Чем полезен ионизатор воздуха?
Благодаря ему воздух насыщается отрицательно заряженными ионами кислорода (аэроионами), от концентрации которых напрямую зависит самочувствие людей.
Задумывались ли вы, почему в среднем продолжительность жизни народов, проживающих в горах, больше? Чистая вода, всегда свежие продукты, чистый воздух? Да! Но воздух не только чист от вредных газов, он еще насыщен отрицательно заряженными ионами кислорода, благотворно влияющими на организм человека.
Вот сведения, которые были предоставлены A.Л.Чижевским на конгрессе биофизиков, проходившем в Нью-Йорке в 1938 году:
«Концентрация отрицательно заряженных ионов кислорода (аэроионов) в одном кубическом см: в высокогорных районах — 100 000, в хвойных лесах — 50 000, на лучших морских курортах — до 40 000, в городах — 1000. А что же в закрытых помещениях? 50, в лучшем случае 200 аэроионов на один кубический см. И чем меньше помещение, чем ниже потолки, чем реже оно проветривается, тем меньше в нем так необходимых организму живительных зарядов».
От себя могу добавить, что это говорилось более полувека назад. С тех пор человек весьма «успешно» наступает на окружающую среду: вырубает леса, отравляет атмосферу всеми возможными способами и средствами, заводами, химическими предприятиями, автомобилями, своей бесхозяйственностью и безалаберностью (после меня — хоть потоп), отравляет все водоемы, живет в малогабаритных квартирах с низкими потолками и ест черт знает что!
Поэтому в наше «суперцивилизованное» время проблема чистого ионизированного воздуха не только не исчезла, а наоборот увеличилась многократно.
Принцип работы ионизатора воздуха довольно прост. Если мы возьмем любой источник постоянного тока Е с достаточно высоким напряжением (рис. 1), заземлим его положительный электрод, а к отрицательному подключим какой-либо острый предмет — иглу, булавку, то с ее острия начнут стекать отрицательно заряженные ионы кислорода.
Рис. 1.Схема принципа работы ионизатора воздуха
Производительность этого простого прибора зависит от трех факторов — величины напряжения источника тока Е, степени остроты иглы и количества игл, подключенных к отрицательному электроду. Чем острее игла, тем легче происходит ионообразование, тем меньшую величину напряжения надо приложить к игле. Рассмотрев через лупу с достаточно большим увеличением острый конец швейной иглы или булавки, применяемых в обиходе, мы обнаружим, что острие не такое уж и острое, а скорее закругленное. Можно, конечно, заточить дополнительно каждую иглу, но точить на бруске несколько сот иголок, необходимых для изготовления излучателя, — задача не из простых. Есть другой способ затачивания, до молекулярного уровня, то есть до такой степени остроты, когда на самом кончике острия остается всего несколько или даже один атом металла. Такая степень заточки недостижима никакими механическими способами. Это достигается при помощи электрохимического процесса. О нем можно прочитать в журнале «Юный техник» № 9 за 1974 год. Но сохранить такие острия в течение длительного времени невозможно. Любое прикосновение к ним приводит к поломке кончика. Поэтому лучше идти путем увеличения напряжения источника постоянного тока.
А.Л.Чижевский исследовал процесс ионизации и пришел к выводу, что для нормальной работы ионизатора необходимо отрицательное напряжение не менее 25 000 В (25 кВ), площадь излучателя — «люстры» — 0,7–0,8 м2 для жилого помещения 15–20 м2. Таким образом, основная задача сводится к получению источника постоянного тока напряжением не менее 25 кВ. Больше — лучше.
В принципе такой источник можно получить, соединив последовательно необходимое количество сухих элементов (батареек). И такой источник был бы идеальным для нашей задачи. Он не создавал бы электромагнитных помех, работал абсолютно бесшумно, чего не всегда удается добиться при других схемных решениях, рассмотренных ниже.
Но!!! Простой арифметический подсчет показывает, что батареек типа «Крона» с напряжением 9 В нужно почти 3 000 штук, других — еще больше! Слишком дорогое удовольствие. Поэтому таким путем никто не идет, а применяют специальные преобразователи напряжения, о чем расскажем ниже.
Следует заметить, что встречающиеся иногда описания различных малогабаритных «ионизаторов» с действующим напряжением 5–6 кВ просто не заслуживают внимания. А встречающиеся в продаже «настольные» ионизаторы вряд ли отвечают своему названию и едва ли могут что-то ионизировать.
Итак, для нормальной работы ионизатора нам необходимо высокое постоянное напряжение не менее 25 000 В. От применения батареи сухих элементов приходится отказаться — дорого, да и объем такая батарея займет приличный, что неудобно.
