臭氧发生器设计报告.doc

华北科技学院课程设计 臭氧发生器课程设计报告目录1、 目录12、 设计要求23、 设计作用、目的24、 设计的具体实现25、 心得及建议136、 附录147、 参考文献15一、设计要求1、 一般室内有人时，进行空气“清新”，采用每个30分钟提供5分钟臭氧，间断工作；室内无人时，进行空气“消毒”，连续提供臭氧1小时，设备具有停机功能。2、 由于臭氧比空气重，在正常使用时一般将发生器放置在高处，需要增加手动切换开关。 2、 设计作用、目的1、 掌握臭氧发生器的设计。2、 熟悉一些常用集成电路的使用方法，并掌握工作原理。3、 提高学生的独立动手能力。三、设计的具体实现1、系统概述（1）主电路由三部分组成。振荡电路，要求振荡频率f为20到30KHz。功率放大电路。升压变压器，将输出电压变到3000V，供给放电器件，这里规定采用电压比为10：3000的高频变压器。沿面放电陶瓷片是利用陶瓷绝缘介质表面上的沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能的器件。沿面放电陶瓷片的结构特点是：电极分别布置在陶瓷基片的两边。正面为放电电极（一般为线状），背面为感应电极（通常为板状），并接地。将不十分高的电压作用在两极上时，由于陶瓷基片的良好绝缘，很难出现放电通道。只有两极间的电压大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限的表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相当于一个极板，在高频高压正弦交流电的作用下，放电电极附近表面处不断地俘获和发射电荷。当电压达到正半周临界起晕电压Uth时，开始放电，正电荷聚向放电极附近的介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传输到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多的正电荷被束缚在介质表面，这一过程一直持续到峰值电压U。放电过程停止，介质表面正电荷并不消失。当电压开始下降时，介质表面正电荷仍不动，放电并不发生，一直持续降到负半周临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面的正电荷离开，负电荷积聚于表面，即电子被加速到很高能量从放电电极传输到介质表面，这一过程持续到负半周峰值电压-Up，放电过程停止。当电压再次升高到正半周临界起晕电压Uth时，正电晕放电又开始，整个放电过程就是这样交替进行的，因此，沿面放电过程就是介质表面的静电平衡状态反复建立和破坏，表面气体的反复击穿而介质表面上反复充放异性电荷的过程。采用高电压下尖端放电或陶瓷沿面放电技术产生臭氧，可以提高效率。本设计实例规定采用200mg/h的陶瓷放电器，型号为N-20。采用小型风机将产生的臭氧从机器内排除。臭氧（O3）是一种强氧化剂，适量臭氧可以起到杀灭环境细菌，净化空气的作用。由于气体可以进入任意缝隙和空间，因此它比紫外线消毒更具有优越性。臭氧还可以用于矿泉水中消毒、游泳池水净化及工业废水处理。但是臭氧稳定性很差，在常温下就可以自行分解为氧气，所以臭氧不能储存，只能边生成边利用。臭氧发生器适用于医院诊室、接待室和家庭。臭氧发生电路图如下： 图1（臭氧发生电路）（2）控制电路设计 “清新”方式：控制振荡器工作5分钟，停止30分钟，如此交替。采用R、C和IC555电路组成多谐振荡电路来控制。清新控制电路图如下: 图2（清新控制电路图）“消毒”方式:控制振荡器连续工作1小时后，停止工作。采用R、C和IC555组成单稳态延时电路。消毒控制电路图如下：图3（消毒控制电路图）两档的切换用开关手动操作。（3）电源电路设计本设计供电电源的电压为交流220V,功率不超过20W。交流220V通过全波整流电路，滤波电路，再通过稳压电路就可以得到稳定的直流电源了。直流电源产生电路图如下：图4（直流电源产生电路图）2、 单元电路设计、仿真与分析“清新”控制电路根据要求采用占空比为1比7的多谐振荡器，即5分钟输出高电平，30分钟处处低电平。