Resumen

El proyecto consiste en el diseño y armado de una fuente inversora clase E de alto voltaje y frecuencia, esta tiene como finalidad generar ozono, el sistema cuenta con una parte enfocada al control gracias a circuitos generadores de señal en conjunto con circuitos controladores de compuerta, lo que nos permite regular el ciclo de trabajo y la frecuencia, el transformador manufacturado tiene una relación de 1:22.

El circuito se alimenta con una fuente de corriente directa de 25V, esta fuente trabaja a 130 kHz y genera 15kV con lo cual se pretenden el generar ozono, dentro de una cámara DBD (Descarga de Barrera Dieléctrica) mediante la ionización del ambiente, gracias a las variaciones de voltaje y de frecuencia, mediante la Cámara de DBD se pretenden el generar los arcos eléctricos conforme a 2 placas de cobre, entre las cuales se generan arcos eléctricos y por ende ozono.

El ozono es una sustancia cuya molécula está compuesta por tres átomos de oxígeno unidos entre sí, tiene diversas aplicaciones en la medicina, la comida, los invernaderos etc. Algunos ejemplos de su uso como lo es la mejora de la circulación de la sangre, propiedades bacterianas y antivíricas, el incremento de la oxigenación celular, modula las inflamaciones y ayudar en la exterminación de agentes externos como bacterias, virus y polen, gracias a estas aplicaciones podemos usarlo para tratamiento de aguas residuales y como ventaja añadida, después de su acción desaparece sin dejar rastro gracias a que es totalmente natural y biológico [7].

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En un mundo donde la preocupación por la escasez de agua ha ido aumentando junto al gran consumo anual de este esencial recurso, tenemos como responsabilidad buscar maneras para poder reutilizarla, por ejemplo desinfectando aguas residuales, es por esto mismo que desarrollamos alternativas para desinfección de agua y en este caso también para la generación de ozono, la cual se ha promocionado como una alternativa efectiva y sostenible para la desinfección de agua y además de espacios interiores y superficies. Sin embargo, a pesar de sus ventajas, existen desafíos y problemas asociados con la generación de ozono para fines de desinfección que requieren un estudio para garantizar la generación correcta de este gas, en este caso usando un amplificador de voltaje clase E.

Antecedentes

Inversor de voltaje

Es un dispositivo capaz de transformar una señal de corriente directa (CD) a una señal eléctrica de corriente alterna (CA) con magnitud y frecuencia deseada reduciendo el peso y el tamaño de los dispositivos empleados.

Los inversores permiten modular una frecuencia generada por los pulsos del PWM mediante la asociación de un inductor (L) y un capacitor (C), de manera que cuando se logra aplicar una serie de pulsos en una frecuencia de resonancia se genera una onda semi-sinusoidal con centro en cero.

Tipos de amplificadores

En un amplificador de alto rendimiento, incrementos de la eficiencia que a primera vista parecen menores pueden ser muy importantes, por ejemplo, aumentar la eficiencia del 80% al 90% reduce a la mitad las pérdidas. La mayor pérdida de energía es comúnmente la disipada en los dispositivos activos de salida, como transistores o tubos de vacío. Para minimizarla, se intenta que disminuya:

• El voltaje a través del dispositivo cuando la corriente fluye por él.
• La corriente a través del dispositivo cuando existe voltaje en sus terminales.
• La duración de cualquier condición inevitable en la que apreciable corriente y voltaje existan simultáneamente.

La Clase C cubre las condiciones (1) y (2). La Clase D cubre (1), (2) y (3), y se han hecho intentos para reducir el tiempo de conmutación del dispositivo y llevarla a regiones de RF. La Clase E soluciona el problema basándose en una red de carga que está sintetizada para dar una respuesta de transición que logra el objetivo, incluso cuando los tiempos de conmutación de los dispositivos son fracciones apreciables del ciclo de AC. [1]

Amplificador Clase E

En los amplificadores de clase E, el transistor se opera como un interruptor. Los amplificadores de potencia de clase E ZVS (Zero-Voltage-Switching) son los Amplificadores más eficientes conocidos hasta ahora. Las formas de onda de corriente y voltaje del interruptor se desplazan con respecto al tiempo, produciendo una disipación de potencia muy baja en el transistor.

