專利名稱：一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，屬于高電壓技術(shù)領(lǐng)域，
背景技術(shù)：
隨著高電壓的迅速發(fā)展，電壓等級(jí)越來越高，然而目前半導(dǎo)體開關(guān)的最大電壓等級(jí)為1200v，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足某些場(chǎng)合的需求?，F(xiàn)在市面上已有的基于“雪崩擊穿”原理的氫閘流管價(jià)格昂貴，對(duì)于科研經(jīng)費(fèi)不足
的研究者是個(gè)難題，從而阻礙科研的進(jìn)程。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置。本實(shí)用新型為高壓脈沖電源(BPFN)提供一個(gè)觸發(fā)開關(guān)，解決的因電壓等級(jí)過高而無法使用半導(dǎo)體開關(guān)(MOSFET，，IGBT )的難題，利用導(dǎo)通頻率可控的空氣開關(guān)作為觸發(fā)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電源的輸出頻率可控。本實(shí)用新型所需要解決的技術(shù)問題，可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，包括觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置，提供一個(gè)低壓直流的脈沖信號(hào)；高壓模塊，接受所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出的所述脈沖信號(hào)，升壓成為觸發(fā)電壓；放電電極裝置，具有陽極電極、陰極電極和觸發(fā)電極，所述陽極電極和所述陰極電極分別連接金屬調(diào)節(jié)桿；以及絕緣外殼，采用絕緣材料制成，用以盛裝所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置、所述高壓模塊和所述放電電極裝置，其中，所述金屬調(diào)節(jié)桿伸出所述絕緣外殼，用以調(diào)節(jié)所述陽極電極和所述陰極電極之間的距離。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征其中，所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置與所述高壓模塊之間設(shè)置限流電阻，用于防止所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的所述脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流過大而燒壞所述高壓模塊。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置包括NE555芯片和可變電阻，所述可變電阻包括變阻器R1和變阻器R2，通過調(diào)節(jié)變阻器R1來改變觸發(fā)信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)變阻器R2則改變觸發(fā)信號(hào)的占空比D。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征其中，所述高壓模塊由開關(guān)管、直流電源和高壓包構(gòu)成高壓模塊電路，所述開關(guān)管，具有導(dǎo)通和斷開所述高壓模塊電路的作用；所述直流電源，為一直流低壓電源，其電壓為12V ；以及所述高壓包，具有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，所述次級(jí)線圈的正極接所述觸發(fā)電極，所述次級(jí)線圈的負(fù)極接所述陰極電極，將所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出的12V的所述脈沖信號(hào)，升壓成為3-4KV的所述觸發(fā)電壓，其中，所述開關(guān)管與二極管串聯(lián)，防止所述高壓包的所述次級(jí)線圈產(chǎn)生的電能未完全釋放而逆向傳給所述初級(jí)線圈，進(jìn)而防止反向擊穿所述開關(guān)管。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征所述高壓包為彩色電視機(jī)用的高壓包模塊，或者摩托車用的點(diǎn)火線圈模塊。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征所述開關(guān)管為設(shè)置有散熱鋁片，輔助散熱，防止所述開關(guān)管因過熱而造成損壞。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征其中，所述陽極電極采用金屬制成球面電極，與所述金屬調(diào)節(jié)桿螺紋連接；以及所述陰極電極采用金屬制成球面電極，與所述金屬調(diào)節(jié)桿螺紋連接。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特
