Как самостоятельно сделать аэроионизатор, Радио №3, 2001 г.

Аэроионизатор "Корсан"
В. КОРОВИН, г. Москва
(февраль 1999 г.)

В ряде публикаций журнала "Радио" описаны любительские конструкции аэроионизаторов - аналогов электроэффлювиальной люстры А.Л.Чижевского. В этой статье я хочу поделиться своим опытом разработки и изготовления аэроионизатора (прозванного "люстрой Чижевского в кармане"), устройство которого чрезвычайно просто и вполне по силам начинающим радиолюбителям. В основе работы прибора лежит тот же физический принцип, что и в "люстре Чижевского", но конструкция совершенно иная.

Побуждением к разработке ионизатора, отличного от эффлювиальной люстры, был ряд причин, с которыми, уверен, согласится большинство читателей:

1. Нелегко найти в квартире подходящее место под потолком для колючего "зонта" диаметром 1 м. И при этом надо, чтобы он находился на расстоянии не ближе 1 м от самого потолка, стен и электроосветительных приборов.

2. Не украшает ни стену, ни потолок высоковольтный кабель, идущий к "люстре". Можно конечно, смонтировать высоковольтный преобразователь прямо в арматуре самой "люстры" (и некоторые производители уже так и делают), но нужен еще крюк для крепления к потолку, да и сетевой провод тянуть туда же надо.

3. Совершенно неприемлемой видел перспективу ежегодного (и даже чаще) ремонта потолка и ближайшей стены, так как около "люстры" примерно через месяц (при регулярном ее использовании) образуется темное или черное (зависит от степени загрязненности района) грязевое пятно - результат очень эффективной работы ионизатора в качестве очистителя воздуха.

4. Очень не хотелось заниматься трудоемким процессом изготовления собственно эффлювиальной люстры. Да и внешний вид такого колючего "зонта" - на любителя.

Поэтому эта разработка была нацелена на создание компактного домашнего прибора, который не надо связывать с потолком или стеной, а достаточно лишь включить шнур питания в розетку 220 В. (В 2000 году создан аналогичный аэроионизатор с питанием от бортовой сети автомобиля 12 В или 24 В.)

Но прежде, чем появилась завершенная конструкция, было проведено много экспериментов. Сначала они проводились с очень простыми тиристорными высоковольтными преобразователями, от которых впоследствии пришлось отказаться по причине создаваемых ими сильных электромагнитных помех и малого КПД. В дальнейшем был изготовлен не более сложный однотранзисторный преобразователь, положенный в основу описываемого аэроионизатора.

Оба типа преобразователей позволяли получать на ионизирующем электроде отрицательный потенциал до 80 кВ. Для изменения напряжения на электроде использовался регулируемый автотрансформатор, с выхода которого питающее напряжение частотой 50 Гц подавалось на преобразователь.

Напряжение на ионизирующем электроде измерялось вольтметром с магнитоэлектрической головкой (ток полного отклонения стрелки 50 мкА) и добавочным резистором сопротивлением 2 ГОм, составленным из 20 последовательно соединенных резисторов по 100 МОм каждый. Таким образом, предел измеряемого напряжения составлял 100 кВ. Ионный ток контролировался в цепи электрода магнитоэлектрической головкой с током полного отклонения стрелки 50 мкА.

В экспериментах использовался электрод в виде пучка тонких заостренных на концах проводников (в форме одуванчика). Было интересно узнать, как влияет количество проводников, а также величина потенциала на электроде на эффективность ионообразования.

Результаты измерений наглядно показали, что величина ионного потока зависит гораздо в большей степени от электрического потенциала,чем от количества игл. Повышение потенциала одноигольчатого электрода с 20 кВ до 40 кВ вызывало увеличение ионного тока в 13 раз, в то время как наращивание числа коронирующих игл до 15 при расстоянии между ними 7 см приводило к возрастанию ионного тока лишь в 1,5 раза! Если расстояние между иглами уменьшалось в два раза, то для того же 1,5 кратного увеличения ионного тока уже требовалось более 40 игл. (Фактически я повторил результаты А.Л.Чижевского.)

Следовательно требуемый ионный поток можно получить и от одноиголчатого коронирующего электрода при создании на нем соответствующего электрического потенциала. А.Л.Чижевский говорил о необходимости подачи на эффлювиальную люстру потенциала не менее 20 кВ. В различных аэроионизаторах ранних выпусков, а также изготавливаемых в настоящее время, рабочее напряжение на электродах лежит в пределах от 2 до 50 кВ. Какое значение выбрать? Если следовать А.Л.Чижевскому, чем больше - тем лучше. Но уже при напряжении 40 кВ ионный поток настолько силный, что в радиусе 1,5 метров от электрода все трещит и искрится. Выходят из строя паяльник, осциллограф, холодильник и другая электрическая техника, подключенная к сети. Для домашних условий такой режим явно не подходит.

