专利名称：生物效应电磁铁系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁铁系统，尤其指一种生物效应电磁铁系统。
背景技术：
电磁铁系统包含电磁铁变压器、电磁铁直流变换器和电磁铁，生物效应电磁铁系 统也是如此。电磁铁变压器、电磁铁直流变换器是将220伏交流市电经过电磁铁变压器降 压后，送到桥式整流器变换成脉动直流电，再送到包含滤波电容的滤波电路，从而形成了平 滑的直流电。如果需要稳压或者稳流，还要将滤波后的直流电送到开关或者串联稳压或稳 流电路进行稳压或稳流，最后输出稳定的直流电送到电磁铁产生磁场。要得到强磁场，电磁 铁直流变换器输出电流往往高达几十安培的数量级。由于输出电流很大，为了保证滤波效 果，需要的滤波电容的电容值就很大(往往高达几万微法拉)，这就导致开机的充电电流很 大，再加上大功率电源变压器的输入阻抗很小，导致了开机的起始电流远大于额定工作电 流。这就要选择电流规格很大的保险丝，在工作时即便远远超过额定电流保险丝也烧不断， 使得内部功率元器件经常损坏，保险丝也起不到真正的保险作用。即便如此，在正常启动 时，保险丝也常常不知不觉地烧断。磁场作用于生物体具有生物效应是众所周知的事实。比如用特定参数的磁场作 用于植物种子可用于种子的改良，特定参数的磁场作用于人体可用于治疗疾病等等，生物、 医学、农学等领域也都广泛地进行这方面的研究。这就需要宽范围的磁场强度调节量，要求 输出的磁场强度足够强，并且磁场作用的方式要尽可能多，但现有技术中的生物效应电磁 铁不满足这一需求。要输出强磁场，常常受制于电磁铁变压器和功率输出相关电子元器件 的额定功率的限制，比如我校花8万元买的某公司生产的庞大的大功率电磁铁系统，其最 大磁场强度也仅2特斯拉，它只能输出单一的恒稳磁场模式，且经常发生烧保险的现象。电 磁铁变压器和功率输出电子元件的最大使用功率也没有充分利用，输出磁场强度还有很大 的余量，不满足生产应用和科研的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有启动自动限流保护、可调式间歇脉冲磁场输出的生 物效应电磁铁系统。它具有显著超器件的额定输出功率的强磁场输出能力，还具有高可靠 性。为了实现上述目的，本发明将电源插头通过电源线与保险丝及电源开关串联，电 磁铁变压器的输出端与电磁铁直流变换器的输入端相连，电磁铁直流变换器的输出端与电 磁铁的一端相连，电磁铁的另一端与功率控制电路的输出端相连，电磁铁还与自感电压抑 制元件并联，功率控制电路的输入端接脉冲控制器的输出端，间歇控制器的输出端与脉冲 控制器的电源输入端相连，电磁铁变压器的一个输入端通过延时通限流保护电路的执行部 件与一条电源线相连，另一个输入端接另一条电源线，稳压电源的输出端与间歇控制器和 延时通限流保护电路的电源输入端相连，稳压电源的输入端接电源线。
为了简化电路、降低成本和提高性能，间歇控制器和脉冲控制器以及延时通限流 保护电路是由555时基集成电路和外围元器件连接而成。为了方便地直观观察各部分电路 的工作情况，间歇控制器和脉冲控制器的输出端与发光二极管和限流电阻串联构成的工作 状态显示电路相连。为了方便使用和降低成本，间歇控制器的间歇时间调节电位器的调节 旋钮上和脉冲控制器的脉冲频率调节电位器的调节旋钮上带有刻度。为了实现不同工作模式，间歇控制器和脉冲控制器的定时电容都并联有开关。