一种梳状电脉冲点火器

1.本发明涉及电气领域，特别是涉及一种梳状电脉冲点火器。


背景技术：

2.电脉冲点火技术是许多危险可燃物所采用的点燃技术，在天然气灶具、燃气热水器、雷管等危险领域，点火时需有足够的安全保障，传统的压电点火方式，由于放电时间短、点火成功率低等已逐步被电脉冲点火技术替代，电脉冲点火技术利用高压脉冲放电产生的点火花点燃可燃物，可持续放电，安全、便利。
3.而目前电脉冲点火技术采用的放电极板普遍是平行电极板，点火需要达到较高的电压和频率，利用放电能量的效率也不高。另外，目前的电脉冲点火技术还无法简单的根据不同的可燃物更改点火器的放电能量，针对不同的可燃物需重新设计电路，无法广泛的应用到多个场景。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的在于，提供一种梳状电脉冲点火器，旨在克服现有压电陶瓷点火器使用时不安全，以及现有脉冲点火装置能量利用率低、无法广泛应用等缺点。
5.为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
6.一种梳状电脉冲点火器，包括直流电源模块、自激振荡电路、高压整流储能电路和充放电及打火电路；
7.所述直流电源模块用于供电；
8.所述自激振荡电路包括三极管放大回路和与其连接的lrc正反馈网络，所述lrc正反馈网络用于使三极管放大电路在饱和状态和截止状态之间不断转换；
9.所述高压整流储能电路包括二级整流电路以及与其连接的lc储能电路，lc储能电路包括电容；
10.所述充放电及打火电路包括触发二极管、电感和梳状电极板，所述电感用于转换电压，所述梳妆电极板用于产生火花；
11.所述电源通过自激振荡模块产生稳定频率的振荡电压，所述高压整流储能模块中的二级整流电路对来自自激振荡模块的振荡电流进行整流，并通过lc储能电路中的电容进行储能，所述电容的电压不断升高至击穿充放电打火模块中的触发二极管导通电压并通过电感转换为高脉冲电压，电压击穿梳状电极板的间隙，产生放点火花。
12.作为本发明的进一步改进，所述梳状电极板包括第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板包括相互对应的锯齿端。
13.①
直流电源模块：本发明应用范围较广，可在不同工作环境下运行，因此需要有较高的便携性，减少设备运行条件，整个系统采用低压直流电源模块供电，可以满足这个要求。
14.②
自激振荡电路：系统需要保持点火频率稳定，性能可靠，因此需要通过自激振荡
电路将电流变为频率稳定的电流。该部分主要通过三极管放大器与lrc正反馈网络构成，其中三极管部分的基极与集电极电流在lrc正反馈网络下不断变化，三极管放大器在饱和状态和截止状态之间不断转换，电路形成振荡回路。
15.③
高压整流储能电路：系统要击穿打火回路的二极管释放能量，电路还需通过高压整流储能电路，形成高电压，对电容进行储能。该部分主要由二极管整流电路、lc储能电路组成，随着回路电流不断增加，当储能电容电压未达到触发二极管导通电压时时，电容不断充电，电压不断升高。
16.④
充放电及打火电路：系统最终释放能量，击穿极板间隙产生电火花，需通过充放电及打火电路。该部分主要由触发二极管、电感以及梳状电极板组成。当储能电容电压达到触发二极管导通电压时，储能电容将会击穿二极管，释放存储的能量，并通过电感感应出高脉冲电压，击穿梳状电极板的间隙，产生放电火花。
17.⑤
梳状电极板：该部分创新的采用梳状电极板，相比于现有的平行电极板，能够更高效率的聚集能量，产生尖端放电，利用率更高，还能改变梳状结构，控制释放的能量，产生可控的放电火花，可应用到多个场景。该电极板可利用尖端放电原理，形成极不均匀的电晕放电，在电极板两端感应出高脉冲电压后，梳状结构会更容易的击穿间隙，产生火花放电。
18.图2和图3为本发明所采用的梳状电极板结构示意图，梳状电极板的原理说明如下：
19.通常情况下，电容中储存的总能量即为放电能量，然而从电容开始放电到放电结束的整个过程中，除了在电极板两端产生的电火花能量外，还存在电容残余能量和电路损失能量两大损耗因素。在物质燃爆特性的研究领域中，普遍认为电极两端放出的能量即为完全作用于点火的有效能量。一般来说，仅有约10％的能量用于电火花点火。
20.梳状电极板采用尖端放电原理，采用尖端其本质是尖端导体表面弯曲，折痕越大的地方所聚集的电荷就越多，相反，越平坦聚集的电荷就越少，梳状电极板尖端的曲率较大，在相同的电势差下，电场强度更大，从而导致在相同的绝缘条件下，尖端附近的绝缘介质更容易被击穿，产生放电现象，因此相比于传统平行电极板，能够聚集更多的能量。因此影响梳状电极板放电能量主要有以下几个因素：电极板锯齿的角度α，电容储存能量。
21.计算电火花放电能量主要分为两个部分，首先计算储能电容击穿触发二极管后，电容中残余的能量，此过程只与电路有关，与电极板形状无关；第二部分计算高电压脉冲击穿电极板间隙后的火花放电能量。
