Коротрон, коронатор - теория работыТеория работы коротронов (коронаторов)

Коронаторы (коротроны)

Теория работы



Как ни удивительно, но до сих пор я нигде так и не смог найти более-менее полное и научно обоснованное описание принципов действия одного из важнейших узлов копировально-множительной техники – разрядника коронного разряда, который в просторечии именуется «коротроном» или «коронатором».

Те объяснения, которые попадались мне на глаза (в том числе и ранее представленные мои собственные, за что я приношу свои извинения), никак не могли, с моей точки зрения, претендовать на точное и полное объяснение принципов работы коротронов и не могли «сформировать» наглядную картину их работы.

Поэтому я решил подвести научную базу под этот вопрос и скооперировался со знакомыми студентами, которые писали работу о коронном разряде. Они написали, на мой взгляд, весьма хорошую работу, а я предоставил им несколько коротронов от различных аппаратов, немного помогал в экспериментах и получил нужную информацию.

Хочу сразу сказать, что всё ниженаписанное - это только лишь моя точка зрения на процессы, происходящие при работе коронаторов, и я тоже могу в чём-то ошибаться.

Коротрон (коронатор) представляет из себя в большинстве случаев П-образный (иногда Г-образный) металлический каркас, внутри которого натянута тонкая металлическая нить, электрически изолированная от каркаса и являющаяся коронирующим элементом. Вместо нити иногда применяется игольчатый коронирующий элемент, представляющий собой металлическую полосу с множеством игольчатых выступов, а вместо каркаса в игольчатых коротронах отделения некоторых аналоговых копиров используется просто металлическая полоса.

«Гребёнка отделения» в цифровых аппаратах в большинстве случаев не имеет ничего общего с коротронами, и представляет собой металлическую полосу с множеством игл, электрически соединённую (чаще всего) с корпусом – коронный разряд возникает и в этом случае, но он вызван остаточным электрическим зарядом бумаги.

Нить коронирующего элемента изготавливается, как правило, из достаточно тугоплавкого материала, не подверженного механическим деформациям (вольфрама, соединением вольфрам-сталь), с покрытием из благородного металла, которое обеспечивает нужную электропроводность и, что весьма важно, равномерную гладкость поверхности нити, а также устойчивость к разрушающим действиям ионов, возникающих в процессе рекомбинации на её поверхности.

Коротроны бывают самые разные по выполняемой функции, но сейчас уже, наверное, нет смысла вспоминать, что на старых аналоговых копирах с фотобарабанами на основе селена и арсенида селена было до шести коротронов различного назначения. Поэтому практичнее всего рассматривать коротрон «главного заряда» или «заряда фотобарабана», так как этот элемент применяется ещё во многих аппаратах с отрицательным главным зарядом и является единственным на сегодняшний день зарядным устройством для аппаратов с положительным главным зарядом и органическим фотобарабаном.

Сначала немного «в общем» о теории коронного разряда. Если на коронирующий электрод (в нашем случае это нить) подать достаточно высокое напряжение, то напряжённость электрического поля в ближайших от нити нескольких миллиметрах воздуха становится больше электрической прочности воздуха, и в этой области начинается активное образование как положительных, так и отрицательных ионов газа, атомарного кислорода и озона, а также «лавин электронов». В этой статье я не хочу «утяжелять» материал физическим объяснением данных явлений - если кому интересно, могу рассказать об этом отдельно. При коронном разряде образуется две области: одна область - это упомянутые несколько миллиметров воздушного пространства около нити, где происходят активные процессы, и возникает свечение из-за рекомбинации ионов. А вокруг светящейся области возникает ещё одна область – «тёмная», именно эта область и будет представлять для нас главный интерес, так как именно она и заряжает поверхность фотобарабана.

Теперь можно рассматривать принцип работы коротронов, учитывая знак генерируемых ими зарядов.

В первую очередь рассмотрим коротрон, который формирует на поверхности фотобарабана отрицательный заряд.
В этом коротроне на коронирующий элемент (нить) подаётся отрицательный потенциал. То есть нить является катодом, а металлический каркас анодом. При возникновении коронного разряда в светящуюся область около нити будут стягиваться положительные ионы атмосферного азота (так как нить имеет отрицательный потенциал). При этом свечение будет преимущественно в зелёно-синем участке спектра, что объясняется рекомбинацией ионов азота. В «тёмной» же области будут концентрироваться отрицательно заряженные ионы кислорода, которые будут стремиться к аноду. Но так как подвижность ионов в «тёмном» слое весьма невелика, то образуется облако отрицательно заряженных ионов кислорода (озона). Поверхность фотобарабана, проходя через это облако, подвергается интенсивной бомбардировке отрицательно заряженными ионами, которые отдают поверхности свой избыточный отрицательный заряд. Таким образом осуществляется заряд поверхности фотобарабана отрицательным потенциалом (ионы отдают электроны поверхности фотобарабана).