由于本发明在电磁铁的供电电路串联有功率控制电路，功率控制电路的输入端与 脉冲控制器的输出端相连，并巧妙地把脉冲控制器的电源输入取自间歇控制器的输出端电 压，使得间歇控制器可控制脉冲控制器的工作与否，而脉冲控制器又可以控制功率控制电 路，这样就可以实现功率控制电路间歇脉冲式电流输出，电磁铁也就实现了间歇脉冲式磁 场输出。由于功率控制电路实现了间歇脉冲式电流输出，使得输出电流和经过电磁铁的电 流间断式运行。在间断的时间内，无电流通过电磁铁、功率控制电路、电磁铁直流变换器的 输出器件，电磁铁变压器和电磁铁直流变换器的桥式整流器也正处于很小电流输入输出状 态，使上述这些器件的热量得以散发，允许在导通的时间内超过各自的额定功率使用。这就 比现有技术中的非间断式输出具有显著提高输出功率或输出电流的效果，从而使电磁铁输 出的磁场强度明显提高，而电磁铁变压器、电磁铁直流变换器、电磁铁等部件可用与现有技 术同规格的。也即本发明显著地提高了资源的利用率、提高了性能、降低了成本(电磁铁变 压器和电磁铁为成本大头)。同样体积或规格的电磁铁和电磁铁变压器，用该发明后可获得 更强的磁场。由于本发明在电源线和电磁铁直流变换器之间的电路中串联有延时通限流保护 电路，使得在开机时不产生大冲击电流(或称大的起始电流)，从而可选用与整机正常工作 电流相匹配的保险丝，充分保护了内部元器件，并且不会发生频繁烧保险丝的现象，提高了 整机的可靠性和使用的方便性。本发明的间歇控制器和脉冲控制器的定时电容都并联有开关，可根据需要方便地 选择不同的工作方式。间歇控制器和脉冲控制器的输出端都带有发光二极管指示电路，可 直观形象地显示各自的工作状态。
附图是本发明的实施例电路原理图。
具体实施例方式
在图中，虚线框起来的13是延时通限流保护电路。虚线框起来的16是稳压电源。 电源变压器BY把220V交流市电降压为15V，送给由二极管Dl、D2、D3、D4构成的桥式整流 器变成脉动直流电，再经过滤波电容C3、C4、C5、C6和三端稳压器ICl变成平滑的稳压12V 直流电，作为相关控制电路的工作电源。第一块555时基集成块IC的2脚和6脚连在一起 接定时电容Cl和定时电阻Rl以及放电二极管D7，4脚和8脚连在一起接稳压12V直流电 的正极，1脚接地，5脚接电容C2，输出端3脚通过保护电阻R2接三极管T的基极。三极管 T的发射极接地，集电极接继电器的电磁线圈J，保护二极管D6是保护三极管T不被继电器 的电磁线圈J的反电势击穿的。限流电阻R3和继电器的常断触点开关JK并联后一端接上电源线，另一端接电磁铁变压器BM的初级绕组的上端，作为延时通限流保护电路13的执行 部件。如果继电器J不需要很大的驱动电流，也可省略三极管T和电阻R2，此时要将继电 器电磁线圈J连同保护二极管D6 —起接在IC输出端3脚和地之间(二极管D6的正极接 地)。下电源线与保险丝10串联后接电磁铁变压器BM的初级绕组的下端。电磁铁变压 器BM的次级绕组与电磁铁直流变换器11的输入端相连。电磁铁直流变换器11的输出端 是12。电磁铁直流变换器11的内部电路可用现有技术中的各种类型的结构，但其电路结构 都包括桥式整流器和滤波电容(这与图1中的由二极管Dl、D2、D3、D4构成的桥式整流器 和滤波电容C3的连接方式相同，但由于要求强功率输出，桥式整流器要用50A左右的桥堆， 滤波电容也要几万微法拉的容量)。电磁铁L可用现有技术中常见的各类电磁铁。电源插 头9与两条电源线相接。上电源线与电源插头之间还可串联一个电源开关K(也可省略该 开关用拔插电源插头9代替)。