一种数字化负离子发生器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空气净化器技术领域，具体涉及一种数字化负离子发生器及其控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着环境污染的日益严重和人们环境意识的加强，空气质量己成为全世界关注的 焦点。尤其在最近，全国各大城市公布的PM值都在2. 0以上，甚至超过了 2. 5,这将会直接 威胁到我们的生命与健康。
[0003] 作为人们居住的室内环境，同样地受到大气环境质量的影响，不仅如此，更受到室 内具体环境的直接影响，但其污染因素越来越不明显，情况也不容乐观。室内空气污染主要 是由于各种原因导致室内空气有害物质超标，因而影响人体健康状况，随着污染程度的加 剧，人体会产生亚健康状态。家具问题、建筑问题、装饰装修问题等都已经成为室内环境污 染的三大主要问题。
[0004] 随着空气有害物质的种类和数量的不断增加，国内外对空气净化器产品的不断研 制和生产，越来越多的室内空气净化器产品走向市场，按照净化原理可分为：机械过滤式 与吸附式净化器、静电式净化器、负离子空气净化器。其技术特点如下：
[0005] 机械过滤式与吸附式空气净化器，是通过风机换气加压，空气逐层透过过滤材料， 主要净化了颗粒状污染物，净化效果根据设计的过滤材料和性质决定，当然局限性很大，不 能彻底过滤有害化学物质和杀菌作用。
[0006] 静电式空气净化器，是一种通过静电使空气中污染物带电，然后用集尘装置捕集 吸附了带电粒子的空气尘埃，达到净化空气目的。但是这种净化器不仅成本和运行费用较 高还会造成二次污染。
[0007] 负离子发生器利用自身产生的负离子实现对空气的净化。空气的主要成分是氮和 氧，通常氮、氧分子电性能呈中性，所带正、负电荷相等。空气负离子是指空气中带负电荷的 分子或原子。但当空气分子电离产生的电子和氧分子结合后，即可形成化学性质活泼的负 氧离子。负氧离子在未和其他物质发生快速反应前，可通过呼吸、神经和血液系统作用于人 体，改善肺功能、促进新陈代谢、增强抗病能力、改善睡眠、杀灭病毒和细菌、得到清新空气、 消烟除尘，改善室内的空气质量状况。而且它的副作用较小，杀菌效果明显，得到了广泛的 认同。而目前市场上常见的负离子发生器均由模拟器件搭建构成，该种负离子发生器虽然 具有电路简单、价格低廉的优点，但同时也存在故障率偏高、温漂严重、常常因为温升过高 导致离子发生器失效等问题。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构 简单、设计新颖合理、工作可靠性高、功能完备、故障率低、可维护性强、实用性强的数字化 负离子发生器。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种数字化负离子发生器，其特 征在于：包括用于将24V直流电源输出的24V直流电压变换为-6. 5kV~-llkv的直流负高 压的功率变换电路、用于对功率变换电路进行控制的主控制器和用于为数字化负离子发生 器中各用电电路供电的电压转换电路，以及保护电路和用于将所述功率变换电路输出的直 流负高压信号反馈给主控制器的负高压反馈电路；所述功率变换电路由依次连接的LC半 桥谐振电路、压电陶瓷变压器和二倍压电路组成，所述LC半桥谐振电路与24V直流电源的 输出端连接；所述保护电路包括与LC半桥谐振电路的电流信号采样端连接且用于对压电 陶瓷变压器过流进行保护的过流保护电路和用于对压电陶瓷变压器过热进行保护的过热 保护电路；所述负高压反馈电路由依次连接的分压电路、半波整流电路和电压限幅电路组 成，所述分压电路的输入端与二倍压电路的输出端连接；所述过流保护电路的输出端与主 控制器的输入端相接，所述主控制器的输入端还接有A/D转换电路，所述过热保护电路的 输出端和电压限幅电路的输出端均与A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输 入端还接有用于给定所述功率变换电路输出的直流负高压大小的电压给定电路；所述主控 制器的输出端接有驱动电路，所述LC半桥谐振电路与驱动电路的输出端连接；所述电压转 换电路包括用于将24V直流电源输出的24V直流电压转换为5V的5V电压转换电路、用于 将5V电压转换电路输出的5V直流电压转换为3. 3V的3. 3V电压转换电路和用于将3. 3V 电压转换电路输出的3. 3V直流电压转换为1. 5V的1. 5V电压转换电路，所述主控制器与 3. 3V电压转换电路和1. 5V电压转换电路的输出端均相接，所述过流保护电路、过热保护电 路、A/D转换电路、电压给定电路和驱动电路均与5V电压转换电路的输出端相接。
