臭氧發(fā)生器設(shè)計報告

..臭氧發(fā)生器課程設(shè)計報告目錄目錄……………1設(shè)計要求………2設(shè)計作用、目的………………2設(shè)計的具體實現(xiàn)………………2心得及建議……13附錄……………14參考文獻……15一、設(shè)計要求一般室內(nèi)有人時,進行空氣"清新",采用每個30分鐘提供5分鐘臭氧,間斷工作；室內(nèi)無人時,進行空氣"消毒",連續(xù)提供臭氧1小時,設(shè)備具有停機功能。由于臭氧比空氣重,在正常使用時一般將發(fā)生器放置在高處,需要增加手動切換開關(guān)。設(shè)計作用、目的掌握臭氧發(fā)生器的設(shè)計。熟悉一些常用集成電路的使用方法,并掌握工作原理。提高學生的獨立動手能力。三、設(shè)計的具體實現(xiàn)1、系統(tǒng)概述〔1主電路由三部分組成。振蕩電路,要求振蕩頻率f為20到30KHz。功率放大電路。升壓變壓器,將輸出電壓變到3000V,供給放電器件,這里規(guī)定采用電壓比為10：3000的高頻變壓器。沿面放電陶瓷片是利用陶瓷絕緣介質(zhì)表面上的沿面放電,產(chǎn)生低溫等離子體來實現(xiàn)臭氧發(fā)生功能的器件。沿面放電陶瓷片的結(jié)構(gòu)特點是：電極分別布置在陶瓷基片的兩邊。正面為放電電極〔一般為線狀,背面為感應(yīng)電極〔通常為板狀,并接地。將不十分高的電壓作用在兩極上時,由于陶瓷基片的良好絕緣,很難出現(xiàn)放電通道。只有兩極間的電壓大于某臨界值,并以高頻正弦交流電作用時,在放電電極附近有限的表面上進行電暈放電。這時,陶瓷絕緣介質(zhì)表面相當于一個極板,在高頻高壓正弦交流電的作用下,放電電極附近表面處不斷地俘獲和發(fā)射電荷。當電壓達到正半周臨界起暈電壓Uth時,開始放電,正電荷聚向放電極附近的介質(zhì)表面,即電子被加速到很高能量從介質(zhì)表面?zhèn)鬏數(shù)椒烹婋姌O。隨著電壓升高,放電繼續(xù),更多的正電荷被束縛在介質(zhì)表面,這一過程一直持續(xù)到峰值電壓U。放電過程停止,介質(zhì)表面正電荷并不消失。當電壓開始下降時,介質(zhì)表面正電荷仍不動,放電并不發(fā)生,一直持續(xù)降到負半周臨界起暈電壓-Uth,這時放電開始,介質(zhì)表面的正電荷離開,負電荷積聚于表面,即電子被加速到很高能量從放電電極傳輸?shù)浇橘|(zhì)表面,這一過程持續(xù)到負半周峰值電壓-Up,放電過程停止。當電壓再次升高到正半周臨界起暈電壓Uth時,正電暈放電又開始,整個放電過程就是這樣交替進行的,因此,沿面放電過程就是介質(zhì)表面的靜電平衡狀態(tài)反復(fù)建立和破壞,表面氣體的反復(fù)擊穿而介質(zhì)表面上反復(fù)充放異性電荷的過程。采用高電壓下尖端放電或陶瓷沿面放電技術(shù)產(chǎn)生臭氧,可以提高效率。本設(shè)計實例規(guī)定采用200mg/h的陶瓷放電器,型號為N-20。采用小型風機將產(chǎn)生的臭氧從機器內(nèi)排除。臭氧〔O3是一種強氧化劑,適量臭氧可以起到殺滅環(huán)境細菌,凈化空氣的作用。由于氣體可以進入任意縫隙和空間,因此它比紫外線消毒更具有優(yōu)越性。臭氧還可以用于礦泉水中消毒、游泳池水凈化及工業(yè)廢水處理。但是臭氧穩(wěn)定性很差,在常溫下就可以自行分解為氧氣,所以臭氧不能儲存,只能邊生成邊利用。臭氧發(fā)生器適用于醫(yī)院診室、接待室和家庭。臭氧發(fā)生電路圖如下：圖1〔臭氧發(fā)生電路〔2控制電路設(shè)計"清新"方式：控制振蕩器工作5分鐘,停止30分鐘,如此交替。采用R、C和IC555電路組成多諧振蕩電路來控制。清新控制電路圖如下:圖2〔清新控制電路圖"消毒"方式:控制振蕩器連續(xù)工作1小時后,停止工作。采用R、C和IC555組成單穩(wěn)態(tài)延時電路。消毒控制電路圖如下：圖3〔消毒控制電路圖兩檔的切換用開關(guān)手動操作?！?電源電路設(shè)計本設(shè)計供電電源的電壓為交流220V,功率不超過20W。