延时通限流保护电路13的工作原理如下在刚接通电源的时刻，定时电容Cl上的 电压不能突变，使555时基集成块IC的2脚和6脚电位较高，其输出端3脚无输出电压，使 得三极管T截止，继电器电磁线圈J中无电流，继电器的常断触点开关JK还处于断开状态， 限流电阻R3就串入电磁铁变压器BM的初级绕组，从而限制了开机电流；当过了 5秒钟后， 定时电容Cl上的电压升高，使555时基集成块IC的2脚和6脚电位下降到稳压电源电压 的1/3以下时，其输出端3脚输出高电压，导致三极管T导通，继电器电磁线圈J中有电流， 继电器的常断触点开关JK接通，限流电阻R3被短路而正常工作。此时由于前一个启动过 程的开机的起始电流过程已过去，电流已经降为额定电流附近，不会产生超过额定电流的 过程。由于启动过程仅几秒钟，限流电阻R3发热量很少且发热过程很短暂，可不必用很大 功率的电阻。当然，限流电阻R3也可用电感器代替，其感抗应对50HZ交流电呈现大于30 欧姆的阻值，电感线圈的漆包线直径要大于0. 9毫米，电磁铁芯也要足够大，但此情况下成 本提高，体积增大。本发明将限流电阻R3或上述电感器统称限流元件。本实施例的间歇控制器A由第二个555时基集成块IC2和外围元件组成。它实质 是一个带有控制开关的可调超低频多谐振荡器。电容C7与开关Kl并联后接在IC2的2、6 脚和地之间。IC2的2、6脚连在一起还和电位器R5下端相连。IC2的7脚与电位器R5的 中心端和电阻R4下端相连。IC2的4、8脚与电阻R4上端连在一起接稳压电源16的正极 12V。电容C8接在IC2的5脚和地之间。IC2的1脚接地。IC2的输出端3脚同时接由发 光二极管DX和限流电阻RX串联构成的输出显示电路和脉冲控制器B的电源输入端(IC3 的8脚)，可同时实现对脉冲控制器B的控制(如果IC2的3脚无电压会导致脉冲控制器B 因无工作电压而不工作)。开关Kl接通时IC2的输出端3脚始终高电平输出。本实施例的脉冲控制器B由第三个555时基集成块IC3和外围元件组成。它实质 也是一个带有控制开关的多谐振荡器。电容C9与开关K2并联后接在IC3的2、6脚和地之 间。IC3的2、6脚连在一起还和电位器R7下端相连。IC3的7脚与电位器R7的中心端和 电阻R6下端相连。IC3的4、8脚与电阻R6上端连在一起接IC2的输出端3脚。电容ClO 接在IC3的5脚和地之间。IC3的1脚接地。IC3的输出端3脚接由发光二极管DH和限流 电阻RH串联构成的第二个输出显示电路和功率控制电路C的输入端电阻R8。开关K2接通 时IC2的输出端3脚始终高电平输出。
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本实施例的功率控制电路C由大功率三极管Tl和T2、电阻R8、二极管DY组成。其 中大功率三极管Tl和T2接成复合三极管结构，可直接用IC3的输出端3脚通过起限流作 用的电阻R8来驱动，并可使T2充分导通，从而提高了输出电流减小了 T2的功耗，增加T2 的实际可用功耗。大功率三极管T2的发射极接地。电磁铁L与二极管DY并联后一端接功 率控制电路C的输出端，另一端接电磁铁直流变换器11的输出端12。把稳压电源16的地 与电磁铁直流变换器11的地连在一起共地。二极管DY起吸收抑制电磁铁L的线圈断电时 产生的自感电压作用。本实施例输出模式的电路控制过程如下把开关Kl和K2断开，间歇控制器A就开始以很低频率进行低频振荡，从而使其输 出端3脚间歇输出电压6V的方波直流电，这个间歇的6V直流电压送到脉冲控制器B作为 其工作电压。在间歇控制器A有电压输出期间，脉冲控制器B就工作而自激振荡有脉冲输 出；在间歇控制器A无电压输出期间，脉冲控制器B就因停电而停止工作而无输出。