臭氧发生器设计方案报告.doc

臭氧发生器课程设计报告

目录

一、 目录……………………………………………1
二、 设计规定………………………………………2
三、 设计作用、目………………………………2
四、 设计详细实现………………………………2
五、 心得及建议……………………………………13
六、 附录……………………………………………14
七、 参照文献……………………………………15

一、设计规定
1、 普通室内有人时，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”，持续提供臭氧1小时，设备具备停机功能。
2、 由于臭氧比空气重，在正常使用时普通将发生器放置在高处，需要增长手动切换开关。
二、 设计作用、目
1、 掌握臭氧发生器设计。
2、 熟悉某些惯用集成电路用法，并掌握工作原理。
3、 提高学生独立动手能力。
三、设计详细实现
1、系统概述
（1）主电路由三某些构成。
振荡电路，规定振荡频率f为20到30KHz。
功率放大电路。
升压变压器，将输出电压变到3000V，供应放电器件，这里规定采用电压比为10：3000高频变压器。
沿面放电陶瓷片是运用陶瓷绝缘介质表面上沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能器件。沿面放电陶瓷片构造特点是：电极分别布置在陶瓷基片两边。正面为放电电极（普通为线状），背面为感应电极（普通为板状），并接地。将不十分高电压作用在两极上时，由于陶瓷基片良好绝缘，很难浮现放电通道。只有两极间电压不不大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相称于一种极板，在高频高压正弦交流电作用下，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介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传播到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多正电荷被束缚在介质表面，这一过程始终持续到峰值电压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，始终持续降到负半周临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面正电荷离开，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播到介质表面，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，因而，沿面放电过程就是介质表面静电平衡状态重复建立和破坏，表面气体重复击穿而介质表面上重复充放异性电荷过程。
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陶瓷放电器，型号为N-20。采用小型风机将产生臭氧从机器内排除。
臭氧（O3）是一种强氧化剂，适量臭氧可以起到杀灭环境细菌，净化空气作用。由于气体可以进入任意缝隙和空间，因而它比紫外线消毒更具备优越性。臭氧还可以用于矿泉水中消毒、游泳池水净化及工业废水解决。但是臭氧稳定性很差，在常温下就可以自行分解为氧气，因此臭氧不能储存，只能边生成边运用。臭氧发生器合用于医院诊室、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电路构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:控制振荡器持续工作1小时后，停止工作。采用R、C和IC555构成单稳态延时电路。
消毒控制电路图如下：

图3（消毒控制电路图）
两档切换用开关手动操作。
（3）电源电路设计
本设计供电电源电压为交流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”控制电路依照规定采用占空比为1比7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定期器和R1、R2及二极管D1、D2构成振荡电路。刚通电时，由于C1上电压不能跃变，即TRI角起始为低电平，555定期器位置，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上电压充到阀值电平2/3Vcc时。555定期器复位，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定期器内部放电管放电，放电时间为：T放=0.7R2C1=30*60s=1800s。
前面已拟定C1为1000pF，则R2=1800/(0.7*1000*10-6)KΩ,标称值为2.7MΩ电阻、此外，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，避免晶体管上浮现高电压导致击穿，起到保护作用。
电路中C1、C2还起到隔直流作用。图中555时基电路内部构成大体可以分为：分压器、比较器、R-S触发器、输出级和放电电子开关共5某些构成。
“清新”电路仿真电路和仿真图如下：

图5（“清新”电路仿真电路和仿真图）
555时基电路管脚功能和接法如下表：
555时基电路管脚功能和接法表
管脚序号
管脚标注
管脚功能
1
VSS
接地
2
TRI
触发
3
OUT
输出
4
RST
复位
5
CON
控制
6
THR
阀值
7
DIS
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定期器构成单稳态电路。
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，只有在外力作用下该门才会打开；在全开一段时间后又会自动关闭。普通将关闭状态称为“稳态”，而将从推开门恢复到关闭这一段时间状态称为“暂稳态”。这就是单稳态电路通俗描述。
单稳态电路特点重要有如下几种方面：
它有一种稳定状态和暂稳状态（或称为准稳态）。
在无外来脉冲作用时，电路处在稳定状态不变。
在外来脉冲作用下，电路可由稳定状态翻转为暂稳状态，通过一段时间后来，又自动地返回到稳定状态，而暂稳态时间长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路自身参数。
555单稳态电路重要由555时基集成电路自身与一RC定期时间常数设定元件两大某些为主构成。
可以将555时基电路看做一种特殊R-S触发器，它两个输入端触发电平规定不同，阀值规定也不同样。
先取这个特殊触发器两种状态中一宗作为单稳态电路稳态，然后用人工脉冲或人工拨动开关等办法来启动该但稳态电路，使其从本来稳定状态翻转为暂稳态；当去除脉冲后，电路开始通过定期电阻对定期电容C进行充电，一旦C上所充电压达到阀值电压时，这一特殊触发器又会从暂稳态翻转回本来稳态。
上述动作过程中，从暂稳态开始懂啊完全恢复到本来稳态这段时间，即为暂稳态时间。如果翻转时间不久笑道可以省掉时，暂稳态持续时间仅与定期电路中电阻、电容实际数值关于，而与555时基电路自身以及触发脉冲无关。触发脉冲仅是启动或开关作用，至于稳态和暂稳态是高电平还是低电平，则依照电路规定拟定。
设计规定单稳态电路暂态过程为1小时，555定期器TRI管脚规定低电平触发，因而加了一级晶体管反相器。T1基极加入高电平时555定期器触发，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=uF，则R2=3600/(1.1**10-6）Ω=1.63MΩ，取标称值为1.6MΩ。
消毒电路图和仿真图如下：