交流220V通過全波整流電路,濾波電路,再通過穩(wěn)壓電路就可以得到穩(wěn)定的直流電源了。直流電源產(chǎn)生電路圖如下：圖4〔直流電源產(chǎn)生電路圖單元電路設(shè)計、仿真與分析"清新"控制電路根據(jù)要求采用占空比為1比7的多諧振蕩器,即5分鐘輸出高電平,30分鐘處處低電平。交替循環(huán)。采用555--VIRTUAL定時器和R1、R2及二極管D1、D2組成振蕩電路。剛通電時,由于C1上的電壓不能躍變,即TRI角起始為低電平,555定時器位置,OUT管腳呈高電平。晶體管T飽和導(dǎo)通。繼電器KA線圈通電,其動合觸電閉合,可以接通高頻振蕩器合功放電源,電路工作,生成臭氧。此后通過R1、D1對C1充電,充電時間為：T充=0.7R1C1當C1上的電壓充到閥值電平2/3Vcc時。555定時器復(fù)位,OUT管腳呈低電平,三極管T截止,KA線圈失電,動合觸點復(fù)位斷開,停止發(fā)生臭氧。在OUT管腳為低電平后,C1通過D2、R1及555定時器內(nèi)部的放電管放電,放電時間為：T放=0.7R2C1前面已確定C1為1000pF,則R2=1800/<0.7*1000*10-6>KΩ,標稱值為2.7MΩ的電阻、另外,R3為基極限流電阻,D3并聯(lián)在KA線圈兩端,可以在三極管T關(guān)斷時。形成續(xù)流通路,避免晶體管上出現(xiàn)高電壓造成擊穿,起到保護作用。電路中的C1、C2還起到隔直流的作用。圖中555時基電路內(nèi)部組成大致可以分為：分壓器、比較器、R-S觸發(fā)器、輸出級和放電電子開關(guān)共5部分組成。"清新"電路的仿真電路和仿真圖如下：圖5〔"清新"電路的仿真電路和仿真圖555時基電路的管腳功能和接法如下表：555時基電路的管腳功能和接法表管腳序號管腳標注管腳功能1VSS接地2TRI觸發(fā)3OUT輸出4RST復(fù)位5CON控制6THR閥值7DIS放電8正極正極表1清新電路仿真效果圖如下：圖6〔清新電路仿真效果圖"消毒"控制電路為單穩(wěn)態(tài)延遲電路,采用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)電路。單穩(wěn)態(tài)電路就像一扇彈簧門,平時該門總是保持著關(guān)閉狀態(tài),只有在外力的作用下該門才會打開；在全開一段時間后又會自動關(guān)閉。通常將關(guān)閉狀態(tài)稱為"穩(wěn)態(tài)",而將從推開門恢復(fù)到關(guān)閉這一段時間的狀態(tài)稱為"暫穩(wěn)態(tài)"。這就是單穩(wěn)態(tài)電路的通俗描述。單穩(wěn)態(tài)電路的特點主要有以下幾個方面：它有一個穩(wěn)定的狀態(tài)和暫穩(wěn)狀態(tài)〔或稱為準穩(wěn)態(tài)。在無外來脈沖作用時,電路處于穩(wěn)定狀態(tài)不變。在外來脈沖的作用下,電路可由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)狀態(tài),經(jīng)過一段時間以后,又自動地返回到穩(wěn)定狀態(tài),而暫穩(wěn)態(tài)時間的長短,與觸發(fā)脈沖無關(guān),僅決定于電路本身的參數(shù)。555單穩(wěn)態(tài)電路主要由555時基集成電路本身與一RC定時時間常數(shù)設(shè)定元件兩大部分為主組成?？梢詫?55時基電路看做一個特殊的R-S觸發(fā)器,它的兩個輸入端的觸發(fā)電平要求不同,閥值要求也不一樣。先取這個特殊的觸發(fā)器兩種狀態(tài)中的一宗作為單穩(wěn)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài),然后用人工脈沖或人工撥動開關(guān)等方法來啟動該但穩(wěn)態(tài)電路,使其從原來的穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)；當去除脈沖后,電路開始通過定時電阻對定時電容C進行充電,一旦C上所充的電壓達到閥值電壓時,這一特殊的觸發(fā)器又會從暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)回原來的穩(wěn)態(tài)。