[0010] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述LC半桥谐振电路包括NMOS功 率管Q3、电感L1、非极性电容C3、非极性电容C4和非极性电容C5,所述NMOS功率管Q3的 栅极通过电阻R12与驱动电路的输出端相接，所述电感L1的一端与24V直流电源的输出端 相接，所述NMOS功率管Q3的源极与电感L1的另一端、非极性电容C3的一端和非极性电容 C5的一端相接且为LC半桥谐振电路的输出端，所述NMOS功率管Q3的漏极通过电阻R13 接地，所述NMOS功率管Q3的漏极与电阻R13的连接端为LC半桥谐振电路的电流信号采样 端，所述非极性电容C3的另一端通过非极性电容C4接地，所述非极性电容C5的另一端接 地；所述压电陶瓷变压器为多层压电陶瓷变压器MPT1，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初 级压电振子的一端与LC半桥谐振电路的输出端相接，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初 级压电振子的另一端接地，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的次级压电振子的一端为压电 陶瓷变压器的输出端；所述二倍压电路由二极管D1、二极管D2和非极性电容C6组成，所述 二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均与压电陶瓷变压器的输出端相接，所述二极管D1的 阴极接地，所述二极管D2的阳极为二倍压电路的输出端且通过非极性电容C6接地。
[0011] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述主控制器为FPGA芯片 EP2C5T144C8N。
[0012] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述A/D转换电路包括模数转换 芯片AD7862,所述模数转换芯片AD7862的Verf引脚和VDD引脚均与5V电压转换电路的输 出端相接，所述模数转换芯片AD7862的DB0引脚、DB1引脚、DB2引脚、DB3引脚、DB4引脚、 DB5引脚、DB6引脚、DB7引脚、DB8引脚、DB9引脚、DB10引脚和DB11引脚依次对应与FPGA 芯片EP2C5T144C8N的第94引脚、第93引脚、第92引脚、第87引脚、第86引脚、第81引脚、 第80引脚、第79引脚、第76引脚、第75引脚、第74引脚和第73引脚相接，所述模数转换 芯片AD7862的CXWKSr引脚、BUSY引脚、RD引脚、CS引脚和A0引脚依次对应与FPGA芯 片EP2C5T144C8N的第4引脚、第3引脚、第7引脚、第8引脚和第24引脚相接，所述模数转 换芯片AD7862的VB1引脚与电压限幅电路的输出端相接且通过非极性电容C1接地，所述 模数转换芯片AD7862的VA1引脚与过热保护电路的输出端相接，所述模数转换芯片AD7862 的VB2引脚与电压给定电路的输出端相接；所述电压给定电路由滑动变阻器VR1和非极性 电容C2组成，所述滑动变阻器VR1的一端接5V电压转换电路的输出端，所述滑动变阻器 VR1的另一端接地，所述滑动变阻器VR1的滑动端为电压给定电路的输出端，且通过非极性 电容C2接地。