征其中，所述金屬調(diào)節(jié)桿的末端為星型絕緣柄。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征所述絕緣外殼，采用絕緣材料制成長方體型結(jié)構(gòu)，分為弱電室和強(qiáng)電室兩個(gè)部分所述弱電室內(nèi)具有所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置、所述限流電阻和所述高壓模塊；以及所述強(qiáng)電室內(nèi)具有放電電極裝置，其中，所述強(qiáng)電室的側(cè)壁上設(shè)置有供所述金屬調(diào)節(jié)桿和所述觸發(fā)電極伸出的孔。進(jìn)一步，本實(shí)用新型的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置還可以具有這樣的特征其中，所述觸發(fā)電極采用火花塞或金屬棒。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型適用高壓脈沖電源(BPFN)，并且開關(guān)導(dǎo)通頻率可調(diào)。與現(xiàn)有的裝置相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果是研究者可以通過調(diào)節(jié)變阻器來實(shí)現(xiàn)脈沖電源輸出頻率的需求，并且本實(shí)用新型設(shè)計(jì)放電電極距離可調(diào)，故本裝置適用于電壓范圍更大的領(lǐng)域。與MOSFET，IGBT，晶閘管等相比，本實(shí)用新型裝置耐壓可達(dá)數(shù)十千伏，耐流可達(dá)數(shù)百安，這是半導(dǎo)體開關(guān)所不能及的。與現(xiàn)有的氫閘流管相比，本實(shí)用新型具有成本低廉，易于制作，并且能滿足開關(guān)需求。

圖I為用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置的原理圖。圖2為觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置的電路原理圖。圖3為放電電極裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置的工作流程圖。附圖標(biāo)記絕緣外殼100、弱電室110、強(qiáng)電室120。觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10、限流電阻20、高壓模塊30、開關(guān)管31、直流電源32、高壓包33。放電電極裝置40、陽極電極41、陰極電極42、金屬調(diào)節(jié)桿43、觸發(fā)電極44。高壓脈沖電源(BPFN) 50。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而非用于限定本實(shí)用新型的范圍。實(shí)施例圖I為用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置的原理圖。如圖I所示，一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，具有絕緣外殼100。絕緣外殼100，采用聚乙烯樹脂板材加工而成的長方體型盒子，絕緣外殼是由聚乙烯板材經(jīng)過切割、打孔等工序加工成帶孔 的長方體盒子，用于固定本實(shí)用新型的放電電極裝置40等機(jī)械構(gòu)件，如陽極電極41、陰極電極42、金屬調(diào)節(jié)桿43、觸發(fā)電極44。由于開關(guān)用于高壓場(chǎng)合，故絕緣性能必須良好，才能保證電極不其它物品及人體放電。絕緣外殼100內(nèi)具有由觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10、限流電阻20、高壓模塊30、放電電極裝置40、高壓脈沖電源(BPFN) 50構(gòu)成的電路。絕緣外殼100分為弱電室110和強(qiáng)電室120兩個(gè)部分。弱電室110和強(qiáng)電室120將弱電和強(qiáng)電元器件分離開來，以防觸電。弱電室110用于盛裝觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10、限流電阻20和高壓模塊30。強(qiáng)電室120內(nèi)具有放電電極裝置40，并且用于固定放電電極裝置40，強(qiáng)電室120的壁上打有直徑6mm的內(nèi)螺紋孔，供金屬調(diào)節(jié)桿43和觸發(fā)電極44伸出。圖2為觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置的電路原理圖，如圖2所示，觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10，提供一個(gè)12v的低壓直流的脈沖信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10包括NE555芯片(亦稱為NE555定時(shí)器)、外接電子元件構(gòu)成的電路和可變電阻，可變電阻包括變阻器R1和變阻器R2。NE555芯片(亦稱為NE555定時(shí)器)，將NE555芯片的英文data sheet上的典型電路作為外部電路，將其中2個(gè)固定電阻修改為可變電阻。可變電阻包括變阻器R1和變阻器R2，可變電阻就可以產(chǎn)生頻率和占空比均可調(diào)的12v脈沖信號(hào)。通過調(diào)節(jié)變阻器R1來改變觸發(fā)信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)變阻器R2則可以改變觸發(fā)十目號(hào)的占空比D。脈沖信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管31，如MOSFET柵極，但必須接上限流電阻20，防止驅(qū)動(dòng)電流過大而燒壞MOSFET。利用NE555定時(shí)器設(shè)計(jì)頻率和占空比都可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器，輸出頻率和占空比計(jì)算公式如下tPH ^ O. 7RacrPL ^ O. 7Rbc
