空氣電離器電極驅動電路和方法
2023-05-12 22:06:06
專利名稱：空氣電離器電極驅動電路和方法
技術領域：
本發明一般涉及空氣中負離子的產生。更具體地，本發明涉及用於在控制空氣電離器中的負離子產生水平時使用的電極驅動電路和方法。
背景技術：
最近幾十年以來，已經發現負空氣離子是良好空氣品質的必要組成部分。這些負離子已經表現為對植物、動物及人類具有有益的生理影響。廣泛的研究已經斷定，環境中豐富的負離子能夠提高情緒、改善代謝活動、加快復原以及增加運動員的成績。此外，負離子已經表現為具有重要的空氣淨化功能(例如，去除有害塵埃顆粒)，能夠除味並殺死多種微生物。空氣電離器可以包括一般類型的電極組件，例如在美國專利US 7，365，956 B2中見到的類型；在該專利中，兩個電極分別緊鄰介電材料的隔板的任一側布置。通過施加大約幾kV的高AC電壓來產生負離子。在2008年12月23日提交的本申請人的國際專利申請 PCT/SG2008/000497中公開了電離器電極組件的其他示例，其具有用於加強離子產生的新穎電極結構，在此將該國際專利申請的內容通過參引的方式併入。然而，本發明在其適用範圍方面不限於任何特定形式的電極組件，只要具有被介電材料分開的至少兩個具有任何構型的電極。在常規的空氣電離器中，通常通過改變施加於電極的AC電壓的幅值來控制所產生的負離子的水平。跨兩個電極的電壓與離子的產生率相關。通常，電壓越高，離子產生率則越高。然而，該方法具有兩個主要問題。首先，如果所施加的電壓低於對於特定電極/介電構型的具體激勵閾值，那麼將產生非常少的離子，或者沒有離子產生。其次，如果所施加的電壓超過對於特定電極/介電構型的具體激勵閾值，則可能出現電暈放電，導致臭氧產生的擴大。過多的臭氧產生可對健康具有負面意義。這兩個主要問題將可獲得的離子產生率的變化限制在非常窄的範圍內，並且要求對所施加的電壓的精確控制。然而，如果由電極驅動電路中的電位計來提供電壓控制，則電位計的電阻的容差可以容易地達到+/-20%或更高。這在實現大批量生產的電離器的可預測且可靠的性能時導致嚴重的問題。美國專利申請公開US 2009/0047183 Al公開了一種空氣淨化器裝置，該裝置很好地示出了所施加的電壓如何能夠在離子產生與臭氧產生之間的平衡起決定性作用。該文獻公開了由公共的逆變器電路驅動的負離子發生器和臭氧氣體發生器。由逆變器輸出的AC 電壓幅值在第一值與第二值之間切換，其中所述第一值足以驅動離子發生器但是在臭氧發生器的激勵閾值之下，所述第二值足以啟動兩個發生器。控制電路產生脈衝寬度調製信號， 該脈衝寬度調製信號的佔空比決定來自變壓器的電極驅動輸出的AC電壓幅值。對能夠用來以較小的意外產生臭氧的機會產生豐富的、量可控制的負離子的空氣電離器電極驅動電路和方法存在未實現的需要。考慮到這種需要而研發了本發明。
發明內容
在第一方面，本發明提供一種空氣電離器電極驅動電路，所述驅動電路適於產生用於施加到空氣電離器的電極的驅動電壓，所述驅動電路包括
高壓發生器，所述高壓發生器產生具有預定恆定幅值的AC高壓；和控制器，所述控制器產生被供給到高壓發生器的控制信號；
其中，所述控制信號具有重複的波形，所述波形根據多個預定的佔空比中的一個來接通和斷開高壓發生器，以產生驅動電壓，從而通過控制在波形的每個周期期間產生的負離子的量來控制離子產生。在第二方面，本發明提供一種空氣電離器，其包括電極組件，所述電極組件具有被介電材料分開的至少一對電極；和根據本發明的第一方面的驅動電路，所述驅動電路用於驅動電極，從而產生在能夠由用戶選擇的多個預定水平中的任一個水平處的負離子。在第三方面，本發明提供一種驅動空氣電離器的電極以產生負離子的方法，所述空氣電離器具有被電介質分開的至少一對電極，所述方法包括向電極施加具有預定恆定幅值的AC高壓，所述預定恆定幅值根據多個預定佔空比中的一個被進行脈衝寬度調製，從而通過控制在每個脈衝寬度調製波形周期期間產生的負離子的量來控制離子產生。本發明對現有技術中控制離子產生的方法的上述兩個主要問題提供了有效的解決方案。在本發明中，由高壓發生器輸出具有預定恆定幅值的AC高壓，用於施加到電離器電極。然後使用控制器通過離子產生時間來控制所產生的離子的水平，其中所述控制器以重複的方式接通和斷開電壓發生器。電壓發生器工作的佔空比(即，接通-斷開比)然後決定平均離子產生率。