Пришлось изучить санитарные нормы и сделать детальные измерения пространственного распределения аэроионов. Они проводились с помощью аспирационного счетчика аэроионов "АСИ-2" в Московском городском ожоговом центре НИИ скорой помощи имени Н.В.Склифосовского и в научно-исследовательской лаборатории завода "Диод", известного своими аэроионизаторами "Элион".

На рис.1 представлены зависимости концентрации легких аэроионов от расстояния до ионизирующего электрода, выполненного в виде одиночного заточенного отрезка провода длиной 12 см, для двух значений электрического потенциала на электроде; 20 кВ и 30 кВ. Здесь же, в соответствии с санитарными нормами, штриховыми линиями отмечены уровни максимально допустимой (50000 ионов в кубическом сантиметре) и минимально допустимой (600 ионов в кубическом сантиметре) концентрации легких аэроионов. Следует обратить внимание на логарифмический масштаб по оси концентраций.

Результаты измерений показывают,что уже при потенциале 20 кВ на расстоянии 2 м от ионизирующего электрода концентрация аэроионов находится на уровне максимально допустимой. Поэтому при любых больших значениях потенциала на электроде минимальное расстояние, на котором возможно длительное пребывание человека, становится еще больше. И с этим надо обязательно считаться, поскольку избыточное количество аэроионов вовсе не безопасно. Следствием передозировки аэроионов могут стать головокружение, повышенная раздражительность, головная боль, носовые кровотечения.

Другой важный вывод заключается в том, что концентрация легких аэроионов существенно уменьшается при удалении от электрода - примерно в 10 раз на каждом метре удаления. Этот спад обусловлен рекомбинацией (гибелью) ионов, а также их захватом различными аэрозольными частицами, загрязняющими воздух. Из-за явлений рекомбинации и захвата среднее время существования (продолжительность "жизни") легких аэроионов весьма ограничено и практически не превышает десятка секунд. Поэтому принципиально невозможно создать в помещении равномерное распределение аэроионов, и уж тем более пытаться насытить ими воздух в нескольких помещениях, если ионизатор установлен только в одном из них.

Бесполезно также пытаться запастись аэроионами впрок. После выключения прибора их концентрация быстро упадет до фонового уровня. Но польза от поработавшего прибора все равно будет проявлять себя еще долгое время в виде чистого воздуха. При необходимости насыщения аэроионами нескольких помещений нужно каждое из них оснащать ионизатором или пользоваться переносным прибором.

С учетом сказанного и был разработан компактный аэроионизатор, названный автором "Корсан" (рис. 2), у которого высоковольтный преобразователь и коронирующий электрод конструктивно объединены в одно целое посредством разъема. Использование разъема позволяет легко собирать и разбирать прибор для транспортировки (например на работу и с работы) или удаления грязи с корпуса. Наличие разъема расширяет и его функциональные возможности за счет использования электродов различной конфигурации. В базовой модели электрод выполнен из одножильного медного провода в пластиковой оболочке, один конец которого заточен до острия, а противоположный - впаян в однополюсную вилку. С помощью нее электрод крепится в гнезде на корпусе преобразователя. Диаметр медной жилы существенной роли не играет и может лежать в пределах 0,5 - 1,5 мм. Длину электрода не следует делать меньше 10 см во избежание избыточного образования озона и возможности возникновения электрических разрядов по корпусу прибора.

В качестве корпуса преобразователя использована половинка пластмассовой мыльницы с внешними габаритами 110 х 80 х 30 мм, в которой размещены плата однотранзисторного автогенератора с бестрансформаторным питанием от сети 220 В, диодный умножитель напряжения, токоограничивающий защитный резистор и гнездо для крепления электрода. Одна из торцовых сторон корпуса оснащена небольшой петлей для удобства крепления прибора на стене. Выполнить высоковольтный преобразователь в столь малых габаритах удалось за счет минимизации числа компонентов схемы, использования нестандартного высоковольтного трансформатора и полной герметизации внутреннего объема корпуса диэлектрическим компаундом.

На корпусе прибора отсутствует выключатель питания, поскольку пользоваться им невозможно из-за возникновения статического заряда на теле человека при приближении к работающему прибору. Поэтому аэроионизатор "Корсан" оснащен длинным (не менее 2 м) гибким шнуром питания с вилкой на конце, которой и осуществляется включение и выключение прибора.