交替循环。采用555-VIRTUAL定时器和R1、R2及二极管D1、D2组成振荡电路。刚通电时，由于C1上的电压不能跃变，即TRI角起始为低电平，555定时器位置，OUT管脚呈高电平。晶体管T饱和导通。继电器KA线圈通电，其动合触电闭合，可以接通高频振荡器合功放电源，电路工作，生成臭氧。此后通过R1、D1对C1充电，充电时间为：T充=0.7R1C1=5*60s=300s。当C1上的电压充到阀值电平2/3Vcc时。555定时器复位，OUT管脚呈低电平，三极管T截止，KA线圈失电，动合触点复位断开，停止发生臭氧。在OUT管脚为低电平后，C1通过D2、R1及555定时器内部的放电管放电，放电时间为：T放=0.7R2C1=30*60s=1800s。前面已确定C1为1000pF，则R2=1800/(0.7*1000*10-6)K,标称值为2.7M的电阻、另外，R3为基极限流电阻，D3并联在KA线圈两端，可以在三极管T关断时。形成续流通路，避免晶体管上出现高电压造成击穿，起到保护作用。电路中的C1、C2还起到隔直流的作用。图中555时基电路内部组成大致可以分为：分压器、比较器、R-S触发器、输出级和放电电子开关共5部分组成。 “清新”电路的仿真电路和仿真图如下： 图5（“清新”电路的仿真电路和仿真图）555时基电路的管脚功能和接法如下表：555时基电路的管脚功能和接法表管脚序号管脚标注管脚功能1VSS接地2TRI触发3OUT输出4RST复位5CON控制6THR阀值7DIS放电8正极正极表1清新电路仿真效果图如下：图6（清新电路仿真效果图）“消毒”控制电路为单稳态延迟电路，采用555定时器组成单稳态电路。单稳态电路就像一扇弹簧门，平时该门总是保持着关闭状态，只有在外力的作用下该门才会打开；在全开一段时间后又会自动关闭。通常将关闭状态称为“稳态”，而将从推开门恢复到关闭这一段时间的状态称为“暂稳态”。这就是单稳态电路的通俗描述。单稳态电路的特点主要有以下几个方面： 它有一个稳定的状态和暂稳状态（或称为准稳态）。在无外来脉冲作用时，电路处于稳定状态不变。在外来脉冲的作用下，电路可由稳定状态翻转为暂稳状态，经过一段时间以后，又自动地返回到稳定状态，而暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。555单稳态电路主要由555时基集成电路本身与一RC定时时间常数设定元件两大部分为主组成。可以将555时基电路看做一个特殊的R-S触发器，它的两个输入端的触发电平要求不同，阀值要求也不一样。先取这个特殊的触发器两种状态中的一宗作为单稳态电路的稳态，然后用人工脉冲或人工拨动开关等方法来启动该但稳态电路，使其从原来的稳定状态翻转为暂稳态；当去除脉冲后，电路开始通过定时电阻对定时电容C进行充电，一旦C上所充的电压达到阀值电压时，这一特殊的触发器又会从暂稳态翻转回原来的稳态。上述动作过程中，从暂稳态开始懂啊完全恢复到原来的稳态这段时间，即为暂稳态的时间。如果翻转的时间很快笑道可以省掉时，暂稳态持续的时间仅与定时电路中电阻、电容的实际数值有关，而与555时基电路本身以及触发脉冲无关。触发脉冲仅是启动或开关的作用，至于稳态和暂稳态是高电平还是低电平，则根据电路的要求确定。设计要求单稳态电路的暂态过程为1小时，555定时器的TRI管脚要求低电平触发，因此加了一级晶体管反相器。T1基极加入高电平时555定时器触发，OUT管脚输出高电平（暂态），1小时后则翻转为低电平（稳态）。单稳态的暂态时间为：T=1.1R2C1=3600S。由于延迟时间比较长，C1取值比较大，取C1=2000uF，则R2=3600/(1.1*2000*10-6）=1.63M，取标称值为1.6M。消毒电路图和仿真图如下： 图7（消毒电路图和仿真图） 原理的通过555时基电路输出高低电平来控制继电器K1来实现对臭氧发生器的控制。开关J1断开，J2闭合时的仿真效果图如下：图（开关J1断开，J2闭合时的仿真效果图）此图在没有脉冲的情况下，555时基电路不会使继电器K1导通，要在下一步给电路一个脉冲后才会继电器K1导通，所以以后可以通过手动开关给消毒电路一个脉冲来控制臭氧发生器连续工作1小时后自动停机的功能。