В случае коротрона, заряжающего поверхность фотобарабана положительным зарядом, картина меняется на зеркальную. Теперь коронирующая нить это анод, а каркас это катод. В светящуюся область будут стягиваться отрицательно заряженные ионы кислорода (озон, атомарный кислород), а «тёмную» область сформируют положительно заряженные ионы азота. Так как ионы кислорода имеют более высокую «энергетику», то свечение, возникающее при рекомбинации в «светящейся» области, «уйдёт» в сине-ультрафиолетовые участки спектра, и его не очень легко заметить глазом. Также это поясняет, почему при работе «положительных коротронов» нет запаха озона. Озона возникает столько же, сколько и при работе «отрицательного коротрона», но этот озон концентрируется вокруг нити (где рекомбинирует в кислород), и его окружает «оболочка» из ионов азота, а потому озон практически не попадает во внешнюю атмосферу. В остальном всё происходит так же, как и с «отрицательным коротроном» - поверхность фотобарабана проходя через облако положительно заряженных ионов азота, подвергается бомбардировке этими ионами и получает положительный заряд (то есть ионы забирают электроны с поверхности фотобарабана).

Учитывая сказанное, можно сказать, что отрицательный заряд фотобарабанам придают ионы кислорода, а положительный ионы азота.

Особо хочется отметить одно обстоятельство: основной ток коронного разряда протекает по цепи катод-анод, то есть между нитью и каркасом коротрона. Зарядка поверхности фотобарабана - это, на мой взгляд, побочный эффект от коронного разряда между нитью и каркасом. Конечно, раз есть поток ионов, которые взаимодействуют с поверхностью фотобарабана, то существует и ток на фотобарабан, но он существенно меньше общего тока коронного разряда.

Точно таким же образом происходит электризация бумаги в коротронах переноса: бумага, проходя через «тёмную» область разряда коротрона переноса, получает заряд от находящихся в этой области ионов.

Ещё можно вспомнить применяющиеся в аналоговых и цифровых аппаратах коронаторы «отрыва» (отделения, сепарации) бумаги. В этих коротронах в основном (но не всегда) используется переменный коронный разряд – то есть в «тёмной» области коронного разряда начинаются волновые движения как отрицательных, так и положительных ионов. Эффект диэлектризации проходящей над коротроном бумаги достигается постепенным увеличением по ходу бумаги плотности «тёмной» области, в которой бумага заряжается несколько сотен раз в секунду то положительно, то отрицательно, с последующим плавным уменьшением плотности «тёмной» области. Для наглядного пояснения – это очень похоже на работу петли размагничивания, если представить, что петля неподвижна, а мимо неё проносят телевизор с кинескопом.

В некоторых коротронах применяется регулировка коронирующей нити «по вертикали». При помощи этой регулировки можно переместить «тёмную» область разряда так, чтобы поверхность (или часть поверхности какого-либо края) фотобарабана попадала в более насыщенные ионами слои области или же, наоборот, в более обеднённые слои. На сам разряд и его параметры эта регулировка практически никакого влияния не оказывает.

Как только появились коротроны, конструкторам надо было решить несколько основных проблем – стабилизацию и регулировку силы тока разряда, а также обеспечение равномерности разряда по всей длине проволоки.
В принципе, коронный разряд обладает способностью к самостабилизации, и даже существует такой класс приборов, как газоразрядные стабилитроны. Но в подобных стабилитронах применяется герметичная колба, в которой параметры газа находятся в стабильном состоянии. Коротрон же работает в условиях реальной атмосферы, при постоянно меняющихся температуре, давлении и составе воздуха. Поэтому самостабилизационных свойств разряда зачастую не хватает для компенсации подобных изменений.

Для обеспечения стабильности тока разряда в коронаторах часто применяют различные нелинейные элементы (варисторы, стабилитроны), включенные в заземляющую цепь каркаса коротрона, или электронные системы, меняющие режим работы (выходное напряжение) высоковольтного преобразователя по сигналу датчика тока коротрона.

Проблема обеспечения равномерности зарядки поверхности фотобарабана по всей длине коротрона, а также обеспечения простоты регулировки и стабилизации заряда поверхности фотобарабана, привела к появлению третьего электрода в конструкции коронаторов главного заряда – сетки.

Поверхность коронирующей проволоки со временем изнашивается, и на ней образуются неоднородности, приводящие к неравномерности коронного разряда по длине проволоки, а проволока из «сверхустойчивых» материалов, которые могли бы долго работать в условиях высоких температур, электрической эрозии и воздействия агрессивных газов, была бы очень дорога.
Поэтому была придумана сетка – электрод, который располагается в «тёмной» области коронного разряда и ограничивает поток ионов газа из «тёмной» области к поверхности фотобарабана.

Существует два основных варианта применения сетки в коронаторах; в первом из них сетка представляет из себя самостоятельный электрод, а во втором варианте сетка электрически соединена с каркасом коротрона. Так как первый вариант практически не применяется в современных массовых аппаратах, то рассматривать будем второй вариант.