Наиболее рационально питать наш прибор от сети переменного тока. Казалось бы, что надо изготовить повышающий трансформатор, чтобы сетевое напряжение 220 В повысить до 25 кВ и затем его выпрямить. Теоретически это возможно. Практически — нет, особенно в домашних условиях. Несколько сот тысяч витков тонкого провода вторичной повышающей обмотки надо намотать с принудительным шагом, то есть с зазором между витками, каждый слой обмотки разделить довольно толстым слоем изоляции. В результате катушка получится огромных размеров, и мы не сможем найти подходящий сердечник из трансформаторной стали, чтобы она разместилась на нем. Кроме этого, очень трудно добиться высокой электропрочности, катушка должна быть залита специальным компаундом на основе эпоксидных смол, иначе неизбежны пробои между витками. Другой камень преткновения — отсутствие выпрямительных приборов на такое высокое напряжение. Последнее, правда, преодолимо с помощью нескольких высоковольтных столбов (выпрямителей), соединенных последовательно. Тем не менее такой путь технически сложен.
В установившейся практике для получения высоковольтного постоянного напряжения применяют однополупериодные выпрямители с умножением напряжения (рис. 2).
Рис. 2.Схема дли получения высоковольтного постоянного напряжения
В этой схеме переменное напряжение U1 при помощи трансформатора Т повышается до напряжения U2 гораздо меньше необходимого. Умножитель, собранный на конденсаторах C1-С4 и выпрямительных диодах VD1-VD4, выпрямляет и умножает напряжение до необходимого Upaб. На схеме для примера изображен четырехкаскадный умножитель. Для ясного понимания задачи и творческого ее решения приведем несколько математических соотношений:
Uраб = U2∙K/0,85; (1)
Отсюда:
K = 0,85∙Uраб/U2 (2)
К — количество каскадов умножения, в нашем примере К = 4. Распределение напряжений на конденсаторах:
UC1 = Uраб/K (B); (3)
UC2 =… = UC4 = 2∙Uраб/K (B). (4)
Обратное напряжение на всех диодах VD1-VD4:
Uoбp = 2,8∙U2. (5)
Величина емкостей умножителя для рабочей частоты 50 Гц:
С1 = С2 = С3 = С4 = 34∙J∙ (K + 2)/U2 (мкф). (6)
Здесь ток J в миллиамперах. Прямые токи через диоды при работе ионизатора очень малы, так как выход умножителя нагружен на излучатель с естественным стеканием высокого напряжения в воздух. Замеры показали, что при напряжении 25 кВ ток Jpa6 = 50 мА. Поэтому, выбирая выпрямительные элементы, надо руководствоваться допустимым обратным напряжением и рабочей частотой. Выбирая конденсаторы, также учитывают величины напряжений, чтобы не было превышений против паспортных данных, указываемых в справочниках или непосредственно на их корпусах. Величина емкости (номинал) конденсаторов вычисляется по формуле (6), причем надо учесть, что вычисленный результат является минимальным. Номинал много меньше вычисленного брать не рекомендуется, так как умножитель не будет вы давать необходимое напряжение. Номиналы больше вычисленных можно брать любые. В этом случае ограничивающим фактором будут служить габариты. Чем больше номинал, тем больше габариты.
Из всего сказанного следует, что необходимую величину постоянного напряжения можно получить или повышением U2, или увеличением числа каскадов умножителя. Тот или иной вариант зависит от возможности выбора элементов схемы.
Для примера рассмотрим получение постоянного напряжения 25 кВ непосредственно из сетевого 220 В без применения трансформатора. По формуле (2):
К = 0,85∙25000/220 = 97. Принимаем К = 100.
Наибольшее напряжение на конденсаторах (по формуле 4):
Uc= 2∙25000/100 = 500 В.
Величины емкостей по формуле 6:
С1 = С2 = … = С100 = 34∙0,05∙(100 + 2)/220 = 0,79 мкФ.
Выбираем конденсаторы с номиналом 1,0 мкФ как наиболее распространенные. Обратные напряжения на диодах по формуле 5:
Uoбp = 2,8∙220 ~= 600 В.
Таким образом, для построения умножителя нам нужно 100 диодов с обратным напряжением не менее 600 В и 100 конденсаторов с рабочим напряжением 500 В номиналом 1,0 мкФ.
Следует заметить, что этот пример приведен только для разъяснения решения задачи. Строить бестрансформаторные устройства не следует, так как они гальванически связаны с осветительной сетью и поэтому очень опасны при эксплуатации. Трансформаторы нужны не только для повышения напряжения, но и для развязки от сети.
Вооруженные ясным пониманием задачи и некоторыми теоретическими познаниями, мы можем перейти к практическим конструкциям.