开关J1和J2闭合再断开J1后的仿真效果图如图：图9（开关J1和J2闭合再断开J1后的仿真效果图）此图为用一个1V50Hz的交流电压源作为一个脉冲信号，的方针电路。当把这个电路图接入控制臭氧发生电路时就可以控制臭氧发生器连续工作1小时自动停机的作用。“臭氧发生”电路是震荡、功放、升压和放电部分组成多谐振荡器。首先确定C1=1000nF。取振荡频率f=25KHz。若R1=428.6k选取标称值为430K，则可计算出R2=2571.4K，选取标称值为2.7M的电阻。三极管T选用3DD15D或Tip41C。二极管D选用1N4007。其余元件参数为：C2=0.91uF，R3=300。沿面放电陶瓷片是利用陶瓷绝缘介质表面上的沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能的器件。沿面放电陶瓷片的结构特点是：电极分别布置在陶瓷基片的两边。正面为放电电极（一般为线状），背面为感应电极（通常为板状），并接地。将不十分高的电压作用在两极上时，由于陶瓷基片的良好绝缘，很难出现放电通道。只有两极间的电压大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限的表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相当于一个极板，在高频高压正弦交流电的作用下，放电电极附近表面处不断地俘获和发射电荷。当电压达到正半周临界起晕电压Uth时，开始放电，正电荷聚向放电极附近的介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传输到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多的正电荷被束缚在介质表面，这一过程一直持续到峰值电压U。放电过程停止，介质表面正电荷并不消失。当电压开始下降时，介质表面正电荷仍不动，放电并不发生，一直持续降到负半周临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面的正电荷离开，负电荷积聚于表面，即电子被加速到很高能量从放电电极传输到介质表面，这一过程持续到负半周峰值电压-Up，放电过程停止。当电压再次升高到正半周临界起晕电压Uth时，正电晕放电又开始，整个放电过程就是这样交替进行的，因此，沿面放电过程就是介质表面的静电平衡状态反复建立和破坏，表面气体的反复击穿而介质表面上反复充放异性电荷的过程。根据沿面放电陶瓷片的工作原理，影响其放电的因素很多，例如，介质材料的绝缘性能、电极的结构配置、电极表面的气体条件以及激励电源的性能参数等。七、八十年代日本人研究表明，沿面放电器件的材料选用钨电极和AL203陶瓷基片较好，因为钨的热膨胀系数与AL203陶瓷相近，受热后电极不会与陶瓷脱开，同时，陶瓷基片具有较好的绝缘性和机械强度。所以，这种沿面放电器件有良好的电、机械、热和化学性能。然而，制造性能优良的臭氧发生器，除合理选用臭氧陶瓷器件外，还必须注重各方面的影响因素。放电能量随供电电压峰值Upp的增大而增大，同时放电发光长度也随Upp的增大而加长，一般在空气中，当Upp为6-8KV时，放电发光长度为2.5-3.4mm，所以，Upp越高，臭氧产量越高。沿面放电器件的临界起晕电压Uth值是供电频率f的函数，f越大，Uth越低，即在高频条件下，沿面放电陶瓷片具有更低的起始工作电压，有利于臭氧产率的提高。临界起晕电压Uth还与气体条件有关，不同的气源和工作环境，会影响Uth的大小和放电过程进行的完善程度，可直接影响臭氧产量。沿面放电陶瓷片在未放电时，表现为纯电容性质，介质表面充电面积越大，则电容越大。当放电时，器件可表现出电阻和电容二重性，它的特性除与充电面积有关，还受放电过程气源和工作环境(温度、湿度等)的影响，所以，沿面放电器件的阻容特性是动态的，在配置供电电源时，必须注意要适应它在不同使用条件下的阻容特性。在高频高压放电的情况下，即使放电电极是钨烧结体，也难免电极材料的氧化和迁移。解决的办法是在放电电极上覆盖一层纳米氧化铝保护层。国外资料表明，氧化铝可大幅提高钨的抗氧化性。