因此， 从脉冲控制器B输出的电压信号是间断的脉冲数出。调节电位器R5、R7分别可调节脉冲控 制器B输出的间断时间(或称间断周期)和脉冲频率。在脉冲控制器B有脉冲输出的时间 内，功率控制电路C导通，使电磁铁L得到最高的接近电磁铁直流变换器11的输出电压(实 测仅少1. 06V)，从而产生脉冲磁场；在脉冲控制器B无脉冲输出的间歇时间，功率控制电路 C断开，无磁场输出。这就产生了间歇输出的脉冲磁场效果。由于在间歇期间，功率控制电 路C不导通，大功率三极管Tl和T2不导通，使得电磁铁L中无电流通过，电磁铁直流变换 器11、电磁铁变压器BM也基本不输出电流，导致这些功率器件得以休息而散热，温度降低， 等待着下一个脉冲的到来。由此可见，其平均功耗上述器件都大幅度降低，发热量也跟着大 幅度降低，但输出的磁场强度并未降低。由于上述情况下相关功率器件最终的发热量大幅 度降低，就可以利用提高电磁铁变压器BM的输出电压(不必增加其体积，只要将次级绕组 改成较细的漆包线，增加绕的圈数就行，故其铁材和铜材成本都没提高)、同时提高电磁铁 直流变换器11的输出电压(或输出电流)来提高通过电磁铁L的工作电流，进而显著提高 电磁铁输出磁场强度的效果。这种提升磁场强度的方式，比现有技术中利用提高电磁铁变 压器BM的体积来增加输出功率和电磁铁L用更大的铁芯和更粗的漆包线的方式成本要低 得多、体积也不增加。当把开关K2接通后，脉冲控制器B的3脚输出的是间歇输出的恒稳电压，它推动 功率控制电路C最终使得电磁铁L输出间歇输出的恒稳磁场，其技术优势和效果与上述相 同。当把开关Kl接通后，间歇控制A始终给脉冲控制器B提供工作电源，为非间歇输出。接点14和15为外接频率计测试接点，可外接频率计测量间歇控制器A和脉冲控 制器B的输出频率。也可本机内置一个频率计，通过转换开关转换。为了更方便地读取间 歇控制器A和脉冲控制器B的输出频率，可用频率计校对好电位器R5和R7上的刻度盘频 率数值，并印在仪器面板上，再使用时可不比再配频率计了，这样一来成本降低，使用也更 方便。间歇控制器A的指示最好用间歇时间来表示最确切。本实施例的各元器件参数如下电阻 RU R2、R4、R6、RX、RH 的阻值分别为 50Κ、3Κ、5· 1Κ、5· 1Κ、2Κ、2Κ，电位器 R5、
R7全为1兆欧的，且最好将电位器R5、R7再各自串联一个2K左右的电阻，以防止其阻值调 到零时的失控现象。其中R8要用1瓦或以上功率的75欧左右的电阻。限流电阻R3可用1500W电炉丝取其一段，阻值大约5-12欧姆，再把它拉开缝隙后两端用螺丝固定在一个陶 瓷或电木等耐高温材料的绝缘板上，其两端的固定螺丝就是其电阻接线端子。限流电阻R3 也可用其他6-12欧姆、额定电流大于3A的成品电阻代替，其额定电流规格取决于整机工作 电流。电容 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 的电容值分别为 100,0. 01,470,0. 1、470、 0. 1、10、0. 01、1、0. 01微法。集成电路IC、IC2、IC3全为通用555时基电路集成块。二极管 Dl、D2、D3、D4、D6、D7全为1N4007，其中D6、D7也可用开关二极管1N4148。二极管DY可用 各种耐压1000V以上且大电流功率二极管，也可用多个1N4007并联使用以增加功率。大功 率三极管T1、T2分别用3DD15D、MJ15024G (其输出电流最大额定值16A，如果要求更大输出 电流的可用MJ10016，其输出电流最大额定值50A)。