисторов Дарлингтона 16 и 17, установленных между шиной питания 18 и общей шиной. Левое по схеме «плечо» 19 мостового переключателя напряжения выполнено аналогично «плечу» 15 на комплементарной паре транзисторов Дарлингтона 20 и 21, которые включены между шиной питания 18 и общей шиной, а вход «плеча» 19 соединен с выходом мультивибратора 1. В диагональ мостового переключателя напряжения включен своими входами блок преобразования 22, имеющий разное внутреннее содержание на схемах по фигурам 1 и 2.

В блоке преобразования 22 по фиг.1 между его входами включены параллельно две цепи. Первая цепь состоит из последовательно соединенных диода 23 и первичной 24 обмотки высоковольтного трансформатора 25, вторичная высоковольтная обмотка 26 которого своим началом соединена с общей шиной, а высоковольтным выходом через первый выход блока 22 подключена к первой группе коронирующих электродов 27, где ускоряющие электроды 28 подключены к общей шине. Вторая цепь состоит из последовательно соединенных диода 29, включенного встречно диоду 23, и первичной 30 обмотки высоковольтного трансформатора 31, вторичная 32 высоковольтная обмотка которого своим началом подключена к общей шине, а высоковольтным выходом через второй выход блока 22 соединена со второй группой коронирующих электродов 33. Обе группы коронирующих 27 и 33 и ускоряющих 28 электродов размещены в корпусе 34, через который в направлении стрелок «А» продувается неионизированный воздух, а в направлении стрелок «В» выходит ионизированный воздух.

В блоке преобразования 22 по фиг.2 между входами блока включена первичная 24 обмотка высоковольтного трансформатора 25, начало вторичной 26 высоковольтной обмотки которого подключено к общей шине, а высоковольтный выход этой обмотки через встречно включенные высоковольтные диоды 35 и 36 подключен к двум разнополярным выходам блока преобразования 22, соединенным аналогично описанному выше с коронирующими 27 и 33 электродами.

После подачи напряжения питания на шину 18 относительно общей шины и окончания переходных процессов все блоки генератора ионов оказываются в рабочем состоянии. Высокочастотный мультивибратор 1 начинает генерировать непрерывную серию импульсов U1 (здесь и далее при ссылке на вид импульсов см. фиг.3), которые поступают на вход формирователя импульсов 7, где эти импульсы одновременно передаются на первый вход элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 8 и на входы встречно включенных диодов 9 и 10, благодаря которым с помощью потенциометров, соответственно, 11 и 12 формируется зарядный или разрядный токи конденсатора 13, установленного на втором входе элемента 8 «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», обладающего свойством выдавать на своем выходе «единичный» сигнал, если сигналы на его входах различны, и «нулевой» сигнал, если сигналы на его входах одинаковые, т.е. либо «нули», либо «единицы». Поскольку в момент появления импульса U1 на первом входе элемента 8 на его втором входе из-за разряженного конденсатора 13 сигнал равен «нулю», то на выходе элемента 8 появляется «единичный» сигнал U8. В это же время через диод 9 и потенциометр 11 потечет зарядный ток конденсатора 13, благодаря которому потенциал на конденсаторе 13 начнет расти. При достижении потенциалом на конденсаторе 13 уровня срабатывания элемента 8 последний переведет свой выход в «нулевое» состояние, которое будет поддерживаться до окончания импульса на выходе мультивибратора 1. После окончания импульса U1 сигнал на первом входе элемента 8 станет «нулевым», а сигнал на втором входе этого элемента будет оставаться «единичным» до тех пор, пока конденсатор 13 не разрядится через потенциометр 12 и диод 10 до уровня срабатывания элемента 8, после чего последний переведет свой выход в «нулевое» состояние, которое будет поддерживаться до появления нового «единичного» импульса на выходе мультивибратора 1. Описанный процесс формирования импульсов U1 и U8 будет повторяться вплоть до выключения напряжения питания. Длительность «нечетных» (формируемых при «единичном» сигнале на выходе мультивибратора 1) и «четных» (формируемых при «нулевом» сигнале на выходе мультивибратора 1) импульсов U8 можно изменять с помощью потенциометров, соответственно, 11 и 12. Комбинация импульсов U1 и U8, поступающих на разные входы элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 14, определяет вид импульсов U14 на выходе этого элемента, которые управляют состоянием правого по фигурам 1 и 2 «плеча» 15 мостового переключателя напряжения, повторяющего импульсы U14 на своем выходе. В это же время левое «плечо» 19 мостового переключателя напряжения повторяет на своем выходе импульсы U1, поступающие на его вход с выхода мультивибратора 1. Для определенности будем считать за положительное направление протекание тока от начала первичной обмотки, помеченного точкой, высоковольтного трансформатора к ее концу. При этом на высоковольтном выходе будет формироваться положительное высокое напряжение относительно общей шины. Смена направления тока через первичную обмотку трансформатора приведет, естественно, к смене полярности выходного напряжения трансформатора.

