基于TL494的臭氧发生器的研制

曾立武 兰紫娟 黄晓锋 何凌燕

摘 要： 臭氧污染已成为我国大气污染治理的重点与难点，臭氧监测也是我国环境空气质量监测系统中一项重要内容。为了更加灵活、便捷地标定臭氧监测仪，研制一种基于TL494双端式开关电源控制芯片的便携式臭氧发生器，经过一级标准的臭氧分析仪校正后，可方便对二级在线臭氧监测仪进行常规有效的浓度梯度检验。该发生器的基本原理为，通入设定流量的干空气进入到一个恒温腔体，腔体内使用185 nm紫外灯照射，使空气中的氧激发生成臭氧。通过调节紫外灯强度即可产生不同浓度的臭氧，输出用于后端应用。经实测验证，该发生器性能稳定，控制电压与发生浓度相关性可达0.999。

关键词： 臭氧发生器； TL494； 臭氧污染； 空气质量； 臭氧监测仪； 紫外灯

中图分类号： TN782?34； X851； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0001?04

Abstract： Ozone pollution has become an emphasis and difficulty of air pollution regulation in China， so ozone monitoring is an important content of the domestic ambient air quality monitoring. A portable ozonizer based on the dual?end switching power supply control chip TL494 is developed to calibrate the ozone monitor flexibly and conveniently. After calibration of the first?level standard ozone analyzer， it is convenient to carry out the routine and effective concentration and gradient detection for the second?level online ozone monitor. The basic principle of the ozonizer is that， the dry air with set flow is pumped into a cavity with constant temperature， and a 185 nm ultraviolet lamp is adopted to illuminate in the cavity to make the oxygen in the air stimulated and generate ozone. The intensity of the ultraviolet lamp is adjusted to generate ozone with different concentrations， which is output for back?end application. The actual test result indicates that the ozonizer is stable， and the correlation between the control voltage and the concentration reaches 0.999.

Keywords： ozonizer； TL494； ozone pollution； air quality； ozone monitor； ultraviolet lamp

0 引 言

臭氧（O3）是地球大气中一种微量气体，是氧气的同素异形体。它是由于大气中氧分子受太阳辐射分解成氧原子后，氧原子又与周围的氧分子结合而形成的，含有3个氧原子。大部分集中在10～30 km的平流层，对流层[1]O3仅占10%。低浓度的臭氧具有杀菌消毒作用，但在大气中达到一定的浓度时就会造成环境污染。在2012年，我国新修订的《环境空气质量标准》首次将臭氧浓度纳入空气质量评价体系，臭氧监测也成为国家环境空气质量自动监测站的常规监测项目之一 [2]。目前在国际上最流行的物理检测方法是紫外吸收法。它是利用臭氧对253.7 nm波长的紫外线特征吸收的特性，依据比尔?郎伯（Beer?Lambert）定律制造出的分析仪器，只要选择合适长度的吸收池，就可以检测臭氧，且线形在4～5个数量级内都很好。该方法已被我国作为环境空气中测定臭氧的标准方法[2?3]。

同时，为了对臭氧分析仪进行检验标定以及杀菌消毒等应用，需要有臭氧发生装置制备臭氧。一般可通过无声放电、紫外线照射、电解稀硫酸、液体氧气加热以及化学反应等方法。本文所述臭氧发生器以单片机、TL494脉宽调制芯片为基础，采用小型低压汞灯照射干燥气源的方式，通过控制汞灯照射强度以及介质气体流量调节臭氧产出量，其精度可控制在2 ppb。通过一级校准源的标准传递，该仪器可方便应用于日常便携臭氧分析仪检验。

1 系统结构

通过185 nm波长的紫外线照射，空气中的氧分子分解产生游离氧，即活性氧。因游离氧所携正负电子不平衡，所以需与氧分子结合，进而产生臭氧，其转化公式如下[4]：

O2+hν（<240 nm）→O+O，O+O2=O3

同时，O3分子对254 nm波长的紫外光有强烈的吸收，其公式如下[4]：

O3+hν→O+O2

因此产生的臭氧等级取决于以下几个因素：185 nm的紫外辐射强度，254 nm的紫外辐射强度，介质气体，介质气体的流量以及臭氧发生器室的尺寸。在实际应用中，反应室大小是固定的且单次使用时介质气体也固定，本文主要介绍通过改变紫外灯照射强度，以及改变气体流量来控制臭氧的生成浓度。其主要结构见图1。

图中高压气瓶可选用干空气（21%O2/79%N2）或者氧气源，减压至0.2 MPa后进入设备。为防止水汽进入影响臭氧生成效率，内置了硅胶干燥管，而后进入可控的质量流量计输出稳定的流量，再进入一个带有恒温装置的臭氧反应腔。在输出时预置一个排空口，防止高压气体直接压入后端设备造成破坏。

臭氧具有很强的氧化性，锌铝等金属接触后会被强烈氧化，但金，铂或者含铬铁合金（25% Cr不锈钢）基本上不受臭氧腐蝕，因此反应腔首选不锈钢材料。另外，聚四氟乙烯因具有良好的热稳定性，也不受氧气、臭氧和紫外光的影响，且不易老化，也可应用在臭氧发生部件上，其密封接触面可采用耐腐蚀能力强的硅橡胶等材料。本文所设计的反应腔即采用低成本的铝件加工并在内部镀上聚四氟乙烯，使用效果良好。

2 臭氧发生模块的设计

本系统所用紫外灯采用美国Jelight公司生产的双孔型低压汞灯[5]，其特点是体积小、光谱线分离清晰、输出稳定、操作温度低且寿命长（可达3×104 h）。其功率6 W，主要光谱线在184.9 nm和253.7 nm，灯表面强度可达1.3 mW/cm2。

