大氣壓交流放電自動(dòng)頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)

孫奉?yuàn)?，?佳

(中南民族大學(xué) 等離子體研究所，武漢 430074 )

大氣壓交流放電自動(dòng)頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)

孫奉?yuàn)洌?佳

(中南民族大學(xué) 等離子體研究所，武漢 430074 )

根據(jù)等離子體美容儀負(fù)載的特殊性要求，設(shè)計(jì)了大氣壓交流放電狀態(tài)自動(dòng)頻率跟蹤電路，以達(dá)到儀器的穩(wěn)定輸出.詳細(xì)討論了頻率自動(dòng)跟蹤電路的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案.利用窗口比較器來檢測(cè)輸出狀態(tài)改變，并轉(zhuǎn)換為V/f變換的控制信號(hào)，通過壓控振蕩使得功率變換器的振蕩頻率跟蹤系統(tǒng)本征頻率的變化，以保持諧振狀態(tài)，得到穩(wěn)定輸出.對(duì)所研制的電路進(jìn)行了具體測(cè)試，結(jié)果表明：頻率跟蹤效果好，儀器輸出穩(wěn)定，使用效果佳.

大氣壓; 交流放電; 頻率自動(dòng)跟蹤; 壓控振蕩

大氣壓放電等離子體技術(shù)已廣泛應(yīng)用消毒滅菌、美容等領(lǐng)域[1-3].產(chǎn)生大氣壓放電裝置的結(jié)構(gòu)有多種[4-5]，但應(yīng)用于消毒滅菌、美容等的儀器結(jié)構(gòu)大同小異.這類儀器大多使用高電壓高頻交流電源，它的負(fù)載由分布電感與分布電容組成LC回路，一般都使之工作在諧振狀態(tài).對(duì)類似于等離子體美容儀這樣的放電裝置，噴嘴放電處與人體接近和離開人體較遠(yuǎn)時(shí)，由于電極的有效導(dǎo)電面積不同，電極的等效電容不一樣，造成LC回路的固有頻率發(fā)生改變.如果電源頻率不隨之變化，負(fù)載會(huì)與電源失諧，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)和輸出強(qiáng)度變化.有些臭氧發(fā)生器采用自激振蕩，其頻率與沿面放電陶瓷片特性相匹配.溫度變化時(shí)陶瓷片阻容特性變化，低溫時(shí)可能不起振，高溫時(shí)偏離最佳工作狀態(tài)，效率變低.因此，解決頻率跟蹤是這類大氣放電裝置穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵.有些商用美容儀或臭氧發(fā)生器的放電裝置為了避免放電等離子體噴嘴移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)大波動(dòng)，有意將其工作在偏離諧振頻率的失諧態(tài)，使得頻率變動(dòng)造成的電壓波幅不十分顯著.這種做法的缺陷是明顯的.為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種交流放電狀態(tài)頻率自動(dòng)跟蹤電路.

1 大氣壓下放電特性測(cè)試

對(duì)一臺(tái)商用等離子體美容儀進(jìn)行考察測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一般情況下在引線長度與其它條件不變時(shí)，諧振頻率約有2 kHz的變化.啟動(dòng)時(shí)儀器并未接觸人體(遠(yuǎn)態(tài))，噴嘴未拉出等離子體放電火苗.此時(shí)負(fù)載等效電極面積(電容)較小，因而固有頻率較高；遠(yuǎn)態(tài)時(shí)的電壓頻率曲線如圖1中曲線①所示.當(dāng)儀器與人體接觸(近態(tài))時(shí)，電極有效面積增大，因而頻率下降；近態(tài)時(shí)電壓頻率曲線如圖1中曲線②所示.設(shè)A為遠(yuǎn)態(tài)時(shí)的工作點(diǎn)，當(dāng)?shù)入x子體美容儀由遠(yuǎn)靠近人體時(shí)，其特性曲線由①變?yōu)棰?此時(shí)，若電源的頻率ω1不變，則工作點(diǎn)由A變?yōu)锽，對(duì)應(yīng)輸出電壓幅度由Vf1下降到Vf2，會(huì)造成明顯的放電減弱，甚至放電等離子體火苗自熄滅.此外，等離子體噴嘴接近人體時(shí)，因?yàn)闅怏w擊穿時(shí)的電壓較高，火苗產(chǎn)生并伴有皮膚針扎感.