該方法允許從O到100%的範圍的離子產生水平控制。從控制器獲得多個不同的預定佔空比，以使用戶在該範圍內設定不同的離子輸出水平。因此，電極驅動電路的一個實施例還包括用於選擇所述多個預定佔空比中的一個佔空比的用戶可操作輸入裝置。該輸入裝置可包括與諸如LED的一個或多個狀態指示器相關聯的按鈕。所述多個預定佔空比可由對應於低、中、高離子產生水平的三個佔空比構成。在用於家用的空氣電離器中，這三個設定一般是足夠的。然而，不同數量的設定是同樣可能的， 並且處於本發明的範圍內。基於定時而非電壓水平來精確地控制離子的產生的能力允許本發明從基本的住宅應用擴展到需求能夠非常不同的商業應用。在實施例中，AC高壓具有比控制信號的頻率高的頻率。AC高壓可以具有在10 kHz 到100 kHz範圍內的頻率。控制信號可以具有在O. I Hz到500 Hz範圍內的頻率。在電極驅動電路的另一個實施例中，高壓發生器包括振蕩器和使來自振蕩器的電壓輸出倍增的變壓器。控制信號可以接通和斷開振蕩器。在實施例中，振蕩器以大約12 V的供給電壓工作，並且在大約11. 5 V到大約12. 6 V的範圍內適當地工作。控制器可以包括處理器，如微處理器或微控制器。這能夠用來控制空氣電離器的其他特徵。可以通過經驗對電壓將要施加到的特定電極組件確立AC高壓的最佳預定恆定幅值。這將使得所施加的電壓超過特定激勵閾值並處於特定的擊穿閾值之下。AC高壓的預定恆定幅值在I kV到10 kV的範圍內。在一個實施例中，AC高壓在大約2. 5 kV到大約3. 5 kV的範圍內。
當結合附圖進行時，對本發明的優選實施例的以下描述示出了本發明，但本發明不受優選實施例限制。在附圖中，相似的附圖標記用來在多個附圖中指代相似的部分。圖I是根據實施例的空氣電離器電極驅動電路的框圖2是在圖I的電路中使用的高壓發生器的框圖3 (a)至3 (C)示出了根據一個實施例，對於三個不同的離子產生水平，控制信號和電極驅動電壓的第一組示例性波形；
圖4 (a)至4 (C)示出了根據另一個實施例，對於三個不同的離子產生水平，控制信號和電極驅動電壓的第二組示例性波形；
圖5示出了可與圖I的電極驅動電路一起使用、從而組合地實現空氣電離器設備的電極組件的示例；以及
圖6是對根據本發明的離子產生的可控性和根據現有技術的離子產生的可控性進行比較的一組曲線圖。
具體實施例方式圖I是根據實施例的空氣電離器電極驅動電路的框圖。該驅動電路具有兩個主要部件控制器12和高壓發生器16。控制器12處於驅動電路的核心處，並且適當地，控制器 12為微控制器或微處理器，該微控制器或微處理器具有中央處理單元(CPU) 14和相關的支持電路，如處在一個集成電路封裝中的程序存儲器、數據存儲器、振蕩器、定時器和監視器 (watchdog)。用戶輸入通過一個或多個按鈕開關11來進行以控制電離器的功能。這些按鈕開關通過數字輸入接口 13連接於控制器12。在本實施例中，要控制的功能包括離子輸出水平、增壓風扇運行時間及其不同組合。電離器的狀態和工作模式通過諸如LED的功能指示器被適當地顯示，這些功能指示器由控制器12通過數字輸出接口 15來驅動。控制器12還通過接口 15提供用於驅動增壓風扇和裝飾性照明設備的信號。增壓風扇用來推進和增加電極模塊所產生的離子的生產量。裝飾性照明設備可以包括用來增強電離器的物理外觀的LED組。高壓發生器16用來產生驅動電離器的電極以用於負離子產生所需的AC高壓19。 其由控制器12通過提供控制信號17的數字輸出接口 15來控制。高壓發生器16接收來自電壓調節器18的經調節的DC低壓輸入，由此產生AC高壓。圖2是高壓發生器16的框圖。高壓發生器16具有低壓振蕩器21和變壓器22，其中低壓振蕩器21產生低壓AC信號，變壓器22提供達到所需電壓19的電壓倍增，以驅動電離器電極。振蕩器經由被控制信號17控制的開關邏輯23由來自電壓調節器18的經調節的電壓供電。該開關邏輯可以包括簡單的電晶體開關，該電晶體開關被控制信號偏壓，以根據控制信號的水平接通和斷開向振蕩器21的電力供給。由發生器16輸出的AC高壓19具有預定恆定幅值，該預定恆定幅值如前面所述地那樣對於離子產生是最佳的。在當前的實施例中，電壓具有大約2. 5 1^到大約3.5 kV範圍內的大小。