En particular, el interruptor se enciende a voltaje cero si los valores del componente del resonante El circuito se elige correctamente. Dado que la corriente de interruptor y las formas de onda de voltaje no superan durante los intervalos de tiempo de conmutación, las pérdidas de conmutación son prácticamente cero, produciendo altos eficiencia. [2]

Plasma

¿Qué es el plasma? Resulta que el 99,9% de la materia observable del universo es plasma, un estado fluido que, a diferencia del gas, está conformado por partículas cargadas. [3]

Tipos de plasmas

• Plasma caliente (Plasma térmico)

Un plasma caliente en uno que se acerca a un estado de equilibrio termodinámico local (LTE). Para distinguirlo de un plasma de fusión termonuclear. Tales plasmas pueden ser producidos por arcos atmosféricos, chispas y llamas.

• Plasma frío (Plasma no térmico)

Un plasma frío es aquel en el que el movimiento térmico de los iones puede ser ignorado. En consecuencia, no hay fuerza de presión, la fuerza magnética puede ser ignorada, y sólo se considera que la fuerza eléctrica actúa sobre las partículas. [4]

Descarga de Barrera Dieléctrica

Las descargas de barrera dieléctrica (DBD) son descargas no térmicas que tienen lugar entre dos electrodos metálicos cuando se coloca entre ellos una o más capas aislantes, normalmente dieléctricas. La presencia de estas capas obliga forzosamente a generar la descarga DBD con voltajes alternos, dado que una corriente continua no puede atravesar un material aislante

La distancia entre electrodos varía considerablemente, desde menos de 0,1 mm en las pantallas de plasma, varios milímetros en los generadores de ozono y hasta varios centímetros las placas de acero de comportan como electrodos y la separación adecuada para la DBD es de 4mm. [5]

Objetivo

Diseñar un amplificador clase E capaz de generar ozono el cual tenga posibles aplicaciones en desinfección.

Justificación

El ozono tiene la capacidad de mejorar de la calidad del aire, usarse para tratamiento de aguas, aplicaciones industriales y tratamiento de residuos, sin embargo los generadores actuales suelen ocupar una cantidad alta de energía, estos se basan en la división de átomos de oxígeno y posteriormente en la recombinación de los mismos para poder generar ozono a diferencia del generador que proponemos el cual es basado en un amplificador clase E que tiene la capacidad de ser altamente eficiente realizando una descarga de alta tensión convirtiendo el oxígeno en ozono sin necesitar una cantidad alta de energía.

Hipótesis

Se busca diseñar un dispositivo que permita convertir la corriente continua en corriente alterna de alta calidad, con un alto rendimiento, eficiencia energética, y que sea capaz de manejar cargas de potencia elevada, este mismo debe ser utilizado para generar descargas eléctricas capaces de convertir el oxígeno ambiental en ozono para poder usarlo como desinfectante.

Método (materiales y procedimiento)

El presente trabajo de investigación se dividirá en varias etapas que describen el diseño tanto de la fuente como de la celda generadora de ozono.

Búsqueda de Antecedentes: Búsqueda sobre artículos científicos, libros, investigaciones y sitios de internet especializados que aborden sobre la generación de ozono mediante la descarga de Barrera dieléctrica DBD y su uso en el ámbito de la desinfección.

Análisis de los Requerimientos técnicos de la Fuente: Basado en la información recabada, se considera el diseño más apto en base a las condiciones operativas del generador de ozono.

Diseño de la Placa PCB del Inversor: Tomando como base la topología Full Bridge resonante se diseña el circuito del que posteriormente se fabricara la PCB por método de Planchado.

Simulación del Inversor: Usando el software de simulación EveryCircuit se emularán las condiciones de funcionamiento de la Fuente, así como la medición de sus parámetros. [Anexo A]

Diseño y fabricación de la Fuente: Partiendo del software Altium Designer se diseña y se fabricara la placa de circuito impreso donde se ubicarán todos los componentes que conforman la fuente. Anexo [B]

Diseño del Generador De Ozono: Tomando como base un bloque hermético se colocan 2 placas de cobre sobre las cuales circula aire el cual será convertido en ozono. Anexo [C].

Galería Método

Resultados

El transformador usado y el circuito completamente armado se puede apreciar en el Anexo [D]. Las señales obtenidas fueron los esperados para el correcto funcionamiento del circuito se pueden ver en los Anexos [E] y [F]. Por último, las pruebas físicas fueron las más satisfactorias por ver el proyecto funcionando sin ningún tipo de falla se pueden apreciar en el Anexo [G].