[0013] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述驱动电路由对称三极管Q1、 三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，所述对称三极管Q1由NPN型上三极管Q1-1和PNP型下 三极管Q1-2组成；所述三极管Q2的基极为驱动电路的输入端且与FPGA芯片EP2C5T144C8N 的第9引脚相接，所述三极管Q2的集电极、NPN型上三极管Q1-1的基极和PNP型下三极管 Q1-2的基极均通过电阻R2与5V电压转换电路的输出端相接，所述NPN型上三极管Q1-1的 集电极通过电阻R1与5V电压转换电路的输出端相接，所述三极管Q2的发射极和PNP型下 三极管Q1-2的集电极均接地，所述NPN型上三极管Q1-1的发射极和PNP型下三极管Q1-2 的发射极相接且为驱动电路的输出端。
[0014] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述分压电路由串联的电阻R16 和电阻R17组成，所述电阻R16和电阻R17串联后的一端为分压电路的输入端，另一端接 地；所述半波整流电路由二极管D5、二极管D6和非极性电容C13组成，所述二极管D5的阳 极和二极管D6的阴极均与电阻R16和电阻R17的连接端相接，所述二极管D6的阳极和非 极性电容C13的另一端均接地；所述电压限幅电路由稳压二极管DZ3构成，所述稳压二极管 DZ3的阴极与二极管D5的阴极相接且为电压限幅电路的输出端，所述稳压二极管DZ3的阳 极接地。
[0015] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述过流保护电路包括比较器 U8B、三极管Q1、与比较器U8B的同相输入端相接的参考电压电路和与比较器U8B的反相输 入端相接的信号采集放大电路，所述参考电压电路由电阻R19、电阻R20、稳压二极管DZ4和 非极性电容C14组成，所述电阻R19和电阻R20串联后的一端与5V电压转换电路的输出端 相接，另一端接地，所述电阻R19和电阻R20的连接端为参考电压电路的参考电压输出端， 所述稳压二极管DZ4的阴极和非极性电容C14的一端均与5V电压转换电路的输出端相接， 所述稳压二极管DZ4的阳极和非极性电容C14的另一端均接地；所述信号采集放大电路由 运算放大器U8A、电阻R21、电阻R22和非极性电容C15组成，所述运算放大器U8A的同相输 入端为电流信号输入端且与LC半桥谐振电路的电流信号采样端相接，所述运算放大器U8A 的反相输入端通过电阻R22接地，所述电阻R21和非极性电容C15并联在运算放大器U8A的 反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U8A的输出端为信号采集放大电路的输出端； 所述三极管Q1的基极与比较器U8B的输出端相接，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极 管Q1的发射极为过流保护电路的输出端且通过电阻R18与5V电压转换电路的输出端相 接；所述过热保护电路由温度传感器MCP9701构成。
[0016] 上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述5V电压转换电路包括降压开 关稳压器MCP16301、开关二极管D3、开关二极管D4、稳压二极管DZ1、稳压二极管DZ2和电 感L2,所述降压开关稳压器MCP16301的第4引脚和第5引脚均通过保险F1与开关二极管 D3的阴极相接，且通过极性电容C7接地；所述开关二极管D3的阳极和稳压二极管DZ1的阴 极均与24V直流电源的输出端相接，所述稳压二极管DZ1的阳极接地，所述降压开关稳压器 MCP16301的第1引脚与开关二极管D4的阴极相接，且通过非极性电容C12与稳压二极管 DZ2的阴极和电感L2的一端相接，所述稳压二极管DZ2的阳极接地，所述开关二极管D4的 阳极和电感L2的另一端相接且为5V电压转换电路的输出端，且通过极性电容C8接地；所 述5V电压转换电路的输出端与地之间接有串联的电阻R14和电阻R15,所述降压开关稳压 器MCP16301的第3引脚与电阻R14和电阻R15的连接端相接；所述3. 3V电压转换电路包括 芯片AMS1117-3. 3V，所述芯片AMS1117-3. 3V的第3引脚与5V电压转换电路的输出端相接， 且通过极性电容C9接地，所述芯片AMS1117-3. 3V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-3. 3V