高壓靜電發(fā)生器在靜電除塵［1］、油煙凈化［2］、靜電噴漆以及各種高壓靜電場實驗中應(yīng)用廣泛。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的高壓靜電發(fā)生器可產(chǎn)生幾千伏至幾
百千伏的高壓［3］，但大多為模擬儀表顯示，而且價格比較昂貴。因此，本文設(shè)計了一種可產(chǎn)生 0 ～10 kV 連續(xù)可調(diào)、帶數(shù)字顯示的高壓靜電發(fā)生器，具有體積小、元件簡單、成本低廉等優(yōu)點。
1 工作原理
高壓靜電發(fā)生器的總體框架如圖 1 所示。220 V的交流電經(jīng)過變壓器降壓、整流、濾波后，形成約12 V 的直流電壓，輸出的 12 V 直流電壓分別輸入7805 和 LM317，其中 7805 將輸出穩(wěn)定的 5 V 直流電壓，作為單片機 AT89S52 及 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804的工作電壓 ，而 LM317 與電位器等元件組成可控直流部分，輸出連續(xù)可調(diào)的 25 V 以內(nèi)的直流電壓。通過編程，使單片機輸出 20 kHz 的方波，并用此方波來控制開關(guān)管的通斷，而開關(guān)管的 C 極與 LM317 產(chǎn)生的直流電壓分別加在升壓變壓器的低壓輸入的兩端，便可形成一正一負周期性的尖峰脈沖。該脈沖經(jīng)升壓后再倍壓整流、濾波，便可形成直流高壓，且其電壓值大小可由 LM317 組成的可控直流電壓的大小控制。直流高壓經(jīng)過高倍數(shù)的分壓后，得到一個很小的直流電壓，輸 入 ADC0804 進 行 模 數(shù) 轉(zhuǎn)換［4］，再將得到的數(shù)字量送入單片機，通過單片機編程使電壓值在數(shù)碼管上顯示［5 － 6］。
2 發(fā)生器各模塊詳細介紹
2. 1 直流電壓產(chǎn)生模塊
如圖 2 所示，220 V 交流電壓經(jīng)過降壓變壓器降壓后，形成 23 V 的交流電壓，再經(jīng)過四端整流橋 D1進行全波整流和 1 000 μF 的大電容 C1 濾波，可得到約 27 V 的直流電壓。這 27 V 的直流電壓分別輸入三端穩(wěn)壓器 7805 和 LM317 的輸入端，則 7805 和 LM317 的輸出端與調(diào)整端電壓分別為5 V和 1. 25 V 直流電壓。由圖 2 可知，LM317 輸出的端電壓為:VLM317 －OUT = Ｒ0 + VＲ1Ｒ0× 1. 25 ( 1)式中，Ｒ0為 100 Ω 的固定電阻，VＲ1為 2 kΩ 的電位器，VLM317 － OUT 的取值范圍為 1. 25 ～ 25 V，具體取值可根據(jù)需要調(diào)節(jié)電位器得到。
圖 2 中的穩(wěn)壓二極管 D2、D3起限流保護作用。
2. 2 方波產(chǎn)生模塊
此模塊功能為產(chǎn)生 100 kHz 左右的方波信號，用于驅(qū)動開關(guān)三極管。此模塊可由 555 定時器、3 個首尾相連的反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器或單片機來實現(xiàn)。由于單片機 AT89S52 使用方便，且內(nèi)部CMOS 電路產(chǎn)生的噪音較小，在本文中采用單片機產(chǎn)生方波信號。因本文中單片機 AT89S52 還要實現(xiàn)電壓測量和數(shù)字顯示控制的功能，為實現(xiàn)單片機同時控制若干個模塊，所以對方波信號的產(chǎn)生將采用 AT89S52 里的定時器功能: 選擇 12 MHz 的晶振為單片機提供時鐘信號( 單片機每個機器周期為1 μs) ，通過程序設(shè)定每隔 5 μs 定時器計數(shù)溢出( 周期為 10 μs) ，產(chǎn)生中斷信號，使 AT89S52 的P3. 0 管腳產(chǎn)生反向跳變，產(chǎn)生 100 kHz 的方波信號，且不影響單片機對電壓測量和數(shù)字顯示的控制。對于方波信號的頻率選擇，若頻率過小則*終經(jīng)倍壓整流后產(chǎn)生的高壓帶負載能力下降，電壓值衰減嚴重; 若頻率過大( 接近 1 MHz) 則單片機無法控制其他模塊。經(jīng)實驗驗證，100 kHz 左右的頻率較為適宜。