22.本发明梳状电极板聚集能量的公式如下：
23.一般情况下，放电完成后电容中都会有残余能量，在只考虑电容放电后电容中残余能量，不考虑其他能量损耗的条件下，电容放电能量的计算式为：
24.[0025][0026]
其中，er为电容放电后电容中残余的能量，qr为电容放电后电容中残余的电荷量，q为电容放电过程中的电荷量，qs为电容中储存的总电荷量，i
(t)
为电容放电时实际测得的回路电流，u为电容器充电电压，es为电容中储存的总能量，e为考虑电容残余能量后的电容放电能量。
[0027]
上述方法可测得击穿放电极板前，储存电容达到触发二极管，击穿后的能量。
[0028][0029][0030]
其中，d为梳状电极板厚度，b为电极板锯齿宽度，h为电极板锯齿高度，u(t)为放电时电极板两端电压，α为电极板锯齿角度，i(t)为测得的回路电流，t为从电极板开始放电到结束放电所需的时间，e
l
为电极板能量损耗，损耗ef为最终火花放电能量。
[0031]
由公式(3)、(4)可求得不同电极板在相同电路下的放电能量，得出随着电容储存能量的增加，梳状电极板锯齿的角度改变，火花放电的能量也会相应的改变。
[0032]
本发明的有益效果是：
[0033]
1.本发明利用脉冲电压产生连续电火花，在点火更安全的同时，还能够有效的提高点火效率。
[0034]
2.本发明在打火回路中采用梳状放电极板，梳状电极板相比于传统的平行电极板，其尖端处电荷密度更大，能够以更高的利用率聚集回路放电的能量。
[0035]
3.本发明能够改变梳状电极板锯齿的高度与宽度，从而改变锯齿尖端的角度，通过尖端放电的原理可以来控制梳状电极板的放电能量，能够根据不同可燃物的点燃温度，调节所需击穿电压的能量，方便应用到多个场景。
附图说明
[0036]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0037]
图1是本发明的结构示意图；
[0038]
图2是梳状电极板示意图；
[0039]
图3是梳状电极板的第二视角示意图；
[0040]
图4是本发明电路图；
[0041]
图5是系统物理过程流程图。
具体实施方式
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0044]
一种梳状电脉冲点火器，包括直流电源模块、自激振荡电路、高压整流储能电路和充放电及打火电路；
[0045]
所述直流电源模块用于供电；
[0046]
所述自激振荡电路包括三极管放大回路和与其连接的lrc正反馈网络，所述lrc正反馈网络用于使三极管放大电路在饱和状态和截止状态之间不断转换；
[0047]
所述高压整流储能电路包括二级整流电路以及与其连接的lc储能电路，lc储能电路包括电容；
[0048]
所述充放电及打火电路包括触发二极管、电感和梳状电极板，所述电感用于转换电压，所述梳妆电极板用于产生火花；
[0049]
如图1、图5所示，所述电源通过自激振荡模块产生稳定频率的振荡电压，所述高压整流储能模块中的二级整流电路对来自自激振荡模块的振荡电流进行整流，并通过lc储能电路中的电容进行储能，所述电容的电压不断升高至击穿充放电打火模块中的触发二极管导通电压并通过电感转换为高脉冲电压，电压击穿梳状电极板的间隙，产生放点火花。
[0050]
所述梳状电极板包括第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板包括相互对应的锯齿端。
[0051]
①
直流电源模块：本发明应用范围较广，可在不同工作环境下运行，因此需要有较高的便携性，减少设备运行条件，整个系统采用低压直流电源模块供电，可以满足这个要求。
[0052]
②
自激振荡电路：系统需要保持点火频率稳定，性能可靠，因此需要通过自激振荡电路将电流变为频率稳定的电流。该部分主要通过三极管放大器与lrc正反馈网络构成，其中三极管部分的基极与集电极电流在lrc正反馈网络下不断变化，三极管放大器在饱和状态和截止状态之间不断转换，电路形成振荡回路。
[0053]
③
高压整流储能电路：系统要击穿打火回路的二极管释放能量，电路还需通过高压整流储能电路，形成高电压，对电容进行储能。该部分主要由二极管整流电路、lc储能电路组成，随着回路电流不断增加，当储能电容电压未达到触发二极管导通电压时时，电容不断充电，电压不断升高。
[0054]
④
充放电及打火电路：系统最终释放能量，击穿极板间隙产生电火花，需通过充放电及打火电路。该部分主要由触发二极管、电感以及梳状电极板组成。当储能电容电压达到触发二极管导通电压时，储能电容将会击穿二极管，释放存储的能量，并通过电感感应出高脉冲电压，击穿梳状电极板的间隙，产生放电火花。
[0055]
⑤
梳状电极板：该部分创新的采用梳状电极板，相比于现有的平行电极板，能够更