图7（消毒电路图和仿真图）
原理通过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控制。
开关J1断开，J2闭合时仿真效果图如下：

图（开关J1断开，J2闭合时仿真效果图）
此图在没有脉冲状况下，555时基电路不会使继电器K1导通，要在下一步给电路一种脉冲后才会继电器K1导通，因此后来可以通过手动开关给消毒电路一种脉冲来控制臭氧发生器持续工作1小时后自动停机功能。
开关J1和J2闭合再断开J1后仿真效果图如图：

图9（开关J1和J2闭合再断开J1后仿真效果图）
此图为用一种1V50Hz交流电压源作为一种脉冲信号，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持续工作1小时自动停机作用。
“臭氧发生”电路是震荡、功放、升压和放电某些构成多谐振荡器。一方面拟定C1=1000nF。取振荡频率f=25KHz。若R1=428.6kΩ选用标称值为430KΩ，则可计算出R2=2571.4KΩ，选用标称值为2.7MΩ电阻。三极管T选用3DD15D或Tip41C。二极管D选用1N4007。别的元件参数为：C2=0.91uF，R3=300Ω。
沿面放电陶瓷片是运用陶瓷绝缘介质表面上沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能器件。
沿面放电陶瓷片构造特点是：电极分别布置在陶瓷基片两边。正面为放电电极（普通为线状），背面为感应电极（普通为板状），并接地。将不十分高电压作用在两极上时，由于陶瓷基片良好绝缘，很难浮现放电通道。只有两极间电压不不大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相称于一种极板，在高频高压正弦交流电作用下，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介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传播到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多正电荷被束缚在介质表面，这一过程始终持续到峰值电压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，始终持续降到负半周临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面正电荷离开，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播到介质表面，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，因而，沿面放电过程就是介质表面静电平衡状态重复建立和破坏，表面气体重复击穿而介质表面上重复充放异性电荷过程。
依照沿面放电陶瓷片工作原理，影响其放电因素诸多，例如，介质材料绝缘性能、电极构造配备、电极表面气体条件以及勉励电源性能参数等。七、八十年代日本人研究表白，沿面放电器件材料选用钨电极和AL203陶瓷基片较好，由于钨热膨胀系数与AL203陶瓷相近，受热后电极不会与陶瓷脱开，同步，陶瓷基片具备较好绝缘性和机械强度。因此，这种沿面放电器件有良好电、机械、热和化学性能。然而，制造性能优良臭氧发生器，除合理选用臭氧陶瓷器件外，还必要注重各方面影响因素。
放电能量随供电电压峰值Upp增大而增大，同步放电发光长度也随Upp增大而加长，普通在空气中，当Upp为6-8KV时，放电发光长度为2.5-3.4mm，因此，Upp越高，臭氧产量越高。沿面放电器件临界起晕电压Uth值是供电频率f函数，f越大，Uth越低，即在高频条件下，沿面放电陶瓷片具备更低起始工作电压，有助于臭氧产率提高。临界起晕电压Uth还与气体条件关于，不同气源和工作环境，会影响Uth大小和放电过程进行完善限度，可直接影响臭氧产量。沿面放电陶瓷片在未放电时，体现为纯电容性质，介质表面充电面积越大，则电容越大。当放电时，器件可体现出电阻和电容二重性，它特性除与充电面积关于，还受放电过程气源和工作环境(温度、湿度等)影响，因此，沿面放电器件阻容特性是动态，在配备供电电源时，必要注意要适应它在不同使用条件下阻容特性。
在高频高压放电状况下，虽然放电电极是钨烧结体，也难免电极材料氧化和迁移。解决办法是在放电电极上覆盖一层纳米氧化铝保护层。国外资料表白，氧化铝可大幅提高钨抗氧化性。咱们所做考核证明了带纳米氧化铝保护层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，譬如用于鸡舍除味、杀菌消毒时，鸡舍空气中有较多氨、硫化氢及水气。陶瓷片放电时，在电极附近也许会合成硫酸、硝酸等产物，对金属电极产生腐蚀。
自激振荡高频高压电源，与沿面放电陶瓷片相匹配，普通是在常温制造、调试。当进入低温环境时，由于陶瓷片阻容特性变化，有时会遇到激振不起来问题。对此，可在发生器启动时，将陶瓷片恰当预热，使其不久进入工作状态。一旦正常放电，就可以持续运转。
臭氧发生器原理图如下：

