基于高壓靜電發生器的靜電吸塵器設計研究

泰山學院物理與電子工程學院 郭成英 李吉輝 楊德日 魏 浩

靜電已廣泛應用于靜電除塵和分選、靜電復印、靜電制版、靜電軸承、靜電陀螺儀、靜電透鏡、靜電常溫滅菌等。靜電除塵，具有效率高且環保的優點，現在很多空氣凈化器就是利用靜電來吸除空氣中的小塵埃，使空氣凈化。靜電吸塵器可以充分利用靜電對粉塵的吸附作用，方便的實現對地面毛發、高處蜘蛛網、吊扇灰塵、窗簾布、外部陽臺玻璃灰塵、天花板等灰塵的吸附。普通吸塵器的工作原理是真空吸塵，相比與普通吸塵器，靜電吸塵器擁有噪音更小，清潔效果更明顯，操作更方便的特點。靜電吸塵器目前還未出現在家庭市場上，有很好的應用領域和市場前景。

1 方案選擇

靜電是由于物體的原子正負電不平衡而產生的。靜電的產的一種由低壓直流電源供電的高壓靜電除塵裝置。裝置由高壓靜電發生器、吸塵頭裝置組成，利用高壓靜電發生器產生電場使氣體分子電離產生電子和離子，在電場力作用下移動，移動過程中碰到粉塵顆粒并使其荷電，經過荷電的粉塵在電場力作用下向極板或極線運動，到達極板或極線時吸附其上，然后通過振打裝置使粉塵落入灰塵收集器，從而達到除塵的目的。

靜電吸塵器主要包括高壓靜電發生器、吸塵頭裝置兩部分。高壓靜電發生器包括電源電路、放大及振蕩電路、高壓升壓及倍壓整流電路、恒流自動控制電路、隔離和濾波電路。

2 高壓靜電發生器

圖2 直流高壓電源電路原理圖

高壓發生器由圖1所示的電源、功率放大、振蕩、恒流自動控制、高壓升壓與倍壓整流等部分組成。在變壓器的輸入端生無外乎摩擦起電、熱電和壓電起電、感應靜電起電、噴射起電、亥姆霍茲層等。本裝置是根據產生靜電的各種原理來設計加上220V左右的電源，次級的兩個繞組提供12V穩壓直流電和1.25V～27V穩壓直流電。振蕩電路的工作電壓是12V直流電源，產生15kHz的脈沖信號。

圖1 設計電路原理圖

功率轉換的能源是1.25～27V的直流電。通過脈沖高壓經倍壓整流而獲得高壓靜電。振蕩電路產生基脈沖信號，經放大電路放大，在變壓器的升壓下，輸出12kV的高壓，最后經過8倍壓整流使輸出的電壓達到80kV。恒流自動控制使工作電流恒定。

2.1 電路分析

直流高壓產生裝置電路如圖2所示。

2.2 電源電路

電源經變壓器降壓后，在次級繞組上產生13V和23V交流電，供給12V和1.25～27V穩壓源電路。13V交流電經整流和穩壓電路穩壓后，輸出穩定電壓12V。 23V交流電經整流和穩壓電路穩壓后，輸出可調電壓1.25～27V。

2.3 放大及振蕩電路

振蕩電路輸出脈沖方波。輸出方波的頻率如下式：

由式子和電路原理圖可知，功率放大由功率三級管完成。555定時器的輸出電流能達到200mA，所以可以驅動功率管。

2.4 高壓升壓及倍壓整流電路

高壓升壓由高壓升壓變壓器完成。升壓后，輸出電壓12kV。倍壓整流由8倍壓電路完成。倍壓整流電路的整流管選用耐壓值20kV的高壓整流硅堆。輸出的電壓是變壓器次級輸出電壓的8倍，可達80kV。

2.5 恒流自動控制電路

恒流自動控制電路工作時，功放管輸出電壓降低，靜電電壓降低，使靜電電流恒定在某一電流值上。高壓靜電發生器能輸出0～880kV可調連續電壓，可設定恒流控制范圍在50～100μA。

2.6 隔離和濾波電路

由于工作于振蕩狀態，會產生某些有害干擾，所以需要進行隔離和濾波來阻止這些干擾。隔離的方式是變壓器隔離。電路的驅動電路采用電壓比較器，它能產生幅度相等、相位相反的脈沖信號，加到開關管的基極后，能達到電路的要求。

3 吸塵頭裝置

3.1 梳狀電極

氣流通過梳狀電極電場作用使其中的塵粒得到較多電荷，再進入除塵器中除塵，從而提高除塵效率。筒狀在地板上滾動，可以很方便快捷的吸收地面上的不易被普通吸塵器清理的毛發等塵埃，從而達到除塵的目的。

圖3 梳狀電極

梳狀電極由一組平行的，長短不一的尖端組成，尖端彎，并卷成一圓筒狀，如圖3所示的梳狀電極，曲率的半徑越小，電荷的密度越大，尖端附近的電場越強。在電極上通電時，梳狀電極兩端產生較強的電場，使空氣分子電離，電離后的電子被電極吸附，而正電荷的塵粒隨氣流流動，從而達到塵粒電量增多的目的。

3.2 吸塵頭裝置

吸塵器頭部裝置的設計如圖4所示，能方便的在地面滾動來吸起地板上的毛發。

圖4 吸發器頭裝置圖

4 結語

本設計是一種由低壓直流電源供電的高壓靜電除塵裝置。靜電吸塵器結構簡單使用方便，可以理應不同吸附工具吸附灰塵、人員不宜夠到的地方的雜質。如天花板、高處蜘蛛網、吊扇灰塵、窗簾布、外部陽臺玻璃灰塵、床里頭旮旯灰塵、下水道雜質異物(如筷子、湯匙)吸出(需干燥除水后實施)等等用處。相比與普通吸塵器，噪音更小，清潔效果更明顯，操作更方便?？捎糜谄胀ň用窦彝ブ械孛婷l等灰塵的清理，又可用于理發店美發廳等易積聚毛發場合的地面的清理。靜電吸塵器目前還未出現在家庭市場上，有很好的應用領域和市場前景。

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