中心議題：
- 設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制型高壓逆變電源
- 介紹逆變電源主回路、PWM控制電路及過流保護(hù)回路
- 實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)論
解決方案：
- 升壓變壓器工作于高頻脈沖狀態(tài)，減小脈沖電源體積
- 電流較大時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)，避免器件的損壞
- 使用等離子體荷電噴霧技術(shù)，降低農(nóng)藥的使用量，減輕對(duì)環(huán)境的污染
環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展優(yōu)先考慮的問題。目前對(duì)農(nóng)作物的病蟲害進(jìn)行化學(xué)防治是植物保護(hù)的主要手段。但是隨著農(nóng)藥使用量的增加，使病蟲害的抗藥性不斷增長(zhǎng)，迫使農(nóng)藥用量愈來(lái)愈大，由此而造成的環(huán)境污染也愈來(lái)愈嚴(yán)重。鑒于農(nóng)藥危害的存在，世界各國(guó)都在進(jìn)行旨在減少農(nóng)藥使用量的研究。我國(guó)目前在生產(chǎn)第一線使用的施藥器械主要還都是二三十年前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其中以背負(fù)手動(dòng)噴霧器為主，噴霧技術(shù)落后制約著農(nóng)藥效力的發(fā)揮，精密噴霧是目前國(guó)際上施藥技術(shù)上的發(fā)展趨勢(shì)。利用物理學(xué)原理開發(fā)的等離子體噴霧技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的高效低污染施藥新技術(shù)。本文在傳統(tǒng)靜電噴灑技術(shù)的基礎(chǔ)上，將利用功率開關(guān)器件IGBT研制的高頻高壓逆變電源應(yīng)用于噴霧技術(shù)，與靜電施藥方法相比，能夠提高霧滴的沉積量，增加霧滴的荷電性能，噴灑施藥可減少藥用量四分之一。
等離子體荷電原理
圖1所示為等離子體荷電原理圖，當(dāng)在電極上施加一定的脈沖高壓時(shí)，窄脈沖電暈放電中產(chǎn)生的高能電子能使氣體電離成正、負(fù)離子，同時(shí)在空間電場(chǎng)中，由于高壓脈沖上升沿陡峭，電子可瞬間加速，而離子幾乎不加速。在這種放電等離子體中，電子溫度特別高，可形成大量的激發(fā)態(tài)分子，各種極富反應(yīng)的自由基將會(huì)引發(fā)氣體分子電離。在電極附近,極性與電極極性相異的離子被電極吸附，與電極極性相同的離子受電排斥并在周圍形成離子區(qū)[1]。當(dāng)藥液在泵或其他外力的作用下由噴頭霧化后形成霧滴并通過電離區(qū)與離子碰撞時(shí)，就把電荷傳給霧滴，使霧滴荷電。而霧滴又對(duì)離子產(chǎn)生排斥力，使充電速度下降，直至充電停止而達(dá)到飽和。
飽和帶電量:
式中，ε0、εr為空氣介電常數(shù)和液體相對(duì)介電常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，d為霧滴直徑。
霧滴在高壓電場(chǎng)的作用下定向飛向植株并在植株上沉積，可提高農(nóng)藥在植株上的沉積量。
與普通靜電噴霧相比，在脈沖放電情況下產(chǎn)生的電流主要由電子漂移形成，而離子漂移速度遠(yuǎn)小于電子漂移速度，在窄脈沖期間離子電流可忽略，所以這種放電能量利用率很高。另外，在高頻高壓脈沖電源電路中，升壓變壓器工作于高頻脈沖狀態(tài)，升壓變壓器的體積極大地縮小，因而使脈沖電源體積得以減小，方便了在實(shí)際中的使用。
等離子體荷電噴霧電源的設(shè)計(jì)
脈沖放電主電路設(shè)計(jì)
脈沖電源整個(gè)電路由主電路和控制電路組成。考慮到荷電噴霧基本上都用在室外，主電路的輸入設(shè)計(jì)為可用蓄電池供電的12V直流電壓，將它加在由電容C4、C5、IGBT大功率管U1、U2和高頻變壓器組成的半橋式逆變電路。控制電路采用PWM方式。控制電路輸出二路彼此絕緣、相位差180°并有一定死區(qū)的脈沖。這兩路脈沖分別控制U1、U2的導(dǎo)通和關(guān)斷，使得直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖。高頻脈沖經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出高壓高頻脈沖[2-3]。電路如圖2所示。