图10（臭氧发生器原理图）
上面电路谐振频率为f=1.44/(R1+2R2+C1)
“直流”电源电路，通过220V50Hz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解决就可以得到12V稳定直流电源了。
随着半导体工艺发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具备体积小，外接线路简朴、使用以便、工作可靠和通用性等长处，因而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稳压电路。集成稳压器种类诸多，应依照设备对直流电源规定来进行选取。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，普通是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型器件中，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输出电压是固定，在使用中不能进行调节。W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，普通有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系列稳压器输出电流为0.5A，78L系列稳压器输出电流为0.1A。若规定负极性输出电压，则可选用W7900 系列稳压器。当集成稳压器自身输出电压或输出电流不能满足规定期，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节，以适应不同需要。
本实验通过220V50Hz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解决就可以得到12V稳定直流电源了。所用集成稳压器为三端固定正稳压器W7812，它重要参数有：输出直流电压 U0＝＋12V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调节率 10mV/V，输出电阻 R0＝0.15Ω，输入电压UI范畴15～17V 。由于普通UI要比 U0大3～5V ，才干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工作状况。要使臭氧发生器工作，一方面应打开开关J1（电源控制开关)，然后手动切换选取开关J2(空气清新挡或者消毒挡），如果选取是空气清新，将J2打到空气清新挡即可；如果选取是消毒，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
在设计过程中我也不可避免遇到了诸多问题。特别是在调试过程中，会由于某些因素出不来成果。通过不断努力，最后在调试成果出来后，我更是无比兴奋、无比自豪。
总之，通过这次电子课程设计，我不但对自己知识有了更好掌握和应用，还学会了思考。学会思考是一种高效率人非常重要品质，思考是需要走出单纯知识记忆，培养咱们善于联想、敢于判断、敢于创造新型能力。当咱们在做一件事情前、做中和做后都要思考，做前思考是依照觉得或者别人经验进行行为方式取舍过程，需要从诸各种方案中选用最适当与最有助于事情发展；做过程中思考是及时依照详细情景选用进一步解决事务办法和途径；做后思考是一种总结过程，学会总结在后来遇到同样或者类似状况时在能得心应手。总之在思考过程中应当注意如下几点：全面考虑，要有较好全局观；进一步专业，不能止于事物表面，规定甚解；谋求规律性东西，其实万事万物都是有其发展规律。
课程设计是每一种学生必要拥有一段经历，它使咱们在实践中理解社会，让咱们学到了诸多在课堂上主线就学不到知识,也打开了视野，增长了见识，为咱们后来进一步走向社会打下坚实基本。
咱们每一种人永远不能满足于既有成就，人生就像在爬山，一座山峰背面尚有更高山峰在等着你。使我充分结识到学习是自己事，只要自己不断地去努力学习，知识才会像喝水同样进入人体内，否则将是什幺都没有得到，人更不能懒字当头要学会勤奋、刻苦、认真，不论做什幺事都要经历一段过程，必要一步一种脚印走，一点一滴去积累，在必要时才会拥有自己想要。挫折是一份财富，经历是一份拥有。人生就是一种不断地去拼搏、奋斗过程，只要自己认真去做了，就一定会有所收获，才会创造更辉煌人生，我相信只要自己在后来学习和工作中认认真真地去做，多积累某些经验，相信自己将来一定是美好。

我觉得这次课程设计重要是对仿真软件使用不熟悉带来问题，我但愿下次做课设时候教师能教会咱们熟悉使用仿真软件，尚有就是时间安排上能充分点就更好了。

五、 附录（元器件明细表)
元器件明细表
元器件名称
备注（型号）
元器件数目（个）
电阻
不等
9
普通电容
无极性
7
电解电容
有极性
1
开关

3
全波整流器
3N251
1
三端稳压器
W7812
1
变压器
交流
2
二极管
1N4007
5
三极管
TIP41C
4
555集成电路
555_VIRTUAL
3
继电器

2
表2

六、 参照文献
【1】RobertA.Pease.模仿电路故障诊断.人民邮电出版社..8
【2】陈友卿.555时基集成电路原理与应用.机械工业出版..3
【3】童诗白、华成英.模仿电子技术基本.高等教诲出版社..3
【4】黄根春、陈小桥、张望生.电子设计教程.电子工业出版社..8
【5】任文霞、吕文哲、王彦朋.电子电路仿真技术.中华人民共和国电力出版社.
【6】郭永贞.模仿电子技术实验与课程设计指引.东南大学出版社..10【7】孙余凯、项绮名、吴鸣山555时基电路知识.电子工业出版社..1