圖1 不同工作狀態(tài)的諧振曲線 Fig.1 Resonance curves of different working states

2 頻率自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)思想

控制目標(biāo)是使等離子體放電強(qiáng)度穩(wěn)定，放電強(qiáng)度由放電電極的電壓決定.由前面分析可知，系統(tǒng)輸出電路的拓樸結(jié)構(gòu)為LC諧振回路，電壓波動(dòng)是由系統(tǒng)的工況變化帶來固有頻率變化所造成的.可以通過頻率自動(dòng)控制來跟蹤固有頻率變化，也就是根據(jù)工況變化自動(dòng)將工作頻率由ω1變?yōu)棣?，則工作點(diǎn)由A變?yōu)锳1(見圖1)，仍保持系統(tǒng)處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)，維持輸出電壓幅度基本不變，便可以得到儀器的穩(wěn)定輸出.

等離子體美容儀這樣的放電裝置在工作過程中狀態(tài)改變快，因而要求輸出頻率跟蹤快；當(dāng)放電裝置并無電介質(zhì)(氣體介質(zhì)除外)阻擋時(shí)，輸出電壓還不能過高，否則噴嘴接近人體時(shí)會(huì)造成不適感.因此要求自動(dòng)控制過程既要快，又不能電壓過沖.

3 控制電路設(shè)計(jì)方案

頻率自動(dòng)跟蹤控制電路原理框圖如圖2所示.用一輔助繞組取樣監(jiān)測(cè)輸出電壓Vf，以負(fù)反饋閉環(huán)達(dá)到穩(wěn)定.

為避免對(duì)人體的刺激感覺，調(diào)節(jié)過程最好不出現(xiàn)電壓上跳或過沖.開始啟動(dòng)時(shí)，工作點(diǎn)應(yīng)該在圖1中曲線①ω01之右側(cè)，并限制在一定范圍內(nèi)較好，即開啟時(shí)工作點(diǎn)位于ω01的右側(cè)(A點(diǎn)).

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the control system

系統(tǒng)以NE555構(gòu)成V/f變換實(shí)現(xiàn)壓控振蕩[6-7](VCO).實(shí)驗(yàn)中得到隨頻率變化的電壓f/V曲線如圖3所示.

圖3 頻率和電壓曲線 Fig.3 Frequency and voltage curve

根據(jù)控制原理設(shè)計(jì)的電路如圖4所示.取樣反饋信號(hào)Vf輸入到窗口比較器，窗口比較器的結(jié)果使Q1或Q2動(dòng)作對(duì)C1充或放電，C1電壓的變化改變555的輸出頻率.

圖4 電路原理圖Fig.4 The principle diagram of the circuit

由圖4所見，設(shè)定窗口比較器上限電平為V1，下限為V2，開機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)在C1上預(yù)置一電壓Vm(Vm由穩(wěn)壓二極管DW1之穩(wěn)壓值決定)，使NE555工作在圖1中的ω1右側(cè).即C0充電使Q3導(dǎo)通，由Q3射極輸出初始電壓為VZ，當(dāng)V1>VZ>V2時(shí)，OP1、OP2都輸出高電平，Q4導(dǎo)通，NE555第5腳得到2V左右的電壓，對(duì)應(yīng)輸出一較高的頻率(約18kHz).

電路啟動(dòng)后等離子體發(fā)生器有電壓輸出，取樣電壓Vf開始起作用(有一輸出值)，它與設(shè)定窗口進(jìn)行比較.取樣電壓Vf低于上限電平閾值V1，同時(shí)低于下限閾值V2時(shí)，上比較器OP1輸出高電平，Q2截止，下比較器OP2輸出低電平，Q1導(dǎo)通，這時(shí)給C1充電，NE555第5腳Vm提高使振蕩頻率下降，產(chǎn)生等離子體的輸出電壓增高；若Vf介于V1和V2之間，上下兩比較器均輸出高電平，Q1、Q2同時(shí)截止，C1上電壓不變，因而輸出頻率不變，等離子體輸出電壓也不變；當(dāng)Vf超過上限閾值V1時(shí)，上比較器OP1輸出低電平，而下比較器輸出高電平，Q2給C1放電，Vm降低，輸出頻率增高，輸出電壓降低.

4 電路調(diào)試及效果

經(jīng)電路調(diào)試可得出以下結(jié)果.

(1) 窗口電壓|V1-V2|取值較小時(shí)，頻率跟蹤好，因而輸出波動(dòng)幅度小.

(2)穩(wěn)壓管二極管DW1的穩(wěn)壓值決定電源輸出起始頻率.為保證電路工作在ω01右側(cè)附近(見圖1)，使得系統(tǒng)開機(jī)后能快速平滑向穩(wěn)定工作點(diǎn)靠攏，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即分布參數(shù)確定后，需要先測(cè)試ω01，再確定DW1的穩(wěn)壓值.

