一种实用型水处理电解反应器恒流控制及电极转换电路的设计

[摘 要]本文介绍了一种由单片机的PWM（脉冲宽度调整）控制半桥驱动电路，实现直流电解反应器恒流控制及电极转换实现的方法，并阐述了该电路的组成以及设计过程。

[关键词]PWM（脉冲宽度调整）半桥驱动电解反应器 继电器

中图分类号：U284.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0297-02

水处理中的电解反应器是根据废水中需要去除的污染物的种类和性质，控制两个主电极之间特定的操作条件，装置便会产生一定数量的羟基自由基（OH）和新生态的混凝剂。这样水中的污染物便会产生诸如催化氧化分解混凝、吸附等作用，使废中污染物迅速被去除。

在直流电场的作用下，氧化分解与电极表面接触的有机污染物，通过电解和吸附的协同作用，对水质复杂多变、色度高且含有大量难生物降解的有机污染物的废水，有较高的去除率。

本文介绍了一种主要由半桥驱动电路和电极转换电路共同组成的大功率直流电解反应器恒流控制电路的实现方法。

1 系统的组成及工作原理

1.1 系统组成

本系统主要由单片机、半桥驱动电路、电极转换电路及直流电解反应器组成。

如图1所示。

1.2 系统的工作原理

净水过程中的电解反应器控制是恒流控制，要在比较小的的板子上实现简单可靠的可控、高电压、大直流控制，难度相当大。流动中的水的水质及流量大小都会影响水的电导率，水的电阻也因此在不断的变化。为了保证电解反应器中的电流恒定不变，根据实际情况进行了设计，使用了半桥驱动电路进行控制。将电流采样芯片IN168采集到的电解反应器当前电流值转换为电压值，通过单片机AD口线得知当前电解反应器中的电流值，与预先设定好的电流值进行比较，发出相应的PWM，该PWM信号输出后送至半桥驱动集成芯片后控制后端半桥MOSFET的开闭，来控制电解反应器的工作电压的升高或者降低，来实现恒流控制。

电解反应器长时间进行电解反应，金属极板上会吸附一些离子，产生附着，单片机定时发出正向、反向控制信号，通过控制板载微型继电器常开常闭点的切换来进行电极转换，通过冲洗进行排污。整套硬件电路结构简单、调试方便能实现直流电解反应器的恒流控制和极性转换。

2.半桥驱动集成芯片的介绍

IR2184S是国际整流器公司推出的多功能600V高端及低端驱动的半桥驱动集成电路，这种适于HEXFET（功率MOSFET）、IGBT驱动的自举集成电路在照明镇流器、开关电源及电机等功率驱动领域中获得广泛的应用。IR2184S的性能特点如下：

（1）芯片体积小（SOIC-8），集成度高（可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件）；

（2）动态响应快。典型通断延迟时间Ton/Toff=220/220ns。

（3）驱动能力强，可驱动600V主电路系统。具有高端HO最大1.9A和低端LO最大2.3A的输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达10-20V；

（4）工作频率高。可支持100KHz或以下的高频开关，可与IRFR48Z等较小巧的MOSFET配合使用；

（5）输入输出同相设计。提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容3.3V、5V输入逻辑的独立CMOS或LSTTL输入来控制，为设计带来了很大的灵活性；

（6）低功耗设计，当环境温度小于等于25℃时，IR2184S的功耗达0.625W，坚固耐用且防噪效能高。

（7）具有电源欠压保护和关断逻辑。

（8）IR2184S还配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特（Schmitt） 触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。

3.电路设计方法

3.1半桥驱动电路

IR2184S的典型接线图如图2所示。

半桥驱动电路采用IR的HEXFET（功率MOSFET）组成半桥控制电路。上半桥的功率管经驱动电阻R1接到IR2184S芯片的HO输出端，下半桥的功率管经驱动电阻接到IR2184S芯片的LO输出端，图中VCC为10～25V功率管门极驱动电源，可用TTL或CMOS逻辑信号作为输入。D1为自举二极管，应选用快恢复二极管。C2为自举电容，当Q1关断、Q2开通时，VCC经D1、C2、负载，Q2给C2充电，以确保Q2关断、Q1开通时，Q1管的栅极靠C2上足够的储能来驱动，从而实现自举式驱动。若负载阻抗较大，C2经负载降压充电较慢，使得当Q2关断、Q1开通时C2上的电压仍不能充电至自举电压8.2V以上时，输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，Q1就无法正常工作。每个周期Q1开关一次，C2就通过开关Q2充电一次。

因此C2的容量选择应考虑如下几点：

（1） C2应为高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容，容量为0.1-100UF。

（2） 尽量使自举上电回路不经大阻抗负载，否则应为C2充电提供快速充电通路。

（3） PWM开关频率较高时，C2应选小。当PWM工作频率较低时，若占空比较高，则Q1开通时间较长，Q2开通时间较短，因此C2应选小；若占空比低，Q1导通脉宽较窄，则Q2导通脉宽较宽，自举电压容易满足。否则，在有限时间内无法达到自举电压，从而造成欠压保护电路工作。因此，C2的选择应综合考虑PWM变化的各种情况，最好在调试时监测HO、VS脚的波形。HO和LO输出端受IR2184的IN输出端控制，IN端接收来自单片机的PWM信号。在SD输入端为低电平时，IN输入信号被封锁无效，HO和LO输出端均为低电平；在SD输入端为高电平时，IN输入信号有效，HO输出端输出与IN信号同相的PWM信号，LO输出与IN信号反相的PWM信号。Q1和Q2功率管在有效的HO和LO输出信号下交互导通，此过程中HO和LO之间的死区时间必须控制好，以防止上、下半桥同时导通烧坏MOSFET管。

3.2 电极转换电路

电极转换电路是通过控制板载欧姆龙功率继电器G2RL-2的电磁线圈的吸合与否，来控制常继电器的常开常闭触点的切换来实现的。

CPU IO为CPU控制继电器吸合与否的控制信号，VS为半桥驱动电路的输出，A为电解反应器的一极，B为电解反应器的另一极。当CPU IO为低电平时，继电器线圈不吸合，则如图所示，A为VS，B为GND；反之，当CPU IO为高电平时，继电器线圈吸合，则A为GND，B为VS。由此来实现电解反应器电极极性的切换。

3.3 电流监测电路

电解反应器中的电流监测尤为重要，直接关系到电解反应器的恒流控制。在这里我们使用了电流检测芯片INA168来进行实现。

在电解反应器回路中串入一个大功率低阻值的合金电阻，使用电流监测芯片INA168测量合金电阻两端的电压值，将测得电压值转换为CPU的AD口所能识别的电压，CPU将电压值转换为数字量。如图所示，VIN+为半桥驱动电路输出的信号，

RS为大功率合金电阻，IS为电解反应器的电流，根据芯片资料所提供的计算公式VO=ISRSRL/5Kω，可以算出电解反应器的电流值IS=VO*5kΩ/（RS*RL）。合金电阻阻值相对于电解反应器的电阻阻值是非常小的，这样测得电压值会非常精确，通常电解反应器的电阻为10-20Ω，可根据回路中的最大电流值选择合适的合金电阻，一般为10mΩ-100 mΩ。

综上所述，使用半桥驱动电路实现的恒流控制电路集监测、控制、调整以及电极极性切换等功能的设计方法，是先进的、有效的，可大量推广使用的。