Se logró obtener una fuente con las características propias de una fuente clase E Anexo [E], el cual muestra conmutaciones suaves necesarias para una alta eficiencia, el inversor entrega a la salida una onda cuasi-senoidal, Anexo [F], la cual es aplicada al transformador. Al alimentar al Generador de Ozono se observa la descarga de Barrera dieléctrica y por ende la generación de ozono, Anexo [C].

Galería Resultados

Discusión

La generación de ozono mediante amplificadores es un tema de investigación en constante evolución que ha atraído considerable atención debido a sus diversas aplicaciones en desinfección, purificación de agua y aire, así como en la eliminación de compuestos orgánicos volátiles. Se analizarán los hallazgos clave y los aspectos significativos relacionados con la tecnología de amplificación para la generación de ozono.

Uno de los hallazgos más destacados de esta investigación es la capacidad de los amplificadores para producir ozono de manera eficiente y controlada. Los amplificadores utilizan una descarga eléctrica silenciosa (DBD) para dividir y recombinar las moléculas de oxígeno en ozono. Esto permite un mayor control sobre las concentraciones de ozono generadas y la capacidad de adaptarse a diferentes aplicaciones. La eficiencia energética se convierte en un factor determinante. Los avances en la tecnología de amplificación han permitido reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia en la generación de ozono, lo que es esencial para su viabilidad a largo plazo.

Conclusiones

En conclusión, un generador de ozono a base de plasma es una tecnología prometedora en diversos campos de aplicación, como la purificación de aire, agua, la eliminación de olores, la desinfección y esterilización. Además, la tecnología de plasma permite una mayor eficiencia energética y una producción de ozono más estable y controlada. Las condiciones de tiempo y recursos para el desarrollo del proyecto fueron factores limitantes para su desarrollo.

Bibliografía

[1] I. A. Laquidara, I. I. P. Pérez, I. C. Díaz, I. A. Giordana y S. N. Ibáñez. “AMPLIFICADORES CLASE E”. Tesla – Facultad de Ingeniería – UNLP. https://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/electronicos2/download/Laboratorios/Lab6-AmpliAltoRen.pdf

[2]      M. K. KAZIMERCZUK, “RF Power Amplifiers,” Dayton, Ohio, USA, WILEY, 2008.

[3] J. Flores. “Plasma, el cuarto estado de la materia”. www.nationalgeographic.com.es. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/plasma-cuarto-estado-materia_14421

[4] “Clasificación de los plasmas (tipos de plasma) | Plasma-Universe.com | Trend Repository”. Trend Repository. https://trendrep.net/es/clasificación-de-los-plasmas-tipos-de-plasma/#Plasma_caliente_plasma_termico

[5] A. M. Montoro de Damas. “Plasmas de Descarga de Barrera Dieléctrica con Empaquetamiento Ferro eléctrico a Presión Atmosférica Aplicados a la Producción de Hidrógeno, Amoníaco y a la Descontaminación de Aire”. Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (US-CSIC) Universidad de Sevilla. https://idus.us.es/bitstream/handle/11441/71159/Tesis_Antonio%20Me%20ndez_Dic17.pdf?sequence=1.

[6] Rocío Sánchez montilla (2021). “¿Qué es el ozono?”. [Visitado: 21/02/2023]. Recuperado de: https://www.muyinteresante.es/ciencia/26420.html

[7] “Aplicaciones del ozono”. [Visitado: 18/06/2023]. Recuperado de: https://ozonoinnovacion.com/aplicaciones-ozono/

Summary

The project consists of the design and assembly of a high voltage and frequency class E inverter source, the purpose of which is to generate ozone, the system has a part focused on control thanks to signal generating circuits in conjunction with gate controller circuits, which allows us to regulate the duty cycle and frequency, the manufactured transformer has a ratio of 1:22.

The circuit is powered by a 25V direct current source, this source works at 130 kHz and generates 15kV with which the aim is to generate ozone, inside a DBD (Dielectric Barrier Discharge) chamber through the ionization of the environment, thanks to The voltage and frequency variations, through the DBD Chamber, are intended to generate electric arcs according to 2 copper plates, between which electric arcs and therefore ozone are generated.