上述動作過程中,從暫穩(wěn)態(tài)開始懂啊完全恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)這段時間,即為暫穩(wěn)態(tài)的時間。如果翻轉(zhuǎn)的時間很快笑道可以省掉時,暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間僅與定時電路中電阻、電容的實際數(shù)值有關(guān),而與555時基電路本身以及觸發(fā)脈沖無關(guān)。觸發(fā)脈沖僅是啟動或開關(guān)的作用,至于穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)是高電平還是低電平,則根據(jù)電路的要求確定。設(shè)計要求單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)過程為1小時,555定時器的TRI管腳要求低電平觸發(fā),因此加了一級晶體管反相器。T1基極加入高電平時555定時器觸發(fā),OUT管腳輸出高電平〔暫態(tài),1小時后則翻轉(zhuǎn)為低電平〔穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時間為：T=1.1R2C1由于延遲時間比較長,C1取值比較大,取C1=2000uF,則R2=3600/<1.1*2000*10-6Ω=1.63MΩ,取標稱值為1.6MΩ。消毒電路圖和仿真圖如下：圖7〔消毒電路圖和仿真圖原理的通過555時基電路輸出高低電平來控制繼電器K1來實現(xiàn)對臭氧發(fā)生器的控制。開關(guān)J1斷開,J2閉合時的仿真效果圖如下：圖〔開關(guān)J1斷開,J2閉合時的仿真效果圖此圖在沒有脈沖的情況下,555時基電路不會使繼電器K1導(dǎo)通,要在下一步給電路一個脈沖后才會繼電器K1導(dǎo)通,所以以后可以通過手動開關(guān)給消毒電路一個脈沖來控制臭氧發(fā)生器連續(xù)工作1小時后自動停機的功能。開關(guān)J1和J2閉合再斷開J1后的仿真效果圖如圖：圖9〔開關(guān)J1和J2閉合再斷開J1后的仿真效果圖此圖為用一個1V50Hz的交流電壓源作為一個脈沖信號,的方針電路。當把這個電路圖接入控制臭氧發(fā)生電路時就可以控制臭氧發(fā)生器連續(xù)工作1小時自動停機的作用。"臭氧發(fā)生"電路是震蕩、功放、升壓和放電部分組成多諧振蕩器。首先確定C1=1000nF。取振蕩頻率f=25KHz。若R1=428.6kΩ選取標稱值為430KΩ,則可計算出R2=2571.4KΩ,選取標稱值為2.7MΩ的電阻。三極管T選用3DD15D或Tip41C。二極管D選用1N4007。其余元件參數(shù)為：C2=0.91uF,R3=300Ω。沿面放電陶瓷片是利用陶瓷絕緣介質(zhì)表面上的沿面放電,產(chǎn)生低溫等離子體來實現(xiàn)臭氧發(fā)生功能的器件。沿面放電陶瓷片的結(jié)構(gòu)特點是：電極分別布置在陶瓷基片的兩邊。正面為放電電極〔一般為線狀,背面為感應(yīng)電極〔通常為板狀,并接地。將不十分高的電壓作用在兩極上時,由于陶瓷基片的良好絕緣,很難出現(xiàn)放電通道。只有兩極間的電壓大于某臨界值,并以高頻正弦交流電作用時,在放電電極附近有限的表面上進行電暈放電。這時,陶瓷絕緣介質(zhì)表面相當于一個極板,在高頻高壓正弦交流電的作用下,放電電極附近表面處不斷地俘獲和發(fā)射電荷。當電壓達到正半周臨界起暈電壓Uth時,開始放電,正電荷聚向放電極附近的介質(zhì)表面,即電子被加速到很高能量從介質(zhì)表面?zhèn)鬏數(shù)椒烹婋姌O。隨著電壓升高,放電繼續(xù),更多的正電荷被束縛在介質(zhì)表面,這一過程一直持續(xù)到峰值電壓U。放電過程停止,介質(zhì)表面正電荷并不消失。