高效率的聚集能量，产生尖端放电，利用率更高，还能改变梳状结构，控制释放的能量，产生可控的放电火花，可应用到多个场景。该电极板可利用尖端放电原理，形成极不均匀的电晕放电，在电极板两端感应出高脉冲电压后，梳状结构会更容易的击穿间隙，产生火花放电。
[0056]
图2和图3为本发明所采用的梳状电极板结构示意图，梳状电极板的原理说明如下：
[0057]
通常情况下，电容中储存的总能量即为放电能量，然而从电容开始放电到放电结束的整个过程中，除了在电极板两端产生的电火花能量外，还存在电容残余能量和电路损失能量两大损耗因素。在物质燃爆特性的研究领域中，普遍认为电极两端放出的能量即为完全作用于点火的有效能量。一般来说，仅有约10％的能量用于电火花点火。
[0058]
梳状电极板采用尖端放电原理，采用尖端其本质是尖端导体表面弯曲，折痕越大的地方所聚集的电荷就越多，相反，越平坦聚集的电荷就越少，梳状电极板尖端的曲率较大，在相同的电势差下，电场强度更大，从而导致在相同的绝缘条件下，尖端附近的绝缘介质更容易被击穿，产生放电现象，因此相比于传统平行电极板，能够聚集更多的能量。因此影响梳状电极板放电能量主要有以下几个因素：电极板锯齿的角度α，电容储存能量。
[0059]
计算电火花放电能量主要分为两个部分，首先计算储能电容击穿触发二极管后，电容中残余的能量，此过程只与电路有关，与电极板形状无关；第二部分计算高电压脉冲击穿电极板间隙后的火花放电能量。
[0060]
作为本发明实施例的补充，在此提供本发明梳状电极板聚集能量的公式：
[0061]
一般情况下，放电完成后电容中都会有残余能量，在只考虑电容放电后电容中残余能量，不考虑其他能量损耗的条件下，电容放电能量的计算式为：
[0062][0063][0064]
其中，er为电容放电后电容中残余的能量，qr为电容放电后电容中残余的电荷量，q为电容放电过程中的电荷量，qs为电容中储存的总电荷量，i
(t)
为电容放电时实际测得的回路电流，u为电容器充电电压，es为电容中储存的总能量，e为考虑电容残余能量后的电容放电能量。
[0065]
上述方法可测得击穿放电极板前，储存电容达到触发二极管，击穿后的能量。
[0066]
[0067][0068]
其中,d为梳状电极板厚度，b为电极板锯齿宽度，h为电极板锯齿高度，u
(t)
为放电时电极板两端电压，α为电极板锯齿角度，i
(t)
为测得的回路电流，t为从电极板开始放电到结束放电所需的时间，e
l
为电极板能量损耗，损耗ef为最终火花放电能量。
[0069]
由公式(3)、(4)可求得不同电极板在相同电路下的放电能量，得出随着电容储存能量的增加，梳状电极板锯齿的角度改变，火花放电的能量也会相应的改变。
[0070]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种梳状电脉冲点火器，其特征在于：包括直流电源模块、自激振荡电路、高压整流储能电路和充放电及打火电路；所述直流电源模块用于供电；所述自激振荡电路包括三极管放大回路和与其连接的lrc正反馈网络，所述lrc正反馈网络用于使三极管放大电路在饱和状态和截止状态之间不断转换；所述高压整流储能电路包括二级整流电路以及与其连接的lc储能电路，lc储能电路包括电容；所述充放电及打火电路包括触发二极管、电感和梳状电极板，所述电感用于转换电压，所述梳妆电极板用于产生火花；所述电源通过自激振荡模块产生稳定频率的振荡电压，所述高压整流储能模块中的二级整流电路对来自自激振荡模块的振荡电流进行整流，并通过lc储能电路中的电容进行储能，所述电容的电压不断升高至击穿充放电打火模块中的触发二极管导通电压并通过电感转换为高脉冲电压，电压击穿梳状电极板的间隙，产生放点火花。2.根据权利要求1所述的一种梳状电脉冲点火器，其特征在于：所述梳状电极板包括第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板包括相互对应的锯齿端。

技术总结
本发明涉及电气领域，且公开了一种梳状电脉冲点火器，包括直流电源模块、自激振荡电路、高压整流储能电路和充放电及打火电路。本发明电路接通时，先由自激振荡器所产生稳定和震荡的电压，接着通过高压整流储能电路，电压升高，电容储能，最后在充放电及打火回路释放能量，击穿放电脉冲间隙，产生放电火花，点燃可燃物。为了增加能量利用率、增大应用场景，本发明在打火回路中采用梳状放电极板，梳状电极板相比于传统的平行电极板，其尖端处电荷密度更大，能够以更高的利用率聚集回路放电的能量。本发明可连续放电，安全、稳定性高、操作方便、可用于多种场景。于多种场景。于多种场景。


技术研发人员：韩焱 李凯 康良伟 韩星程 庞存锁 苏新彦
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2021.11.27
技术公布日：2022/3/8