2. 3 正負尖脈沖產(chǎn)生模塊
此模塊用于產(chǎn)生一正一負交替產(chǎn)生的尖峰脈沖。電路連接如圖 3 所示，其中 T2為升壓變壓器，Q1為 8050 三極管，Ｒ10為三極管基極限流電阻。方波產(chǎn)生模塊中的單片機 P3. 0 腳產(chǎn)生的方波信號通過 Ｒ10后輸入 8050 的基極，8050 發(fā)射極接地，集電極與 T2的一個低壓輸入端 TI2相連，而直流電壓產(chǎn)生模塊中的 LM317 輸出端與 T2的另一個輸入端TI1相連，VI1得到1. 25 ～ 25 V 的直流電壓。而方波信號輸入三極管 8050，將控制 8050 周期性導(dǎo)通 －截止。由于三極管集電極與 LM317 輸出的直流電壓之間接了變壓器，相當(dāng)于接了一個較大的電感，因此在 8050 導(dǎo)通 － 截止的瞬間 VI2端產(chǎn)生一個正向脈沖，在其截止 － 導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生一個負向脈沖，周期性正負脈沖可由此產(chǎn)生，如圖 4 所示，其脈沖頻率等于方波信號頻率，脈沖幅度由 LM317 輸出的直流電壓值決定。該脈沖信號經(jīng)升壓變壓器升壓后，輸出頻率不變、幅值被放大了的脈沖電壓。
2. 4 倍壓整流模塊
此模塊主要由一個倍壓整流電路和相應(yīng)的分壓、濾波電路組成。電路原理圖如圖 5 所示。圖 5 中電容 C6 ～ C15、二極管 D6 ～ D15 為倍壓整流部分，電容 C16 ～ C20為濾波電路，電阻 Ｒ11和Ｒ12為分壓電路。尖脈沖產(chǎn)生模塊中的升壓變壓器輸出的高幅值脈沖輸入倍壓整流電路，根據(jù)倍壓整流原理，隨著電容 C6 ～ C15的交替相互充放電，*終將達到穩(wěn)定值。若正負脈沖的幅值相等，則穩(wěn)定后電容 C7 ～ C15、二極管 D6 ～ D14 上的壓降都相等且應(yīng)為電容 C6上壓降的兩倍。為使輸出電壓盡可能高，且?guī)ж撦d能力較強，應(yīng)要求 C6 ～ C15的容量和耐壓值都盡可能大。本文采用容量 0. 2 μF、耐壓值 2 kV 的電容作為倍壓整流的電容。二極管的選取也應(yīng)與電容相匹配，其耐壓值應(yīng)達到 2 kV，在實際電路制作過程中每個二極管可由兩個整流二極管 1N4007( 耐壓值 1 200 V) 串聯(lián)來取代。電容C16 ～ C20構(gòu)成濾波電路。倍壓整流后輸出的電壓在不加任何負載的情況下為穩(wěn)定的直流高壓，加上負載后，由于有了負載的放電電流，輸出電壓值將略有下降且不穩(wěn)定，因此需添加濾波電路。濾波電路的電容要求也是耐壓值和容量都盡可能高，在本文中 C16 ～ C20 的選擇可與倍壓整流中所使用電容一致。圖 5 中 Ｒ11、Ｒ12組成分壓電路，使 Ｒ12 的電壓為 C15 的 電 壓 的 1 /1001，約 為 總 輸 出 電 壓 的1 /5 000，Ｒ9的電壓( 0 ～ 2 V) 將輸入電壓測量模塊中的 AD 轉(zhuǎn)換芯片，用于電壓測量。為使 Ｒ11、Ｒ12的放電電流盡可能小，從而對輸出電壓的影響盡可能小，Ｒ11、Ｒ12阻值應(yīng)盡可能大。實際電路制作過程中 Ｒ11 為 10 個20 MΩ 的 電 阻 串 聯(lián) 構(gòu) 成，Ｒ12 選200 kΩ的電阻。
2. 5 電壓測量與數(shù)字顯示控制模塊