汞灯电源是整个系统正常工作的关键，其供电方式既可用交流又可用直流。本系统采用TL494芯片对可变的直流电源逆变方式输出高压交流电对汞灯供电，工作频率设计为25 kHz，同时在反应腔内安装温控模块保证灯功率输出稳定。

2.1 灯电源参数设计

TL494是美国德州仪器公司生产的电流控制型脉宽调制芯片，其主要应用于开关电源设计。该芯片功能强大，工作频率高，使用较少外围器件即可实现输出电压电流的双闭环控制。TL494内部结构如图2所示[6]。

由图2可知，本IC由1个振荡器、2个比较器、2个误差放大器、1个触发器、双与门和双或非门、1个5 V基准电源、2个NPN输出晶体管等组成。

电源电路设计如图3所示，采用推挽逆变电路（脚13与脚14相连），其结构简单、变压器磁芯利用率高，尤其适用于本文中小功率场合[7]。其工作频率由脚5和脚6外接的电阻[R6]和电容[C1]确定，计算公式如下：

推挽输出方式其工作频率需除以2，本电源频率25 kHz，算得R6=2 kΩ，C1=0.1 μF。

TL494 输出调制脉冲的宽度是由脚5电容端的正向锯齿波和脚3、脚4 的两个输入控制信号综合比较后确定的。脚4为死区时间控制端，由于内部集成死区电路，即使接地了也能保证最大占空比只有45%，可防止外接功率管同时工作烧坏电路。R7，C2中端接入脚4组成上电软启动电路，上电时电容C2两端的电压由0 V逐步升高，当C2两端电压达到5 V以上时，才允许IC内部的脉宽调制电路开始工作。当电源断电后，C2通过电阻R7放电，保证下次上电时的软启动电路正常工作，加大电阻或电容缓启动时间变长。

误差放大器1与升压器功率管相连，起到过流保护作用。具体工作原理是：基准电压5 V（脚14）通过R9，R11，R13分压，使得脚2电压保持在0.58 V；当流经取样电阻R17，R18（=0.5 Ω）的电流超过1.16 A时，脚1误差放大器负端电压超过0.58 V，此时误差放大器开始工作，促使PWM减少占空比，进而减少流经取样电阻的电流，误差放大器停止工作，达到平衡。误差放大器2作为臭氧反应室恒温模块的反馈回路，其作用是保证反应室达到预置温度后才开启紫外灯电源。其中脚16为误差放大器正端，同样通过基准脚以及R9，R11，R13分压，使得该脚电压保持在3.5 V，脚15负端接到温控模块的反馈电压上，当反馈电压低于3.5 V时，TL494无输出。

2.2 主变压器的参数设计

主变压器是该电源的关健部件。本系统采用罐型铁氧体磁芯，使用罐型磁芯有诸多优点，比如缩小整个变压器体积，在相同的匝数下减少绕线线长的使用，降低铜损，绕制方便等。设计变压器原边输入为24 V，输出在960 V左右，故线圈匝数比为1∶40，绕制数据：次级采用0.16 mm漆包线绕制600匝，并用耐高温绝缘胶带缠绕两圈。初级绕两层，均采用0.32 mm漆包线各绕制15匝，各引出线头。

2.3 恒温模块的参数设计

汞灯在工作时会散发出热量引起反应室温度升高继而影响汞灯工作，因此需在反应室设计一套恒温装置。本恒温装置的温度信号与TL494的误差放大器2联用，使其反应室在未到达设定温度时关闭汞灯电源。设计反应室温度为72 ℃，其电路图如图4所示。

本电路采用PNP型功率管作为加热器件，可选用任意功率大于100 W的TO?3型封装管，本系统采用MJ2955。两个1N4148开关管将PNP管的b，e极钳位在1.4 V，正电源通过限流电阻R9流经功率管的e，c极。Rt选用25 ℃时电阻为10 kΩ的负温度系数热敏电阻NTC，在本例中设定温度在72 ℃时，其阻值大概为2 kΩ。

其工作原理是上电启动后，功率管开始工作并升温，热敏电阻随着温度升高而阻值降低，使得运放LM358输出端Vo逐渐增大直至饱和输出，功率管b，e极电位一致，停止加热。当温度降低，热敏电阻阻值重新变大，又启动功率管加热输出，从而保证恒温。其恒温温度由[R4]，[R5]决定。其运放输入/输出公式如下：

选用常用的阻值搭配得R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=51 kΩ，R4=20 kΩ。R5选用10 kΩ电位器，调整阻值大概在6.35 kΩ，可以使得PNP管表面温度达到72 ℃时恒温。

3 系统测试

本系统加入单片机用于采集升压器原边控制电压、反应室温度电压、介质气体流量、介质气体温湿度等数据，并辅以串口通信功能，将上位机的控制数据发送到设备达到自动化控制目的。制作完成的样机通以干空气（21%O2/79%N2）6 L/min，输出口接入美国热电公司的紫外吸收法臭氧分析仪[8]中，分别调整升压器原边供电电压，使其产出不同的臭氧量，数据如表1，图5所示。

4 结 语

臭氧发生器标定后可以作为传递标准使用， 可对其他臭氧分析仪进行浓度校验。为了得到校准曲线，必须使用一级标准的臭氧校准，如美国热电公司生产的49iPS。由于受光强、流量和环境温度影响，此校准曲线仅能在一段时间内准确。另外，由于采用的低压紫外灯包含有253.7 nm的紫外光影响了臭氧的生成，故在后续腔体改进中将加入253.7 nm的滤光片进行去除，使得产生的臭氧量更大。

参考文献

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