更一般地，電壓可以具有I kV到10 kV範圍內的大小。所選擇的實際值將取決於電極和居間的介電層的屬性，例如，它們的尺寸、厚度、以及製成它們的材料。在高壓發生器16中，最終輸出電壓大小由低壓振蕩器21輸出的AC信號的大小以及變壓器22的匝數比來決定。適當地，AC頻率在I kHz到10 kHz的範圍內。現在將參照兩種示例性方案闡述根據本發明的用於離子產生的新穎控制技術。用來接通和斷開高壓發生器的控制信號17是具有固定周期的脈衝寬度調製(PWM)波形的形式。在下面的示例中，周期為O. 25秒。因此，控制信號的頻率為4 Hz0更一般地，控制信號的頻率可以例如在I Hz到10 Hz的範圍內，但是無論如何都低於AC信號頻率。控制器12 以該頻率導通和斷開高壓發生器，以控制離子產生的水平。PWM周期期間的導通/斷開時間比由控制器設定在多個預定值中的一個。由用戶操作一個或多個控制開關11 (圖I)來選擇期望的水平。圖3 (a)至3 (C)示出了第一控制方案，其中，PWM周期被劃分成10個子周期，每個子周期具有O. 025秒的持續時間。每個圖中的上面的圖表示出了控制信號波形，而下面的圖表示出了如控制信號所調製的所施加的AC高壓。該示例具有對應於高、中、低的三個控制水平。圖3 (a)示出了「高」設定，其中，控制信號對於所有10個子周期都為高，即控制信號是恆定的DC水平。因此，AC高壓也是恆定的，並且這自然對應於最大離子產生。圖3 (b)示出了「中」設定，其中，控制信號對於10個子周期中的8個為高，而對於剩下的2個子周期為低。因此，AC高壓以該佔空比被施加於電離器電極。然後，以「高」 設定下可獲得的全產生率的80%產生負離子。圖3 (C)示出了「低」設定，其中，控制信號對於10個子周期中的6個為高，而對於剩下的4個子周期為低。因此，AC高壓以該佔空比被施加於電離器電極。然後，以「高」 設定下可獲得的全產生率的60%產生負離子。圖4 (a)至4 (c)示出了第二控制方案，其中，PWM周期被劃分成5個子周期，每個子周期具有O. 05秒的持續時間。同樣，每個圖中的上面的圖表示出了控制信號波形，而下面的圖表示出了如控制信號所調製的所施加的AC高壓。該示例同樣具有對應於高、中、 低的三個控制水平。圖4 (a)示出了「高」設定，其中，控制信號對於所有5個子周期都為高，即控制信號是恆定的DC水平。因此，AC高壓也是恆定的，並且這自然對應於最大離子產生。圖4 (b)示出了「中」設定，其中，控制信號對於5個子周期中的4個為高，而對於剩下的I個子周期為低。因此，AC高壓以該佔空比被施加於電離器電極。然後，以「高」設定下可獲得的全產生率的80%產生負離子。圖4 (C)示出了「低」設定，其中，控制信號對於5個子周期中的3個為高，而對於剩下的2個子周期為低。因此，AC高壓以該佔空比被施加於電離器電極。然後，以「高」設定下可獲得的全產生率的60%產生負離子。不用說，上面兩個示例性方案不是限定性的。PWM周期的持續時間、子周期的數量、 以及可獲得的不同離子產生水平的數量能夠根據任何特定應用所期望的控制程度而被改變。
圖5通過僅為示例的方式示出了適於由圖I的驅動電路驅動的電離器電極模塊50 的分解圖。模塊50包括內部電極52、外部電極54以及介電隔板53這些部件，這些部件被平行地布置並且封裝在模塊化的殼體51、55中。跨電極52、54施加AC高壓19。圖6是一組曲線圖，示出了本發明在控制設定與產生的離子量之間的高度線性關係方面的優點。通過對在圖5所示的類型的電極組件進行測試而產生了這些結果。參照圖6，長虛線圖反映了使用常規的AC電壓幅值控制技術時的結果。其示出了非線性關係，其中在較高設定下(即，較高電壓下)，當達到擊穿電壓並出現臭氧的產生時， 離子產量變平。短虛線圖反映了在PWM周期被劃分成5個子周期的情況下使用本發明的恆定電壓控制技術時的結果。最後，實線圖反映了在PWM周期被劃分成10個子周期的情況下使用本發明的恆定電壓控制技術時的結果。當對其他電極組件進行測試時，申請人獲得了類似的結果。因此，能夠看到，本發明實現了對離子產生的一致的高度線性控制。根據本發明的實施例能夠被按比例調節到適合用戶的應用的尺寸。電極驅動電路可以結合到電子模塊中，並且在使用中連接到圖5所示的或如申請人的國際專利申請PCT/ SG2008/000497中更全面地描述的類型的一個或多個電極模塊。