孙奉娄，李 佳

(中南民族大学 等离子体研究所，武汉 430074 )

大气压交流放电自动频率跟踪电路的设计

孙奉娄，李 佳

(中南民族大学 等离子体研究所，武汉 430074 )

根据等离子体美容仪负载的特殊性要求，设计了大气压交流放电状态自动频率跟踪电路，以达到仪器的稳定输出.详细讨论了频率自动跟踪电路的设计思想和实现方案.利用窗口比较器来检测输出状态改变，并转换为V/f变换的控制信号，通过压控振荡使得功率变换器的振荡频率跟踪系统本征频率的变化，以保持谐振状态，得到稳定输出.对所研制的电路进行了具体测试，结果表明：频率跟踪效果好，仪器输出稳定，使用效果佳.

大气压; 交流放电; 频率自动跟踪; 压控振荡

大气压放电等离子体技术已广泛应用消毒灭菌、美容等领域[1-3].产生大气压放电装置的结构有多种[4-5]，但应用于消毒灭菌、美容等的仪器结构大同小异.这类仪器大多使用高电压高频交流电源，它的负载由分布电感与分布电容组成LC回路，一般都使之工作在谐振状态.对类似于等离子体美容仪这样的放电装置，喷嘴放电处与人体接近和离开人体较远时，由于电极的有效导电面积不同，电极的等效电容不一样，造成LC回路的固有频率发生改变.如果电源频率不随之变化，负载会与电源失谐，从而导致工作状态和输出强度变化.有些臭氧发生器采用自激振荡，其频率与沿面放电陶瓷片特性相匹配.温度变化时陶瓷片阻容特性变化，低温时可能不起振，高温时偏离最佳工作状态，效率变低.因此，解决频率跟踪是这类大气放电装置稳定输出的关键.有些商用美容仪或臭氧发生器的放电装置为了避免放电等离子体喷嘴移动时出现大波动，有意将其工作在偏离谐振频率的失谐态，使得频率变动造成的电压波幅不十分显著.这种做法的缺陷是明显的.为了解决这些问题，本文设计了一种交流放电状态频率自动跟踪电路.

1 大气压下放电特性测试

对一台商用等离子体美容仪进行考察测试发现，一般情况下在引线长度与其它条件不变时，谐振频率约有2 kHz的变化.启动时仪器并未接触人体(远态)，喷嘴未拉出等离子体放电火苗.此时负载等效电极面积(电容)较小，因而固有频率较高；远态时的电压频率曲线如图1中曲线①所示.当仪器与人体接触(近态)时，电极有效面积增大，因而频率下降；近态时电压频率曲线如图1中曲线②所示.设A为远态时的工作点，当等离子体美容仪由远靠近人体时，其特性曲线由①变为②.此时，若电源的频率ω1不变，则工作点由A变为B，对应输出电压幅度由Vf1下降到Vf2，会造成明显的放电减弱，甚至放电等离子体火苗自熄灭.此外，等离子体喷嘴接近人体时，因为气体击穿时的电压较高，火苗产生并伴有皮肤针扎感.

图1 不同工作状态的谐振曲线 Fig.1 Resonance curves of different working states

2 频率自动控制电路设计思想

控制目标是使等离子体放电强度稳定，放电强度由放电电极的电压决定.由前面分析可知，系统输出电路的拓朴结构为LC谐振回路，电压波动是由系统的工况变化带来固有频率变化所造成的.可以通过频率自动控制来跟踪固有频率变化，也就是根据工况变化自动将工作频率由ω1变为ω2，则工作点由A变为A1(见图1)，仍保持系统处于准谐振状态，维持输出电压幅度基本不变，便可以得到仪器的稳定输出.

等离子体美容仪这样的放电装置在工作过程中状态改变快，因而要求输出频率跟踪快；当放电装置并无电介质(气体介质除外)阻挡时，输出电压还不能过高，否则喷嘴接近人体时会造成不适感.因此要求自动控制过程既要快，又不能电压过冲.

3 控制电路设计方案

频率自动跟踪控制电路原理框图如图2所示.用一辅助绕组取样监测输出电压Vf，以负反馈闭环达到稳定.