С учетом вышесказанного, при «единичном» сигнале U1 на выходе мультивибратора 1 и, соответственно, на выходе переключателя напряжения 19 и при «нулевом» сигнале U14 на выходе элемента 14 и, соответственно, на выходе переключателя напряжения 15 потечет ток от шины питания 18 через открытый транзистор 20, блок преобразования 22 и открытый транзистор 17 на общую шину. При этом в блоке преобразования 22 по фиг.1 этот ток протекает через диод 23 и первичную обмотку 24 трансформатора 25, а в блоке преобразования 22 по фиг.2 ток потечет непосредственно через первичную обмотку 24 трансформатора 25 от начала этой обмотки к ее концу. Этот ток сформирует импульс положительной полярности U24-1 (в схеме по фиг.1) или U24-2 (в схеме по фиг.2) на первичной обмотке 24 трансформатора 25, на вторичной 26 обмотке которого сформируется высоковольтное относительно общей шины напряжение положительной полярности. Это напряжение через левый по фиг.1 выход блока преобразования 22 поступит на первую группу коронирующих электродов 27, а по фиг.2 высоковольтное напряжение с вторичной обмотки 26 будет направлено на левый по схеме выход блока 22 с помощью высоковольтного диода 35 и далее поступит на те же коронирующие электроды 27. За счет игольчатой конструкции электродов 27 и приложенного к ним высокого положительного напряжения между коронирующими 27 и ускоряющими 28 электродами возникнет положительный коронный разряд, при котором от некоторых атомов и молекул продуваемого мимо электродов 27 воздуха будут отрываться электроны, которые осядут на электроды 27, а образовавшиеся в результате отрыва от атомов и молекул электронов положительные ионы будут потоком воздуха выдуваться в окружающее пространство в направлении стрелок «В».

Появление «единичного» импульса U14 на выходе элемента 14 приведет к переходу переключателя напряжения 15 в «единичное» состояние на его выходе. В результате этого за счет запасенной в обмотках трансформатора 25 энергии и наличия паразитных емкостей у этих обмоток на задних фронтах сформированных на этих обмотках импульсов возникнут резко затухающие переходные процессы, коронный разряд погаснет и прекратится образование положительных ионов.

По окончании импульса U1 на выходе мультивибратора 1 первые входы элементов «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 8 и 14 окажутся под «нулевым» потенциалом. Поскольку второй вход элемента 8 находится в это время под «единичным» потенциалом заряженного конденсатора 13, на выходе элемента 8 возникнет «единичный» импульс U8, который, поступив на второй вход элемента 14, будет поддерживать его выход в «единичном» состоянии, вплоть до своего окончания. Длительность импульса U8 будет определяться временем разряда конденсатора 13 через потенциометр 12 и диод 10 до уровня срабатывания элемента 8, после чего этот элемент, а с ним и элемент 14, переведут свои выходы в «нулевое» состояние.

Выходной «нулевой» потенциал U1 мультивибратора 1 поступит также и на вход переключателя напряжения 19, который переведет свой выход в «нулевое» состояние. В результате этого от шины питания 18 через открытый транзистор 16 переключателя 15, блок преобразования 22 и открытый транзистор 21 переключателя 19 на общую шину потечет ток. В блоке преобразования 22 по фиг.1 этот ток пойдет через первичную 30 обмотку высоковольтного трансформатора 31 от ее конца к началу и через диод 29, что будет эквивалентно подаче на первичную 30 обмотку трансформатора 31 отрицательного импульса U30. Это вызовет появление на вторичной 32 обмотке этого трансформатора высоковольтного отрицательного относительно общей шины напряжения, которое через правый по схеме выход блока 22 поступит на вторую группу коронирующих электродов 33 и вызовет появление между этими электродами и ускоряющими электродами 28 отрицательного коронного разряда, при котором истекающие с электродов 33 электроны будут налипать на некоторые атомы и молекулы продуваемого мимо них воздуха, образуя при этом отрицательные ионы. Эти ионы с потоком воздуха будут выноситься в окружающее пространство в направлении стрелок «В».