三极管T可用C9013。三端稳压集成电 路ICl用7812。继电器J的电磁线圈J额定工作电压为12V的，其常断触点开关JK的额定 电流要用15A以上的(具体要看整机工作电流大小)，也可并联使用其两组常断触点开关， 这可成倍提高允许通过的电流值。电源变压器BY可用输出电压15V、额定功率大于5W的。 电源开关K可用15A以上的拨动开关。开关K1、K2可用小型普通双位拨动开关。保险丝10 按整机额定工作电流选取。电磁铁变压器ΒΜ、电磁铁直流变换器11、电磁铁L的参数根据 需要，按现有技术中的各类设计和选择就行。本发明的脉冲磁场产生方式也可用机械的方法产生，也即把样品放在可出入电磁 铁的磁场区域的机械装置上。可出入电磁铁的磁场区域的机械装置可采用周期性自动伸缩 进出式、转叶风扇进出式、摇摆式进出等方式。此情况下脉冲控制器B可去掉，直接把间歇 控制器A的IC2输出端3脚接电阻R8的左端，断开开关Κ1，仍可实现间歇式脉冲磁场效果。本发明的电路结构可有多种变化。比如功率控制电路C也可用固态继电器或大 功率场效应管电路代替；其间歇和脉冲控制电路也可用其他类型的；还可以在本发明的基 础上添加其他输出模式控制电路等等，但这些变化都没有离开本发明的实质。
权利要求
一种生物效应电磁铁系统，电源插头通过电源线与保险丝及电源开关串联，电磁铁变压器的输出端与电磁铁直流变换器的输入端相连，电磁铁直流变换器的输出端与电磁铁的一端相连，其特征在于电磁铁的另一端与功率控制电路的输出端相连，电磁铁还与自感电压抑制元件并联，功率控制电路的输入端接脉冲控制器的输出端，间歇控制器的输出端与脉冲控制器的电源输入端相连，电磁铁变压器的一个输入端通过延时通限流保护电路的执行部件与一条电源线相连，另一个输入端接另一条电源线，稳压电源的输出端与间歇控制器和延时通限流保护电路的电源输入端相连，稳压电源的输入端接电源线。
2.按权利要求1所述的生物效应电磁铁系统，其特征在于间歇控制器和脉冲控制器以 及延时通限流保护电路是由555时基集成电路和外围元器件连接而成。
3.按权利要求1所述的生物效应电磁铁系统，其特征在于间歇控制器和脉冲控制器的 输出端与发光二极管和限流电阻串联构成的工作状态显示电路相连。
4.按权利要求1所述的生物效应电磁铁系统，其特征在于间歇控制器的间歇时间调节 电位器的调节旋钮上和脉冲控制器的脉冲频率调节电位器的调节旋钮上带有刻度。
5.按权利要求1所述的生物效应电磁铁系统，其特征在于间歇控制器和脉冲控制器的 定时电容都并联有开关。
全文摘要
本发明公开了一种生物效应电磁铁系统。它将延时通限流保护电路串联在供电电路中，克服了同类产品保险丝和功率器件易损坏的缺陷。将功率控制电路与电磁铁线圈串联后并联在电磁铁直流变换器的输出端，间歇控制器的输出端与脉冲控制器的供电输入端相连，脉冲控制器的输出端与功率控制电路的输入端相连，实现了间歇磁场脉冲或间歇恒稳磁场的输出，并且由于间歇时间内电磁铁及电磁铁变压器有充分的休息散热时间，在同样器材规格条件下，可实现比现有技术更高的磁场强度输出。磁场输出的模式也是多样化的。本发明可用于大功率、低成本、高可靠性、多磁场输出模式的生物效应电磁铁的生产，它可用于生物组织或动植物物种的磁场刺激改良生产或研究。
文档编号H02H9/02GK101895215SQ201010200040
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者赵杰 申请人:德州学院