Габариты корпуса позволяют разместить в нем диодный умножитель на 40 кВ и более. Но основываясь на данных графика (рис. 1) и опыте трехлетней эксплуатации ионизатора в быту и в медицинских учреждениях, следует признать целесообразным для бытового применения выбор потенциала на электроде от 15 до 30 кВ, в зависимости от площади помещения. Ориентировочно можно считать, что величина напряжения в киловольтах соответствует площади помещения в квадратных метрах.

Электрическая схема аэроионизатора приведена на рис. 3. Переменное напряжение сети 220 В с помощью диодного моста VD1 и конденсатора С1 преобразуется в постоянное напряжение около 310 В, которым питается высоковольтный автогенератор. Он выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Обмотка I и конденсатор С2 образуют колебательный контур, включенный в коллекторную цепь транзистора последовательно с резистором R2 и индикаторным светодиодом HL1, зашунтированным резистором R3. С обмотки II через разделительный конденсатор С3 на базу транзистора подается напряжение положительной обратной связи. Резисторы R4-R6 определяют режим автосмещения на базе.

На повышающей обмотке III развивается переменное напряжение с амплитудой около 3 кВ, которое подводится к умножителю на диодах VD2-VD11 и конденсаторах С4-С13. При десяти каскадах умножения достигается отрицательный потенциал 30 кВ. При использовании восьмикаскадного умножителя на его выходе будет соответственно 24 кВ. Выход умножителя соединен с гнездом Х2 через защитный резистор R7, ограничивающий ток при случайном касании коронирующего электрода до безопасной для человека величины (не более 300 мкА).

Самый ответственный элемент устройства - высоковольтный трансформатор (рис. 4). Он выполнен на одиннадцатисекционном цилиндрическом каркасе 2 с магнитопроводом 1 диаметром 8 мм из феррита М400НН. Повышающая обмотка III содержит 3300 витков провода ПЭЛШО 0,06 и равномерно уложена в секциях каркаса по 300 витков в каждой. Обмотка I содержит 300 витков ПЭЛШО 0,1 и намотана в три ряда на гильзе 4, расположенной на краю каркаса со стороны левого по схеме вывода обмотки III. Четыре витка обмотки обратной связи II намотаны проводом ПЭЛШО 0,1 поверх обмотки I и отделены от нее слоем изолирующей ленты (скотч) 3.

Длина каркаса с магнитопроводом может лежать в пределах 70... 100 мм и определяется размерами корпуса. Каркас 2 и гильза 4 трансформатора могут быть склеены из 3-4 слоев бумаги, используемой для принтеров или ксероксов. Щечки для разделения секций можно изготовить из плотной бумаги толщиной 0,3...0,5 мм. Но лучше всего, конечно, выточить секционный каркас из диэлектрика (фторопласт, полистирол, оргстекло, эбонит или плотная древесина).

Начало и конец обмотки III подпаивают к выводам 5, приклеенным к краям каркаса. Выводы легко выполнить из одножильного медного провода диаметром 0,4...0,5 мм, но нельзя создавать короткозамкнутых витков. Этими же выводами трансформатор крепят к плате. Выводы обмоток I и II подпаивают к плате с соблюдением указанной на схеме фазировки. Описанная конструкция допускает работу трансформатора без какой-либо специальной пропитки.

Лучшие результаты будут получены, если вместо указанного на схеме биполярного транзистора КТ872А применить любой транзистор БСИТ из серий КП810, КП953 или КП948А (вывод затвора используется как база, стока - коллектор, истока - эмиттер). Диодный мост VD1 - любой, рассчитанный на выпрямленный ток не менее 100 мА и обратное напряжение не ниже 400 В; выпрямительные столбы VD2-VD11 - КЦ106Б-КЦ106Г или любые из серий КЦ117, КЦ121- КЦ123. Конденсатор С1 - емкостью от 1 до 10 мкф на напряжение не ниже 315 В; С2, СЗ - любого типа, но С2 на рабочее напряжение не менее 315 В; С4-С13 - К15-5 емкостью 100-470 пф на напряжение 6,3 кВ. Светодиод - любой с видимым излучением. Резисторы R1-R6 - С2-23, С2-33, МЛТ, ОМЛТ; R7 - СЗ-14-0,5 или СЗ-14-1.

