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 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. 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. 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.
| |
Опубликовано 22 октября 2011 г. | |
| |