为避免对人体的刺激感觉，调节过程最好不出现电压上跳或过冲.开始启动时，工作点应该在图1中曲线①ω01之右侧，并限制在一定范围内较好，即开启时工作点位于ω01的右侧(A点).

图2 控制系统原理图Fig.2 Principle diagram of the control system

系统以NE555构成V/f变换实现压控振荡[6-7](VCO).实验中得到随频率变化的电压f/V曲线如图3所示.

图3 频率和电压曲线 Fig.3 Frequency and voltage curve

根据控制原理设计的电路如图4所示.取样反馈信号Vf输入到窗口比较器，窗口比较器的结果使Q1或Q2动作对C1充或放电，C1电压的变化改变555的输出频率.

图4 电路原理图Fig.4 The principle diagram of the circuit

由图4所见，设定窗口比较器上限电平为V1，下限为V2，开机时实现在C1上预置一电压Vm(Vm由稳压二极管DW1之稳压值决定)，使NE555工作在图1中的ω1右侧.即C0充电使Q3导通，由Q3射极输出初始电压为VZ，当V1>VZ>V2时，OP1、OP2都输出高电平，Q4导通，NE555第5脚得到2V左右的电压，对应输出一较高的频率(约18kHz).

电路启动后等离子体发生器有电压输出，取样电压Vf开始起作用(有一输出值)，它与设定窗口进行比较.取样电压Vf低于上限电平阈值V1，同时低于下限阈值V2时，上比较器OP1输出高电平，Q2截止，下比较器OP2输出低电平，Q1导通，这时给C1充电，NE555第5脚Vm提高使振荡频率下降，产生等离子体的输出电压增高；若Vf介于V1和V2之间，上下两比较器均输出高电平，Q1、Q2同时截止，C1上电压不变，因而输出频率不变，等离子体输出电压也不变；当Vf超过上限阈值V1时，上比较器OP1输出低电平，而下比较器输出高电平，Q2给C1放电，Vm降低，输出频率增高，输出电压降低.

4 电路调试及效果

经电路调试可得出以下结果.

(1) 窗口电压|V1-V2|取值较小时，频率跟踪好，因而输出波动幅度小.

(2)稳压管二极管DW1的稳压值决定电源输出起始频率.为保证电路工作在ω01右侧附近(见图1)，使得系统开机后能快速平滑向稳定工作点靠拢，在系统结构即分布参数确定后，需要先测试ω01，再确定DW1的稳压值.

(3)稳压二极管DW0的稳压值Vω满足V2

(4)C1、R1时间常数应足够大，以防电路振荡.DW1稳压值需在稳态时的波动范围之内，否则系统不易稳定.

(5)频率跟踪效果良好.该方案的控制目标是气体自动击穿后保持稳定输出，即在接近人体时来回晃动喷枪(其与皮肤的距离有变化)的过程中保持输出强度稳定.在电路上是通过追踪固有谐振频率的变化来保持输出电压的稳定.因此，只需观测放电电压的变化情况.在喷嘴移动的过程中电压幅度变化很小，在10%以内，即认为跟踪良好.实测效果如图5所示.

图5 实测效果图Fig.5 Measured graphs

(6)提高了舒适感.在大气压下，等离子体冷态启动较困难.在无频率自动跟踪时需要施加高于正常工作的电压才能启辉放电，即气体击穿电压高于维持放电电压.氦气作为工作介质的放电装置中，并无介质阻挡，频繁间歇启动都会较大的电流冲击，对人体有“针扎”的感觉.自动频率跟踪是将工作点设在刚好击穿点火的电压，且状态变化时不易熄灭，无须频繁启动，大大减少了“针扎”现象.

5 结语

本文设计的等离子体大气放电状态频率自动跟踪电路已通过实验室测试，频率跟踪效果良好.初步应用表明，使用此项技术后大大提高了仪器使用的舒适感和安全性，可直接应用于改进等离子体杀菌消毒仪和美容仪.

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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

孙奉娄(1957-)，男，教授，研究方向：低温等离子体应用技术研究，E-mail: sunhe@mail.scuec.edu.cn

国家民委自然科学基金资助项目(MZY15001)

TN710; TP29

A

1672-4321(2016)04-0092-03