當電壓開始下降時,介質(zhì)表面正電荷仍不動,放電并不發(fā)生,一直持續(xù)降到負半周臨界起暈電壓-Uth,這時放電開始,介質(zhì)表面的正電荷離開,負電荷積聚于表面,即電子被加速到很高能量從放電電極傳輸?shù)浇橘|(zhì)表面,這一過程持續(xù)到負半周峰值電壓-Up,放電過程停止。當電壓再次升高到正半周臨界起暈電壓Uth時,正電暈放電又開始,整個放電過程就是這樣交替進行的,因此,沿面放電過程就是介質(zhì)表面的靜電平衡狀態(tài)反復(fù)建立和破壞,表面氣體的反復(fù)擊穿而介質(zhì)表面上反復(fù)充放異性電荷的過程。根據(jù)沿面放電陶瓷片的工作原理,影響其放電的因素很多,例如,介質(zhì)材料的絕緣性能、電極的結(jié)構(gòu)配置、電極表面的氣體條件以及激勵電源的性能參數(shù)等。七、八十年代日本人研究表明,沿面放電器件的材料選用鎢電極和AL203陶瓷基片較好,因為鎢的熱膨脹系數(shù)與AL203陶瓷相近,受熱后電極不會與陶瓷脫開,同時,陶瓷基片具有較好的絕緣性和機械強度。所以,這種沿面放電器件有良好的電、機械、熱和化學性能。然而,制造性能優(yōu)良的臭氧發(fā)生器,除合理選用臭氧陶瓷器件外,還必須注重各方面的影響因素。放電能量隨供電電壓峰值Upp的增大而增大,同時放電發(fā)光長度也隨Upp的增大而加長,一般在空氣中,當Upp為6-8KV時,放電發(fā)光長度為2.5-3.4mm,所以,Upp越高,臭氧產(chǎn)量越高。沿面放電器件的臨界起暈電壓Uth值是供電頻率f的函數(shù),f越大,Uth越低,即在高頻條件下,沿面放電陶瓷片具有更低的起始工作電壓,有利于臭氧產(chǎn)率的提高。臨界起暈電壓Uth還與氣體條件有關(guān),不同的氣源和工作環(huán)境,會影響Uth的大小和放電過程進行的完善程度,可直接影響臭氧產(chǎn)量。沿面放電陶瓷片在未放電時,表現(xiàn)為純電容性質(zhì),介質(zhì)表面充電面積越大,則電容越大。當放電時,器件可表現(xiàn)出電阻和電容二重性,它的特性除與充電面積有關(guān),還受放電過程氣源和工作環(huán)境<溫度、濕度等>的影響,所以,沿面放電器件的阻容特性是動態(tài)的,在配置供電電源時,必須注意要適應(yīng)它在不同使用條件下的阻容特性。在高頻高壓放電的情況下,即使放電電極是鎢燒結(jié)體,也難免電極材料的氧化和遷移。解決的辦法是在放電電極上覆蓋一層納米氧化鋁保護層。國外資料表明,氧化鋁可大幅提高鎢的抗氧化性。我們所做的考核證明了帶納米氧化鋁保護層的沿面放電陶瓷片壽命長,臭氧產(chǎn)率穩(wěn)定。將沿面放電陶瓷片在某些場合使用,譬如用于雞舍的除味、殺菌消毒時,雞舍的空氣中有較多的氨、硫化氫及水氣。陶瓷片放電時,在電極附近可能會合成硫酸、硝酸等產(chǎn)物,對金屬電極產(chǎn)生腐蝕。自激振蕩的高頻高壓電源,與沿面放電陶瓷片相匹配,通常是在常溫制造、調(diào)試的。當進入低溫環(huán)境時,由于陶瓷片阻容特性的變化,有時會遇到激振不起來的問題。對此,可在發(fā)生器啟動時,將陶瓷片適當預(yù)熱,使其很快進入工作狀態(tài)。一旦正常放電,就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。臭氧發(fā)生器原理圖如下：圖10〔臭氧發(fā)生器原理圖上面電路的諧振頻率為f=1.44/<R1+2R2+C1>"直流"電源電路,通過220V50Hz的電源通過全波整流器后通過濾波電路,再通過W7812三端穩(wěn)壓電路對直流進行穩(wěn)壓處理就可以得到12V穩(wěn)定的直流電源了。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小,外接線路簡單、使用方便、工作可靠和通用性等優(yōu)點,因此在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍,基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。集成穩(wěn)壓器的種類很多,應(yīng)根據(jù)設(shè)備對直流電源的要求來進行選擇。