При электрическом соединении сетки с каркасом коротрона сетка, по сути, становится продолжением каркаса – то есть вторым электродом, и такое подключение значительно упрощает реализацию цепей регулировки и стабилизации. В большинстве случаев достаточно просто соединить объединённую цепь «каркас-сетка» с корпусом через нелинейный элемент (варистор, стабилитрон) и, если нужна регулировка, то добавить последовательно в эту цепь переменный резистор. Некоторые фирмы-производители применяют и электронную схему стабилизации-регулировки, включенную между «каркасом-сеткой» и корпусом.

При подаче напряжения на коронирующий элемент такого коротрона, каркас и сетка начинают быстро заряжаться от ионов «тёмной зоны», и через нелинейный элемент начинает протекать ток. Нелинейный элемент при этом меняет своё сопротивление и ограничивает (стабилизирует) потенциал каркаса-сетки, отводя «лишний» ток через себя. Чем меньше сопротивление стабилизирующей цепи (чем меньше потенциал сетки), тем большее количество ионов «тёмной» зоны будут притягиваться к сетке, отдавая свой заряд, и тем меньшее их количество попадёт в зону поверхности фотобарабана – заряд фотобарабана будет уменьшаться. То есть, чем меньше потенциал сетки, тем меньше и заряд фотобарабана.

Надо заметить, что только с появлением сетки стало возможным использовать игольчатые коронаторы для главного заряда. Конструкция игольчатого коронатора гораздо более проста и технологична, чем коротрона с нитью. К тому же игольчатый коронирующий элемент создаёт максимальную область концентрации зарядов в передней полусфере от коронирующей «иглы», и поэтому существенно уменьшается выброс в атмосферу ионизированных газов.

Но у игольчатого коронатора есть и один большой недостаток – неравномерность создаваемой им «тёмной» зоны коронного разряда; поэтому без применения сетки он не может обеспечить равномерный заряд поверхности фотобарабана. Сетка обладает тем же знаком потенциала, что и ионы «тёмной» зоны, и будет тормозить дрейф ионов «тёмной» зоны по направлению к фотобарабану. Плотность ионного газа перед сеткой будет больше, чем в промежутке между сеткой и фотобарабаном, тем самым достигается равномерный поток ионов к поверхности фотобарабана. Как очень грубую аналогию можно представить себе обычную душевую воронку.

В заключение хотелось бы ещё сравнить коротрон главного заряда (заряда фотобарабана) и его прямого конкурента – вал главного заряда - по основным характеристикам.

У вала заряда есть несколько преимуществ перед коротроном: низкая стоимость, полное отсутствие озона и, как ни странно, недолговечность (в глахах производителей это серьезное преимущество). По всем остальным параметрам вал заряда довольно серьёзно уступает коротрону. Поверхность вала заряда в принципе не может быть идеально гладкой и равномерной, поэтому зачастую приходится применять методы разравнивания заряда по площади поверхности, модулируя постоянное напряжение на валу заряда переменной составляющей.

Как уже было сказано, вал заряда имеет весьма ограниченный ресурс и низкую надёжность благодаря наличию подшипников скольжения, скользящего контакта и механического контакта с поверхностью фотобарабана.

И ещё один недостаток традиционных валов заряда – невозможность на сегодняшний день их применения в устройствах с положительно заряжаемым органическим фотобарабаном. Я опять не буду вдаваться в тонкости и употреблять выражения типа «сродство к электрону». Но существующие валы заряда даже при помощи весьма большого положительного напряжения неспособны эффективно забирать электроны с поверхности органического фотобарабана и обеспечивать фотобарабану положительный заряд.

В отличие от вала заряда, коротрон является гораздо более «долгоиграющим» устройством – при правильном уходе в нём изнашивается только поверхность нити и (в меньшей степени) сетка. Коротрон (а особенно конструкция с сеткой) обеспечивает гораздо более равномерный заряд поверхности фотобарабана, невзирая на знак заряда – ионы газа обладают гораздо большей способностью забирать и отдавать электроны, нежели поверхность полимерного вала заряда, а стабильность плотности слоя ионов гораздо более равномерна, чем неровная поверхность вала заряда, ообенно если учитывать ещё и биение вала в подшипниках.

Так что, на мой взгляд, у традиционных проволочных и игольчатых коротронов пока ещё есть будущее.

P.S. Я ещё раз хочу напомнить, что всё сказанное - это только лишь моя точка зрения на процессы, поэтому буду очень благодарен за все дополнения и указания замеченных неточностей.


С уважением ко всем прочитавшим,
Александр aka


Опубликовано 22 октября 2011 г.

|  На заглавную страницу  | О сайте | Обзоры | Ликбез | Форум | Ремонт | Заметки | FAQ | Хобби | Сервис-центры |
| Конференция | Комиссионка | Совместимость | Коды | Магазин | Релаксация | Ссылки | Поиск | Сброс ошибок |

© StartCopy Corp, 1998-2017; воспроизведение материалов в любом виде без разрешения редакции сайта запрещено
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100