I1.43輸出波形頻率
I η. I J-t V jiiy /
Γ)輸出波形占空比</(%)= ηττ Γ χ 100%
K,l + kH圖4為用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置的工作流程圖。如圖I和圖4所示，高壓模塊30由開關(guān)管31、直流電源32和高壓包33構(gòu)成高壓模塊電路。開關(guān)管31，具有導(dǎo)通和斷開高壓模塊電路的作用。開關(guān)管31采用功率MOSFET型號(hào)為Κ2545 (簡(jiǎn)稱M0SFET)，與一個(gè)二極管串聯(lián)，目的防止高壓包33的次級(jí)線圈點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的電能未完全釋放而逆向傳給初級(jí)線圈，進(jìn)而反向擊穿MOSFET造成元件及電路的損壞。開關(guān)管31 (MOSFET)設(shè)置有散熱鋁片，輔助散熱，防止開關(guān)管31因過熱而造成損壞。在另一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)管31也可以采用MOS。直流電源32，為一直流低壓電源，其電壓為12v。高壓包33可以采用彩色電視機(jī)用的高壓包模塊，或者摩托車用的點(diǎn)火線圈GY6模塊。高壓包33具有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，次級(jí)線圈的正極接觸發(fā)電極44，次級(jí)線圈的負(fù)極接陰極電極42。高壓包33將觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置10發(fā)出的12V的脈沖信號(hào)，升壓成為3-4KV的觸發(fā)電壓，從而給觸發(fā)電極提供觸發(fā)電壓。圖3為放電電極裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，放電電極裝置40包括陽極電極41、陰極電極42和觸發(fā)電極44，陽極電極41和陰極電極42分別連接金屬調(diào)節(jié)桿43。陽極電極41、陰極電極42米用一對(duì)銅球作為陰陽放電電極,亦可稱為球面電極。陽極電極41采用金屬制成球面電極，與金屬調(diào)節(jié)桿43螺紋連接；陰極電極42采用金屬制成球面電極，與金屬調(diào)節(jié)桿43螺紋連接。陽極電極41、陰極電極42由表面光滑的銅質(zhì)小球，打有非穿透的內(nèi)螺紋孔，再將一對(duì)金屬調(diào)節(jié)桿43的一端分別旋入陽極電極41、陰極電極42。一對(duì)金屬調(diào)節(jié)桿43的另一端伸出強(qiáng)電室120的側(cè)壁上孔，該孔可以設(shè)置為螺紋孔。金屬調(diào)節(jié)桿43的直徑為6mm，并且具有與孔上的內(nèi)螺紋孔相匹配的外螺紋。金屬調(diào)節(jié)桿43伸出強(qiáng)電室120的側(cè)壁的末端設(shè)置有星型絕緣柄。在本實(shí)施例中，一對(duì)金屬調(diào)節(jié)桿43呈水平方向設(shè)置，通過旋轉(zhuǎn)金屬調(diào)節(jié)桿43的星型絕緣柄來調(diào)節(jié)陽極電極41和陰極電極42之間的距離。金屬調(diào)節(jié)桿43可以旋動(dòng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)金屬調(diào)節(jié)桿43則往強(qiáng)電室120里伸，反之，則向強(qiáng)電室120外退出。觸發(fā)電極44可以用摩托車上的火花塞，也可以用細(xì)長的金屬棒，金屬棒的一端為尖端。觸發(fā)電極44固定在絕緣外殼100的強(qiáng)電室120的下壁，并伸出強(qiáng)電室120的下壁。觸發(fā)電極44的尖端離陰極電極42更近，調(diào)節(jié)好陽極電極41和陰極電極42之間的距離，當(dāng)陽極電極41和陰極電極42之間加上一定的電壓時(shí)，給觸發(fā)電極44 一個(gè)脈沖電壓4KV左右，使得觸發(fā)電極44與陰極電極42產(chǎn)生空氣擊穿，這樣就會(huì)在擊穿附近的空間產(chǎn)生等離子體，當(dāng)陽極電極41和陰極電極42之間的距離和陽極電極41和陰極電極42之間所加的電壓值都合適時(shí)，就可以發(fā)生空氣擊穿而使得開關(guān)導(dǎo)通。本實(shí)用新型裝置適用于電壓范圍在800v一30kv 場(chǎng)所。以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了說明，但本實(shí)用新型并不以此為限，只要不脫離本實(shí)用新型的宗旨，本實(shí)用新型還可以有各種變化。