可替代地，本發明的電極驅動電路能夠集成到離子產生產品。應當理解，本發明允許基於根據容易由電子器件精確管理的定時方案對施加於電離器電極的恆定電壓進行重複的接通和斷開而對離子產生水平進行一致且有效的控制。換句話說，以固定的產生率間歇地產生負離子。因此，消除了與可能的離子產生不足或不期望的臭氧產生相關的問題。另外，儘管最初研發本發明是為了供離子發生器使用，但僅僅通過將預定恆定幅值AC高壓設定於適當較高水平，本發明的電極驅動電路和方法也能夠以同樣好的結果等同地應用於臭氧發生器。也可以通過除此處具體描述的方式以外的多種方式來實施本發明而不偏離本發明的範圍。
權利要求
1.一種空氣電離器電極驅動電路，所述驅動電路適於產生用於施加到空氣電離器的電極的驅動電壓，所述驅動電路包括高壓發生器(16)，所述高壓發生器(16)產生具有預定恆定幅值的AC高壓；和控制器(12)，所述控制器(12)產生被供給到所述高壓發生器的控制信號；其中，所述控制信號(17)具有重複的波形，所述波形根據多個預定的佔空比中的一個來接通和斷開所述高壓發生器(16)，以產生所述驅動電壓，從而通過控制在所述波形的每個周期期間產生的負離子的量來控制離子產生。
2.根據權利要求I所述的空氣電離器電極驅動電路，還包括用於選擇所述多個預定佔空比中的一個的用戶可操作輸入裝置(11)。
3.根據權利要求I或2所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述多個預定佔空比由對應於低、中和高離子產生水平的三個佔空比構成。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述AC高壓具有比所述控制信號的頻率高的頻率。
5.根據權利要求4所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述AC高壓具有在10kHz 到100 kHz範圍內的頻率。
6.根據權利要求4或5所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述控制信號具有在 O. IHz到500 Hz範圍內的頻率。
7.根據前述權利要求中任一項所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述高壓發生器包括振蕩器(21)和使來自所述振蕩器的電壓輸出倍增的變壓器(22)。
8.根據權利要求7所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述控制信號(17)接通和斷開所述振蕩器。
9.根據前述權利要求中任一項所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述控制器包括處理器(14)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述AC高壓的所述預定恆定幅值超過所述空氣電離器中的電極的激勵閾值並處於所述空氣電離器中的電極的擊穿閾值之下。
11.根據前述權利要求中任一項所述的空氣電離器電極驅動電路，其中，所述AC高壓的所述預定恆定幅值在I kV到10 kV的範圍內。
12.—種驅動空氣電離器的電極以產生負離子的方法，所述空氣電離器具有被電介質(53)分開的至少一對電極(52、54)，所述方法包括向所述電極施加具有預定恆定幅值的AC 高壓，所述幅值根據多個預定佔空比中的一個被進行脈衝寬度調製，從而通過控制在每個脈衝寬度調製波形周期期間產生的負離子的量來控制離子產生。
全文摘要
一種空氣電離器電極驅動電路和方法，其中由高壓發生器(16)輸出具有預定恆定幅值的AC高壓，用於施加到電離器電極。然後使用控制器(12)通過離子產生時間來控制所產生的離子的水平，其中所述控制器以重複的方式接通和斷開電壓發生器。電壓發生器工作的佔空比(即，接通－斷開比)然後決定平均離子產生率。該方法允許從0到100%的範圍的離子產生水平控制。
文檔編號H01T23/00GK102612410SQ200980160876
公開日2012年7月25日 申請日期2009年8月11日 優先權日2009年8月11日
發明者夏家保 申請人:傲翔私人有限公司