對于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說,通常是選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器。而在這種類型的器件中,又以三端式穩(wěn)壓器應(yīng)用最為廣泛。W7800、W7900系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的,在使用中不能進行調(diào)整。W7800系列三端式穩(wěn)壓器輸出正極性電壓,一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V24V七個檔次,輸出電流最大可達1.5A〔加散熱片。同類型78M系列穩(wěn)壓器的輸出電流為0.5A,78L系列穩(wěn)壓器的輸出電流為0.1A。若要求負極性輸出電壓,則可選用W7900系列穩(wěn)壓器。當集成穩(wěn)壓器本身的輸出電壓或輸出電流不能滿足要求時,可通過外接電路來進行性能擴展。它有三個引出端輸入端〔不穩(wěn)定電壓輸入端標以"1"輸出端〔穩(wěn)定電壓輸出端標以"3" 公共端標以"2"除固定輸出三端穩(wěn)壓器外,尚有可調(diào)式三端穩(wěn)壓器,后者可通過外接元件對輸出電壓進行調(diào)整,以適應(yīng)不同的需要。本實驗通過220V50Hz的電源通過全波整流器后通過濾波電路,再通過W7812三端穩(wěn)壓電路對直流進行穩(wěn)壓處理就可以得到12V穩(wěn)定的直流電源了。所用集成穩(wěn)壓器為三端固定正穩(wěn)壓器W7812,它的主要參數(shù)有：輸出直流電壓U0＝＋12V,輸出電流L:0.1A,M:0.5A,電壓調(diào)整率10mV/V,輸出電阻R0＝0.15Ω,輸入電壓UI的范圍15～17V。因為一般UI要比U0大3～5V,才能保證集成穩(wěn)壓器工作在線性區(qū)。W7800系列外形及接線圖如下：圖11〔W7800系列外形及接線圖12V穩(wěn)壓直流電路產(chǎn)生圖如下：圖12〔12V穩(wěn)壓直流電路產(chǎn)生圖整體電路,通過三個手動開關(guān)來控制臭氧發(fā)生器的工作情況的。要使臭氧發(fā)生器工作,首先應(yīng)打開開關(guān)J1〔電源控制開關(guān)>,然后手動切換選擇開關(guān)J2<空氣清新?lián)趸蛘呦緭?如果選擇的是空氣清新,將J2打到空氣清新?lián)跫纯桑蝗绻x擇的是消毒,將J2打到消毒后,再按一下J3可打到消毒一小時后自動停機的功能。臭氧發(fā)生器總體原理圖如下：圖13〔臭氧發(fā)生器總體原理圖四、心得體會及建議在設(shè)計的過程中我也不可避免的遇到了很多的問題。尤其是在調(diào)試過程中,會因為某些原因出不來結(jié)果。通過不斷的努力,最后在調(diào)試結(jié)果出來后,我更是無比的興奮、無比的自豪。總之,通過這次電子課程設(shè)計,我不僅對自己的知識有了更好的掌握和應(yīng)用,還學會了思考。學會思考是一個高效率的人非常重要的品質(zhì),思考是需要走出單純的知識記憶,培養(yǎng)我們善于聯(lián)想、敢于判斷、勇于創(chuàng)造的新型能力。當我們在做一件事情前、做中和做后都要思考,做前思考是根據(jù)以為或者別人的經(jīng)驗進行行為方式的取舍的過程,需要從很多種方案中選取最合適與最有利于事情發(fā)展的；做的過程中思考是及時根據(jù)具體情景選取進一步處理事務(wù)的方法和途徑；做后思考是一個總結(jié)的過程,學會總結(jié)在以后遇到同樣或者類似情況時在能得心應(yīng)手。總之在思考過程中應(yīng)該注意以下幾點：全面考慮,要有很好的全局觀；深入專業(yè),不能止于事物表面,要求甚解；尋求規(guī)律性的東西,其實萬事萬物都是有其發(fā)展規(guī)律的。課程設(shè)計是每一個學生必須擁有的一段經(jīng)歷,它使我們在實踐中了解社會,讓我們學到了很多在課堂上根本就學不到的知識,也打開了視野,增長了見識,為我們以后進一步走向社會打下堅實的基礎(chǔ)。我