Ozone is a substance whose molecule is composed of three oxygen atoms linked together. It has various applications in medicine, food, greenhouses, etc. Some examples of its use are the improvement of blood circulation, bacterial and antiviral properties, increased cellular oxygenation, modulates inflammation and helps in the extermination of external agents such as bacteria, viruses and pollen, thanks to these applications we can use it for wastewater treatment and as an added advantage, after its action it disappears without a trace thanks to the fact that it is totally natural and biological.[7]

Research Question

Problem approach

In a world where concern about water scarcity has been increasing along with the large annual consumption of this essential resource, it is our responsibility to look for ways to reuse it, for example by disinfecting wastewater, which is why we develop alternatives for water disinfection. and in this case also for the generation of ozone, which has been promoted as an effective and sustainable alternative for the disinfection of water as well as interior spaces and surfaces. However, despite its advantages, there are challenges and problems associated with the generation of ozone for disinfection purposes that require study to ensure the correct generation of this gas, in this case using a class E voltage amplifier.

Background

voltage inverter

It is a device capable of transforming a direct current (DC) signal into an alternating current (AC) electrical signal with the desired magnitude and frequency, reducing the weight and size of the devices used.

The inverters allow modulating a frequency generated by the PWM pulses through the association of an inductor (L) and a capacitor (C), so that when a series of pulses is applied at a resonant frequency, a semi-wave is generated. sinusoidal with center at zero.

Types of amplifiers

In a high-performance amplifier, efficiency increases that at first glance seem minor can be very important, for example, increasing efficiency from 80% to 90% reduces losses by half. The greatest energy loss is commonly that dissipated in active output devices, such as transistors or vacuum tubes. To minimize it, we try to reduce it:

The voltage across the device when current flows through it.
The current through the device when voltage exists at its terminals.
The duration of any unavoidable condition in which appreciable current and voltage exist simultaneously.

Class C covers conditions (1) and (2). Class D covers (1), (2), and (3), and attempts have been made to reduce device switching time and bring it into RF regions. Class E solves the problem by relying on a charging network that is synthesized to give a transition response that achieves the goal, even when device switching times are appreciable fractions of the AC cycle. [1]

Class E amplifier

In class E amplifiers, the transistor is operated as a switch. Class E ZVS (Zero-Voltage-Switching) power amplifiers are the most efficient amplifiers known to date. The switch current and voltage waveforms shift with respect to time, producing very low power dissipation in the transistor.

In particular, the switch turns on at zero voltage if the component values of the resonant circuit are chosen correctly. Since the switch current and voltage waveforms do not exceed during the switching time intervals, the switching losses are virtually zero, producing high efficiency. [2]

Plasma

What is plasma? It turns out that 99.9% of the observable matter in the universe is plasma, a fluid state that, unlike gas, is made up of charged particles. [3]

Types of plasmas

Hot plasma (Thermal plasma)

A hot plasma in one that approaches a state of local thermodynamic equilibrium (LTE). To distinguish it from a thermonuclear fusion plasma. Such plasmas can be produced by atmospheric arcs, sparks and flames.

Cold plasma (Non-thermal plasma)

A cold plasma is one in which the thermal movement of ions can be ignored. Consequently, there is no pressure force, the magnetic force can be ignored, and only the electrical force is considered acting on the particles. [4]

Dielectric Barrier Discharge

Dielectric barrier discharges (DBD) are non-thermal discharges that occur between two metal electrodes when one or more insulating layers, usually dielectric, are placed between them. The presence of these layers necessarily requires generating the DBD discharge with alternating voltages, since a direct current cannot pass through an insulating material.

The distance between electrodes varies considerably, from less than 0.1 mm in plasma displays, several millimeters in ozone generators and up to several centimeters as steel plates act as electrodes and the appropriate separation for DBD is 4 mm. [5]

Objective

Design a class E amplifier capable of generating ozone which has possible applications in disinfection.

Justification

Ozone has the ability to improve air quality, be used for water treatment, industrial applications and waste treatment, however current generators usually use a high amount of energy, these are based on the division of oxygen atoms and subsequently in the recombination of the same to be able to generate ozone unlike the generator that we propose which is based on a class E amplifier that has the capacity to be highly efficient by performing a high voltage discharge converting oxygen into ozone without requiring a high quantity. of energy.

Hypothesis

The aim is to design a device that allows converting direct current into high quality alternating current, with high performance, energy efficiency, and that is capable of handling high power loads. This device must be used to generate electrical discharges capable of converting the ambient oxygen into ozone to be able to use it as a disinfectant.

