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(huán)保的優(yōu)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(fā)、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(fā)生器、吸塵頭裝置組成，利用高壓靜電發(fā)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(fā)生器、吸塵頭裝置兩部分。高壓靜電發(fā)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(fā)生器

圖2 直流高壓電源電路原理圖

高壓發(fā)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(wěn)壓直流電和1.25V～27V穩(wěn)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(wěn)壓源電路。13V交流電經整流和穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)定電壓12V。 23V交流電經整流和穩(wěn)壓電路穩(wěn)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(fā)生器能輸出0～880kV可調連續(xù)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(tài)，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(fā)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(fā)。

圖4 吸發(fā)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。可用于普通居民家庭中地面毛發(fā)等灰塵的清理，又可用于理發(fā)店美發(fā)廳等易積聚毛發(fā)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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