此模塊主要由單片機 AT89S52、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0804 和 4 位 7 段 共 陽 數(shù) 碼 管 構(gòu) 成。ADC0804 是一單片 CMOS8 位逐次逼近型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，有較高的轉(zhuǎn)換精度，工作速度中等，成本低，與 8 位微機兼容，其三態(tài)輸出可直接驅(qū)動數(shù)據(jù)總線。單片機、A/D 轉(zhuǎn)換芯片工作電壓以及驅(qū)動數(shù)碼管的三極管發(fā)射極電壓均由直流電壓產(chǎn)生模塊中的 7805 提供。整個模塊的接線如圖 6 所示。其中關(guān)鍵部分接線為: ADC0804 的片選 CS、數(shù)字地 DGND、模擬地 AGND、VIN_ 等引腳接地，VIN + 輸入被測電壓 vI，WＲ、ＲD、INTＲ 分別與單片機的 WＲ、ＲD、INT0 相連，其輸出端的 8 位數(shù)字信號與單片機的 P1 口相連，其參考電壓輸入端VＲEF /2 輸入 1. 28 V 電壓，可由 7805 和電位器組成串聯(lián)分壓電路獲得。ADC0804 的時鐘信號由 10 kΩ的電阻和 150 pF 的電容串聯(lián)形成振蕩得到。工作時，單片機 WＲ 端輸出一個上升沿信號，AD 轉(zhuǎn)換開始。當(dāng) AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，ADC0804 的 INTＲ 端輸入一個低電平，單片機 INT0 檢測到此低電平后 ＲD端輸出一個低電平，允許 ADC0804 將數(shù)字量輸出。單片機 P1 口接收到數(shù)字量后，開始對其進行處理，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進制電壓數(shù)值和對應(yīng)的數(shù)碼管并輸出至數(shù)碼管顯示。經(jīng)過一段時間( 約 0. 5 s) 延時后，單片機 WＲ 端再輸出一個上升沿，開始下一次 A/D 轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)處理—顯示的過程。值得注意的是，ADC0804 的參考電壓輸入端 VＲEF /2 輸入電壓 1. 28 V，而實際參考電壓為 VＲEF = 2. 56 V，則由 A/D 轉(zhuǎn)換輸入輸出公式［6］為:D = 2nVＲEFvI ( 2)式中，vI 為輸入的電壓模擬量，D 為輸出的數(shù)字量。此處 ADC0804 的 8 位輸出端數(shù)字量 為 D =100vI。而根據(jù)倍壓整流模塊中的電路結(jié)構(gòu)，vI為實際輸出高電壓 vOUT的 1 /5 000，則 ADC0804 輸出數(shù)字量為 D = vOUT /50。因此，單片機對接收到的數(shù)字量進行處理時需將 D 擴大 50 倍，得到實際的輸出端電壓對應(yīng)的二進制數(shù)后，才能繼續(xù)進行下一步數(shù)碼管顯示數(shù)碼的處理。受 ADC0804 轉(zhuǎn)換精度所限，整個系統(tǒng)能區(qū)分出輸出高電壓的*小差異為 50 V，若數(shù)碼管顯示標(biāo)識單位為 kV，則可顯示至小數(shù)點后兩位，精度為 0. 05 kV。另外，ADC0804 轉(zhuǎn)換時間為 0. 1 ms，但在實際電路中不宜使 ADC0804 一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后立刻開始下一次轉(zhuǎn)換，否則若測量電壓出現(xiàn)波動，在很短時間內(nèi)有多次測量的不同的電壓值被送到數(shù)碼管輸出，由于肉眼的視覺暫留效應(yīng)，數(shù)碼管上將無法清晰顯示電壓值。
3 結(jié)束語
本文介紹的高壓靜電發(fā)生器可產(chǎn)生 0 ～ 10 kV連續(xù)可調(diào)電壓，帶數(shù)字顯示的功能，不但具有體積小、元件簡單、成本低廉等優(yōu)點，而且在制作過程中便于調(diào)節(jié)，對方波的頻率調(diào)節(jié)、數(shù)字顯示控制等功能只需將單片機取下修改程序即可。目前，該高壓靜電發(fā)生器使用效果良好。