權(quán)利要求1.一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于，包括 觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)，提供一個(gè)低壓直流的脈沖信號(hào)； 高壓模塊(30)，接受所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)發(fā)出的所述脈沖信號(hào)，升壓成為觸發(fā)電壓； 放電電極裝置(40 )，具有陽極電極(41)、陰極電極(42 )和觸發(fā)電極(44)，所述陽極電極(41)和所述陰極電極(42)分別連接金屬調(diào)節(jié)桿(43);以及 絕緣外殼(100)，采用絕緣材料制成，用以盛裝所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)、所述高壓模塊(30 )和所述放電電極裝置(40 )， 其中，所述金屬調(diào)節(jié)桿(43)伸出所述絕緣外殼(100)，用以調(diào)節(jié)所述陽極電極(41)和所述陰極電極(42)之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)與所述高壓模塊(30)之間設(shè)置限流電阻(20)，用于防止所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)產(chǎn)生的所述脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流過大而燒壞所述高壓模塊(30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)包括NE555芯片和可變電阻，所述可變電阻包括變阻器R1和變阻器R2, 通過調(diào)節(jié)變阻器R1來改變觸發(fā)信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)變阻器R2則改變觸發(fā)信號(hào)的占空比D。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述高壓模塊(30)由開關(guān)管(31)、直流電源(32)和高壓包(33)構(gòu)成高壓模塊電路， 所述開關(guān)管(31)，具有導(dǎo)通和斷開所述高壓模塊電路的作用； 所述直流電源(32)，為一直流低壓電源，其電壓為12v ;以及 所述高壓包(33)，具有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，所述次級(jí)線圈的正極接所述觸發(fā)電極，所述次級(jí)線圈的負(fù)極接所述陰極電極，將所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)發(fā)出的12V的所述脈沖信號(hào)，升壓成為3-4KV的所述觸發(fā)電壓， 其中，所述開關(guān)管(31)與二極管串聯(lián)，防止所述高壓包(33)的所述次級(jí)線圈產(chǎn)生的電能未完全釋放而逆向傳給所述初級(jí)線圈，進(jìn)而防止反向擊穿所述開關(guān)管(31)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 所述高壓包(33 )為彩色電視機(jī)用的高壓包模塊，或者摩托車用的點(diǎn)火線圈模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 所述開關(guān)管(31)為設(shè)置有散熱鋁片，輔助散熱，防止所述開關(guān)管(31)因過熱而造成損壞。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述陽極電極(41)采用金屬制成球面電極，與所述金屬調(diào)節(jié)桿(43)螺紋連接；以及 所述陰極電極(42)采用金屬制成球面電極，與所述金屬調(diào)節(jié)桿(43)螺紋連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述金屬調(diào)節(jié)桿(43)的末端為星型絕緣柄。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 所述絕緣外殼(100)，采用絕緣材料制成長方體型結(jié)構(gòu)，分為弱電室(110)和強(qiáng)電室(120)兩個(gè)部分 所述弱電室(110)內(nèi)具有所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)、所述限流電阻(20)和所述高壓模塊(30);以及 所述強(qiáng)電室(120)內(nèi)具有放電電極裝置(40)， 其中，所述強(qiáng)電室(120 )的側(cè)壁上設(shè)置有供所述金屬調(diào)節(jié)桿(43 )和所述觸發(fā)電極(44 )伸出的孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于 其中，所述觸發(fā)電極采用火花塞或金屬棒。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于脈沖電源可控高壓空氣開關(guān)裝置，其特征在于，包括觸發(fā)信號(hào)發(fā)生裝置(10)、限流電阻(20)、高壓模塊(30)、放電電極裝置(40)。高壓模塊(30)由開關(guān)管(31)、直流電源(32)和高壓包(33)構(gòu)成高壓模塊電路。放電電極裝置(40)具有陽極電極(41)、陰極電極(42)和觸發(fā)電極(44)，陽極電極(41)和所述陰極電極(42)分別連接金屬調(diào)節(jié)桿(43)；金屬調(diào)節(jié)桿(43)伸出所述絕緣外殼(100)，用以調(diào)節(jié)所述陽極電極(41)和所述陰極電極(42)之間的距離。本實(shí)用新型適用高壓脈沖電源(BPFN)，并且開關(guān)導(dǎo)通頻率可調(diào)。
文檔編號(hào)H03K17/567GK202586910SQ20122020021
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者吳猛, 李孜, 蘇舒 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)