Method (materials and procedure)

This research work will be divided into several stages that describe the design of both the source and the ozone generating cell.

Background Search: Search for scientific articles, books, research and specialized internet sites that address the generation of ozone through the discharge of DBD dielectric barrier and its use in the field of disinfection.

Analysis of the Technical Requirements of the Source: Based on the information collected, the most suitable design is considered based on the operating conditions of the ozone generator.

Design of the Inverter PCB Board: Based on the resonant Full Bridge topology, the circuit is designed from which the PCB will later be manufactured using the Ironing method.

Inverter Simulation: Using the EveryCircuit simulation software, the operating conditions of the Source will be emulated, as well as the measurement of its parameters. [Annex A]

Design and manufacture of the Source: Using the Altium Designer software, the printed circuit board will be designed and manufactured where all the components that make up the source will be located. Annex [B]

Design of the Ozone Generator: Based on a hermetic block, 2 copper plates are placed on which air circulates which will be converted into ozone. Annex [C].

Method Gallery

Results

The transformer used and the fully assembled circuit can be seen in Annex [D]. The signals obtained were those expected for the correct operation of the circuit, which can be seen in Annexes [E] and [F]. Finally, the physical tests were the most satisfactory to see the project working without any type of failure, which can be seen in Annex [G].

It was possible to obtain a source with the characteristics of a class E source Annex [E], which shows smooth switching necessary for high efficiency, the inverter delivers a quasi-sine wave to the output, Annex [F], which is applied to the transformer. When feeding the Ozone Generator, the discharge of the dielectric barrier is observed and therefore the generation of ozone, Annex [C].

Results Gallery

Discussion

Ozone generation by amplifiers is a constantly evolving research topic that has attracted considerable attention due to its various applications in disinfection, water and air purification, as well as the removal of volatile organic compounds. Key findings and significant aspects related to amplification technology for ozone generation will be discussed.

One of the most notable findings of this research is the ability of the amplifiers to produce ozone in an efficient and controlled manner. The amplifiers use a silent electrical discharge (DBD) to split and recombine oxygen molecules into ozone. This allows greater control over the ozone concentrations generated and the ability to adapt to different applications. Energy efficiency becomes a determining factor. Advances in amplification technology have made it possible to reduce energy consumption and improve the efficiency of ozone generation, which is essential for its long-term viability.

Conclusions

In conclusion, a plasma-based ozone generator is a promising technology in various fields of application, such as air purification, water purification, odor removal, disinfection and sterilization. In addition, plasma technology allows for greater energy efficiency and more stable and controlled ozone production. The conditions of time and resources for the development of the project were limiting factors for its development.

Bibliography

[1] I. A. Laquidara, I. I. P. Pérez, I. C. Díaz, I. A. Giordana y S. N. Ibáñez. “AMPLIFICADORES CLASE E”. Tesla – Facultad de Ingeniería – UNLP. https://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/electronicos2/download/Laboratorios/Lab6-AmpliAltoRen.pdf

[2]      M. K. KAZIMERCZUK, “RF Power Amplifiers,” Dayton, Ohio, USA, WILEY, 2008.

[3] J. Flores. “Plasma, el cuarto estado de la materia”. www.nationalgeographic.com.es. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/plasma-cuarto-estado-materia_14421

[4] “Clasificación de los plasmas (tipos de plasma) | Plasma-Universe.com | Trend Repository”. Trend Repository. https://trendrep.net/es/clasificación-de-los-plasmas-tipos-de-plasma/#Plasma_caliente_plasma_termico

[5] A. M. Montoro de Damas. “Plasmas de Descarga de Barrera Dieléctrica con Empaquetamiento Ferro eléctrico a Presión Atmosférica Aplicados a la Producción de Hidrógeno, Amoníaco y a la Descontaminación de Aire”. Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (US-CSIC) Universidad de Sevilla. https://idus.us.es/bitstream/handle/11441/71159/Tesis_Antonio%20Me%20ndez_Dic17.pdf?sequence=1.

[6] Rocío Sánchez montilla (2021). “¿Qué es el ozono?”. [Visitado: 21/02/2023]. Recuperado de: https://www.muyinteresante.es/ciencia/26420.html

[7] “Aplicaciones del ozono”. [Visited: 18/06/2023]. Recuperado de: https://ozonoinnovacion.com/aplicaciones-ozono/