研制的高壓窄脈沖電源改善了高壓荷電系統(tǒng)的性能且穩(wěn)定性好。實(shí)際運(yùn)行表明，電源輸出電壓峰值為0～30kV，頻率為15kHz，脈寬為500ns～800ns。脈沖供電與直流供電相比，其起暈電壓低50%以上。此種電源功率變壓器的輸入頻率大幅度提高，同時(shí)變壓器和平波電抗器體積重量大為減小，且電源輸出紋波小、響應(yīng)速度快。變壓器高壓側(cè)波形如圖3所示。
PWM控制電路的設(shè)計(jì)
在以IGBT設(shè)計(jì)的逆變電源中，PWM控制電路是極其重要的組成部分，SG3525脈寬調(diào)制型控制器作為SG3524的改進(jìn)型，更適合于開關(guān)器件的雙端DC-DC變換器，它的外圍電路原理圖如圖4所示，輸出波形如圖5所示。
SG3525主要功能如下：
(1)內(nèi)部設(shè)置欠壓鎖定電路。當(dāng)電壓從8V降至7.5V時(shí)，欠壓鎖定電路開始工作，僅用0.5V的固定滯后電壓便可消除箝位電路在閾值處的振蕩，能有效地使輸出保持關(guān)斷狀態(tài)。
(2)設(shè)置軟啟動(dòng)保護(hù)，由內(nèi)部50μA電流源和8腳外接電容構(gòu)成軟啟動(dòng)，引腳16參考電壓經(jīng)可調(diào)電阻RV與8腳相連，可連續(xù)調(diào)節(jié)占空比，RV調(diào)節(jié)范圍為0～1kΩ。
(3)設(shè)置關(guān)斷保護(hù)電路，由內(nèi)部元件與外部電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的快速關(guān)斷，當(dāng)引腳10電壓超過0.7V時(shí)，芯片將進(jìn)行限流操作;當(dāng)引腳10電壓超過1.4V時(shí)，將關(guān)斷PWM鎖存器輸出，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期才恢復(fù)。
(4)芯片振蕩頻率由Ct、Rd、Rt決定，頻率調(diào)節(jié)范圍從50Hz～400kHz，芯片振蕩頻率估算公式為f=1/Ct(0.7Rt+3Rd)。
應(yīng)用時(shí)設(shè)計(jì)頻率調(diào)節(jié)范圍為250Hz～30kHz,由此可定Ct=0.01μF，Rd=150Ω，Rt=0～50kΩ。
過流保護(hù)電路
過電流保護(hù)電路的主要任務(wù)是檢測(cè)輸出電流的變化，并將其反饋到SG3525的控制端，在電流較大時(shí)可可靠關(guān)斷系統(tǒng)，以避免器件的損壞。其電路原理如圖6所示。圖中，電阻R1、R2對(duì)主電路的輸出進(jìn)行采樣，當(dāng)輸出電路中電流增大到設(shè)定值時(shí)，采樣電壓U1隨之增大，該信號(hào)經(jīng)CA239反饋到SG3525的+V端，封鎖PWM脈沖。
采樣電壓U1與輸出電壓UF的關(guān)系如下：
當(dāng)輸入電壓U1為正時(shí)，輸出電壓UF為：
當(dāng)輸入電壓U1為負(fù)時(shí)，輸出電壓UF為：
適當(dāng)選擇各電阻值，過電流時(shí)，就可以可靠地關(guān)斷控制電路[6]。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
植株模擬測(cè)試
將模擬植株分別放在距噴頭20cm、40cm、60cm、80cm處進(jìn)行測(cè)量，放電電流選用較穩(wěn)定的－4μA，流速為5.259ml/s，測(cè)量時(shí)間為6分鐘，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
荷質(zhì)比測(cè)試
荷質(zhì)比是衡量霧滴荷電性能的重要指標(biāo),荷質(zhì)比越大，霧滴的荷電性能及充電效果越好，通過實(shí)驗(yàn)手段可對(duì)霧滴荷電情況進(jìn)行測(cè)量。不同荷電情況下荷質(zhì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。
由表1可以看出，由于使用了等離子體荷電噴霧技術(shù)，農(nóng)藥落在植株上的藥量有了明顯的增加，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由表2可見，等離子體荷電與普通靜電噴霧相比，能在較小的放電電壓下得到較高的荷質(zhì)比。從而降低了農(nóng)藥的使用量，也減輕了對(duì)環(huán)境的污染。