(3)穩(wěn)壓二極管DW0的穩(wěn)壓值Vω滿足V2

(4)C1、R1時(shí)間常數(shù)應(yīng)足夠大，以防電路振蕩.DW1穩(wěn)壓值需在穩(wěn)態(tài)時(shí)的波動(dòng)范圍之內(nèi)，否則系統(tǒng)不易穩(wěn)定.

(5)頻率跟蹤效果良好.該方案的控制目標(biāo)是氣體自動(dòng)擊穿后保持穩(wěn)定輸出，即在接近人體時(shí)來回晃動(dòng)噴槍(其與皮膚的距離有變化)的過程中保持輸出強(qiáng)度穩(wěn)定.在電路上是通過追蹤固有諧振頻率的變化來保持輸出電壓的穩(wěn)定.因此，只需觀測(cè)放電電壓的變化情況.在噴嘴移動(dòng)的過程中電壓幅度變化很小，在10%以內(nèi)，即認(rèn)為跟蹤良好.實(shí)測(cè)效果如圖5所示.

圖5 實(shí)測(cè)效果圖Fig.5 Measured graphs

(6)提高了舒適感.在大氣壓下，等離子體冷態(tài)啟動(dòng)較困難.在無頻率自動(dòng)跟蹤時(shí)需要施加高于正常工作的電壓才能啟輝放電，即氣體擊穿電壓高于維持放電電壓.氦氣作為工作介質(zhì)的放電裝置中，并無介質(zhì)阻擋，頻繁間歇啟動(dòng)都會(huì)較大的電流沖擊，對(duì)人體有“針扎”的感覺.自動(dòng)頻率跟蹤是將工作點(diǎn)設(shè)在剛好擊穿點(diǎn)火的電壓，且狀態(tài)變化時(shí)不易熄滅，無須頻繁啟動(dòng)，大大減少了“針扎”現(xiàn)象.

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的等離子體大氣放電狀態(tài)頻率自動(dòng)跟蹤電路已通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，頻率跟蹤效果良好.初步應(yīng)用表明，使用此項(xiàng)技術(shù)后大大提高了儀器使用的舒適感和安全性，可直接應(yīng)用于改進(jìn)等離子體殺菌消毒儀和美容儀.

[1] Moshe Lapidoth，Shlomit Halachmi，Sarit Cohen，etc. Fractional CO2laser in the treatment of facial scars in children[J]. Lasers in Medical Science，2014，29(2)：855-857.

[2] Suzanne Kilmer，Natalie Semchyshyn，Geeta Shah，etc. A pilot study on the use of a plasma skin regeneration device (R PSR ) in full facial rejuvenation procedures[J]. Lasers in Medical Science，2007，22(2)：101-109.

[3] Lian-Zhao Wang，Jin-Ping Ding，Ming-Yong Yang，etc. Treatment of facial post-burn hyperpigmentation using micro-plasma radiofrequency technology[J]. Lasers in Medical Science，2015，30(1)：241-245.

[4] Satiko Okazaki，Masuhiro Kogoma，Makoto Uehara，etc. Appearance of stable glow discharge in air, argon, oxygen and nitrogen at atmosphericpressure using a 50 Hz source[J]. J Phys D：Appl Phys，1993，26：889-892.

[5] Kanazawa S，Kogoma M，Moriwaki T，etc. Stable glow plasma at atmospheric pressure[J]. J Phys D: Appl Phys，1988，21：838-840.

[6] 楊紅國，徐崇穎. 淺談集成電路應(yīng)用[J]. 電子世界，2012(7)：87-88.

[7] 陳明潔. 高性能的壓控振蕩調(diào)頻電路設(shè)計(jì)與分析[J]. 電子世界，2014(5)：62-63.

Frequency Automatic Tracking of AC Discharge at Atmospheric Pressure

Sun Fenglou, Li Jia

(Institute of Plasma Technology Research ,South - Central University for Nationalities , Wuhan 430074 , China)

According to the particularity requirement of the plasma cosmetic instrument load, the automatic frequency tracking circuit of the atmospheric pressure AC discharge was designed to achieve a stable output of the instrument. The design idea and implementation scheme of the automatic frequency tracking circuit was discussed in detail. The change of output voltage caused by oscillation frequency was detected by the window comparator. The frequency of generator was followed with v/f transform circuit.A stable output was obtained through frequency automatic tracking . For the designed circuit, specific tests were carried out. The results show that the frequency tracking ability is excellent. The instrument obtains a stable output and good utilization effect.

atmospheric pressure; AC discharge; frequency automatic tracking; VCO

2016-06-30

孫奉?yuàn)?1957-)，男，教授，研究方向：低溫等離子體應(yīng)用技術(shù)研究，E-mail: sunhe@mail.scuec.edu.cn

國家民委自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(MZY15001)

TN710; TP29

A

1672-4321(2016)04-0092-03