基于高压静电发生器的静电吸尘器设计研究

泰山学院物理与电子工程学院 郭成英 李吉辉 杨德日 魏 浩

静电已广泛应用于静电除尘和分选、静电复印、静电制版、静电轴承、静电陀螺仪、静电透镜、静电常温灭菌等。静电除尘，具有效率高且环保的优点，现在很多空气净化器就是利用静电来吸除空气中的小尘埃，使空气净化。静电吸尘器可以充分利用静电对粉尘的吸附作用，方便的实现对地面毛发、高处蜘蛛网、吊扇灰尘、窗帘布、外部阳台玻璃灰尘、天花板等灰尘的吸附。普通吸尘器的工作原理是真空吸尘，相比与普通吸尘器，静电吸尘器拥有噪音更小，清洁效果更明显，操作更方便的特点。静电吸尘器目前还未出现在家庭市场上，有很好的应用领域和市场前景。

1 方案选择

静电是由于物体的原子正负电不平衡而产生的。静电的产的一种由低压直流电源供电的高压静电除尘装置。装置由高压静电发生器、吸尘头装置组成，利用高压静电发生器产生电场使气体分子电离产生电子和离子，在电场力作用下移动，移动过程中碰到粉尘颗粒并使其荷电，经过荷电的粉尘在电场力作用下向极板或极线运动，到达极板或极线时吸附其上，然后通过振打装置使粉尘落入灰尘收集器，从而达到除尘的目的。

静电吸尘器主要包括高压静电发生器、吸尘头装置两部分。高压静电发生器包括电源电路、放大及振荡电路、高压升压及倍压整流电路、恒流自动控制电路、隔离和滤波电路。

2 高压静电发生器

图2 直流高压电源电路原理图

高压发生器由图1所示的电源、功率放大、振荡、恒流自动控制、高压升压与倍压整流等部分组成。在变压器的输入端生无外乎摩擦起电、热电和压电起电、感应静电起电、喷射起电、亥姆霍兹层等。本装置是根据产生静电的各种原理来设计加上220V左右的电源，次级的两个绕组提供12V稳压直流电和1.25V～27V稳压直流电。振荡电路的工作电压是12V直流电源，产生15kHz的脉冲信号。

图1 设计电路原理图

功率转换的能源是1.25～27V的直流电。通过脉冲高压经倍压整流而获得高压静电。振荡电路产生基脉冲信号，经放大电路放大，在变压器的升压下，输出12kV的高压，最后经过8倍压整流使输出的电压达到80kV。恒流自动控制使工作电流恒定。

2.1 电路分析

直流高压产生装置电路如图2所示。

2.2 电源电路

电源经变压器降压后，在次级绕组上产生13V和23V交流电，供给12V和1.25～27V稳压源电路。13V交流电经整流和稳压电路稳压后，输出稳定电压12V。 23V交流电经整流和稳压电路稳压后，输出可调电压1.25～27V。

2.3 放大及振荡电路

振荡电路输出脉冲方波。输出方波的频率如下式：

由式子和电路原理图可知，功率放大由功率三级管完成。555定时器的输出电流能达到200mA，所以可以驱动功率管。

2.4 高压升压及倍压整流电路

高压升压由高压升压变压器完成。升压后，输出电压12kV。倍压整流由8倍压电路完成。倍压整流电路的整流管选用耐压值20kV的高压整流硅堆。输出的电压是变压器次级输出电压的8倍，可达80kV。

2.5 恒流自动控制电路

恒流自动控制电路工作时，功放管输出电压降低，静电电压降低，使静电电流恒定在某一电流值上。高压静电发生器能输出0～880kV可调连续电压，可设定恒流控制范围在50～100μA。

2.6 隔离和滤波电路

由于工作于振荡状态，会产生某些有害干扰，所以需要进行隔离和滤波来阻止这些干扰。隔离的方式是变压器隔离。电路的驱动电路采用电压比较器，它能产生幅度相等、相位相反的脉冲信号，加到开关管的基极后，能达到电路的要求。

3 吸尘头装置

3.1 梳状电极

气流通过梳状电极电场作用使其中的尘粒得到较多电荷，再进入除尘器中除尘，从而提高除尘效率。筒状在地板上滚动，可以很方便快捷的吸收地面上的不易被普通吸尘器清理的毛发等尘埃，从而达到除尘的目的。

图3 梳状电极

梳状电极由一组平行的，长短不一的尖端组成，尖端弯，并卷成一圆筒状，如图3所示的梳状电极，曲率的半径越小，电荷的密度越大，尖端附近的电场越强。在电极上通电时，梳状电极两端产生较强的电场，使空气分子电离，电离后的电子被电极吸附，而正电荷的尘粒随气流流动，从而达到尘粒电量增多的目的。

3.2 吸尘头装置

吸尘器头部装置的设计如图4所示，能方便的在地面滚动来吸起地板上的毛发。

图4 吸发器头装置图

4 结语

本设计是一种由低压直流电源供电的高压静电除尘装置。静电吸尘器结构简单使用方便，可以理应不同吸附工具吸附灰尘、人员不宜够到的地方的杂质。如天花板、高处蜘蛛网、吊扇灰尘、窗帘布、外部阳台玻璃灰尘、床里头旮旯灰尘、下水道杂质异物(如筷子、汤匙)吸出(需干燥除水后实施)等等用处。相比与普通吸尘器，噪音更小，清洁效果更明显，操作更方便。可用于普通居民家庭中地面毛发等灰尘的清理，又可用于理发店美发厅等易积聚毛发场合的地面的清理。静电吸尘器目前还未出现在家庭市场上，有很好的应用领域和市场前景。

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