我们所做的考核证明了带纳米氧化铝保护层的沿面放电陶瓷片寿命长，臭氧产率稳定。将沿面放电陶瓷片在某些场合使用，譬如用于鸡舍的除味、杀菌消毒时，鸡舍的空气中有较多的氨、硫化氢及水气。陶瓷片放电时，在电极附近可能会合成硫酸、硝酸等产物，对金属电极产生腐蚀。自激振荡的高频高压电源，与沿面放电陶瓷片相匹配，通常是在常温制造、调试的。当进入低温环境时，由于陶瓷片阻容特性的变化，有时会遇到激振不起来的问题。对此，可在发生器启动时，将陶瓷片适当预热，使其很快进入工作状态。一旦正常放电，就可以连续运转。臭氧发生器原理图如下：图10（臭氧发生器原理图）上面电路的谐振频率为f=1.44/(R1+2R2+C1)“直流”电源电路，通过220V50Hz的电源通过全波整流器后通过滤波电路，再通过W7812三端稳压电路对直流进行稳压处理就可以得到12V稳定的直流电源了。随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。W7800、W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 24V 七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。 同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用W7900 系列稳压器。当集成稳压器本身的输出电压或输出电流不能满足要求时，可通过外接电路来进行性能扩展。它有三个引出端输入端（不稳定电压输入端） 标以 “1”输出端（稳定电压输出端） 标以 “3”公共端 标以 “2”除固定输出三端稳压器外，尚有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。本实验通过220V50Hz的电源通过全波整流器后通过滤波电路，再通过W7812三端稳压电路对直流进行稳压处理就可以得到12V稳定的直流电源了。所用集成稳压器为三端固定正稳压器W7812，它的主要参数有：输出直流电压 U012V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R00.15，输入电压UI的范围1517V 。因为一般UI要比 U0大35V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。W7800系列外形及接线图如下：图11（W7800系列外形及接线图）12V稳压直流电路产生图如下：图12（12V稳压直流电路产生图）5） 整体电路,通过三个手动开关来控制臭氧发生器的工作情况的。要使臭氧发生器工作，首先应打开开关J1（电源控制开关)，然后手动切换选择开关J2(空气清新挡或者消毒挡），如果选择的是空气清新，将J2打到空气清新挡即可；如果选择的是消毒，将J2打到消毒后，再按一下J3可打到消毒一小时后自动停机的功能。臭氧发生器总体原理图如下：图13（臭氧发生器总体原理图）四、心得体会及建议在设计的过程中我也不可避免的遇到了很多的问题。尤其是在调试过程中，会因为某些原因出不来结果。通过不断的努力，最后在调试结果出来后，我更是无比的兴奋、无比的自豪。总之，通过这次电子课程设计，我不仅对自己的知识有了更好的掌握和应用，还学会了思考。学会思考是一个高效率的人非常重要的品质，思考是需要走出单纯的知识记忆，培养我们善于联想、敢于判断、勇于创造的新型能力。当我们在做一件事情前、做中和做后都要思考，做前思考是根据以为或者别人的经验进行行为方式的取舍的过程，需要从很多种方案中选取最合适与最有利于事情发展的；做的过程中思考是及时根据具体情景选取进一步处理事务的方法和途径；做后思考是一个总结的过程，学会总结在以后遇到同样或者类似情况时在能得心应手。总之在思考过程中应该注意以下几点：全面考虑，要有很好的全局观；深入专业，不能止于事物表面，要求甚解；寻求规律性的东西，其实万事万物都是有其发展规律的。课程设计是每一个学生必须拥有的一段经历，它使我们在实践中了解社会，让我们学到了很多在课堂上根本就学不到的知识,也打开了视野，增长了见识，为我们以后进一步走向社会打下坚实的基础。我们每一个人永远不能