В блоке преобразования 22 по фиг.2 ток от переключателя 15 к переключателю 19 пойдет через первичную 24 обмотку высоковольтного трансформатора 25 от начала обмотки 24 к ее концу, что эквивалентно подаче на первичную 24 обмотку трансформатора 25 отрицательного напряжения U24-2, а отрицательное высоковольтное напряжение с вторичной 26 обмотки этого трансформатора поступит на коронирующие электроды 33 через высоковольтный диод 36. В остальном процесс образования отрицательных ионов аналогичен описанному.

По окончании импульса U8 выходной сигнал U14 элемента 14 также станет «нулевым» и переведет в «нулевое» состояние выход переключателя 15. Процесс образования отрицательных ионов прекратится так же, как это описано для процесса образования положительных ионов.

Далее с приходом очередного импульса U1 процессы образования положительных и отрицательных ионов будут повторяться аналогично описанному выше.

Поскольку временное и пространственное расстояние между отдельными порциями положительных и отрицательных ионов мало, то эти порции ионов будут быстро перемешиваться за счет турбулентности потока воздуха, создавая равномерное распределение ионов обоих полярностей в окружающем воздухе. При этом концентрация ионов обоих знаков будет определяться производительностью того или иного генератора ионов и положением точки измерения концентрации ионов относительно корпуса генератора ионов.

Качественно процесс образования ионов с помощью двух групп коронирующих электродов и ионный состав воздуха, создаваемый с помощью описанных генераторов ионов, аналогичен тем же процессам, выполняемым с использованием прототипа, но достигается это с помощью значительно более простых электронных средств.

Биполярный генератор ионов предназначен для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков. Генератор ионов состоит из последовательно соединенных мультивибратора, формирователя регулируемых по длительности «нечетных» и «четных» импульсов по переднему и заднему фронтам импульсов мультивибратора, элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», второй вход которого соединен с выходом мультивибратора, а выход - с первым входом мостового переключателя напряжения, подключенного вторым входом к выходу мультивибратора, блока преобразования последовательности однополярных низковольтных «нечетных» и «четных» импульсов в две раздельные последовательности разнополярных высоковольтных импульсов, включенного своими входами в диагональ мостового переключателя напряжения, а разнополярные выходы преобразователя соединены с двумя раздельными группами коронирующих и ускоряющих электродов. Технический эффект - упрощение электронной схемы генератора ионов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Биполярный генератор ионов, содержащий последовательно соединенные высокочастотный мультивибратор с регулируемой частотой следования выходных импульсов и формирователь независимо регулируемых по длительности импульсов по фронту и спаду выходных импульсов мультивибратора, расположенные в продуваемом корпусе две одинаковые группы коронирующих и ускоряющих электродов, блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности, включенный своими входами в диагональ мостового переключателя напряжения, установленного между положительной и общей шинами питания, а высоковольтные выходы названного блока подключены к разным группам коронирующих и ускоряющих электродов, отличающийся тем, что он снабжен логическим элементом «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», первый вход которого соединен с выходом мультивибратора, второй вход - с выходом формирователя импульсов, а выход подключен к входу одного из плеч мостового переключателя напряжения, у которого вход второго плеча соединен с выходом мультивибратора, причем оба плеча выполнены по схеме комплементарных эмиттерных повторителей на транзисторах Дарлингтона.

2. Биполярный генератор ионов по п.1, отличающийся тем, что блок преобразования последовательности «нечетных» и «четных» однополярных низковольтных импульсов в две раздельные последовательности высоковольтных импульсов разной полярности содержит либо один высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к входам блока преобразования, а у вторичной обмотки начало соединено с общей шиной, а конец через два встречно подключенных высоковольтных диода соединен с разнополярными выходами блока преобразования, либо два высоковольтных трансформатора, первичные обмотки которых синфазно и параллельно через встречно подключенные к ним диоды соединены с входами блока преобразования, а вторичные обмотки, начала которых подключены к общей шине, вторыми выводами подключены к разнополярным выходам блока преобразования.