При использовании исправных деталей и безошибочном монтаже схема начинает работать сразу. Контроль работы автогенератора и измерение его основных параметров удобно проводить с помощью миллиамперметра постоянного или переменного тока с пределом измерения 25-50 мА и осциллографа, позволяющего наблюдать на экране электрический сигнал с размахом не менее 600 В. Измеритель тока дает возможность определять и минимизировать потребляемую от сети мощность и, тем самым, повысить надежность ионизатора. Осциллограф позволяет визуально контролировать и оптимизировать работу устройства, а также косвенно определять значение постоянного напряжения на выходе умножителя.

Если будет применен миллиамперметр постоянного тока, его целесообразно включить в разрыв точки 1 с соблюдением полярности. Но удобнее использовать измеритель переменного тока, который включают в разрыв любого сетевого провода. В этом случае можно проконтролировать потребляемый прибором ток и после заливки схемы диэлектрическим компаундом. В любом из указанных вариантов измерительный прибор будет показывать одну и ту же величину тока, потребляемого схемой от сети. Потребляемую мощность можно оценить умножением измеренного тока на 300 В. Например, при токе 15 мА потребляемая мощность составит 15 мА х 300 В = 4500 мВт = 4,5 Вт.

Но прежде, чем вставить вилку Х1 в сетевую розетку, запомните, что аэроионизатор питается без разделительного трансформатора и, следовательно, любой его элемент находится под опасным для человека напряжением относительно нулевого провода. Поэтому помните о мерах безопасности и соблюдайте их!

Первое включение целесообразно сделать без диодного умножителя. При отсутствии генерации (контролируют осциллографом, подключенным к коллектору транзистора) надо обратить внимание на потребляемый ток (ток покоя). Если он не превышает 1 мА, возможно, транзистор имеет пониженный коэффициент передачи тока базы, и его лучше заменить. Но можно попытаться увеличить ток покоя подбором резистора R5 с меньшим сопротивлением.

Если ток покоя находится в пределах 2...5 мА, а генерации нет, причиной ее отсутствия может быть неправильная фазировка выводов обмоток трансформатора. В этом случае бывает достаточно поменять местами концы любой из обмоток - I или II. Если и после этого генерация не возникает или колебания есть, но весьма малой амплитуды (транзистор работает без отсечки), придется увеличить число витков (на 1 ...2) обмотки обратной связи II.

В нормально работающем генераторе (его частота 40...60 кГц) пиковое напряжение на коллекторе относительно общего провода находится в пределах 500...600 В, угол отсечки транзистора близок к 90 градусам (транзистор насыщен в течение четверти периода), потребляемый ток не превышает 15 мА. При таком режиме в транзисторе выделяется мощность не более 1 Вт, и его можно использовать без радиатора.

Следует иметь в виду, что КПД генератора связан с углом отсечки транзистора. Значение этого параметра нетрудно оптимизировать с помощью осциллографа подбором резистора R4 и напряжения на обмотке II. Чем больше напряжение (больше витков) и меньше сопротивление резистора, тем больше угол отсечки. Зависимость КПД от угла отсечки носит экстремальный характер, и оптимальный режим достигается при значениях угла 80-100 град.

После того, как будет закончена настройка генератора, можно измерить с помощью осциллографа амплитуду напряжения на повышающей обмотке III. Для этого проще всего воспользоваться емкостным делителем напряжения (рис. 5). Конденсатор С1 должен быть с рабочим напряжением не менее 3000 В, например КВИ, а конденсатор С2 - любого типа. Коэффициент деления такой цепочки при указанных номиналах конденсаторов и входной емкости осциллографа 100 пф равен 100.

С достаточной точностью напряжение на ионизирующем электроде (на гнезде Х2) определяется умножением амплитудного значения напряжения на повышающей обмотке III на число каскадов диодного умножителя.

В завершение настройки можно испытать работу устройства с подключенным умножителем. Для этого его надо соединить с повышающей обмоткой III проводами длиной не менее 10 см и расположить на листе из хорошего диэлектрика (оргстекло, гетинакс и др.). Наилучшим способом проверки является измерение отрицательного потенциала на выходе умножителя относительно заземленного провода с помощью высоковольтного вольтметра. Но можно ограничиться и простым включением. В нормально работающем преобразователе, как правило, между выводами конденсаторов диодного умножителя происходит коронный разряд, сопровождаемый характерным шипением и запахом озона, но возможны и искровые разряды.

Эксплуатировать аэроионизатор в таком виде, конечно, нельзя. Требуется как минимум герметизация умножителя диэлектрическим компаундом. Если будет принято решение о герметизации только одного умножителя, то конструкция всего ионизатора должна быть такой, чтобы расстояние между коронирующим электродом и высоковольтным блоком было не менее 1 м. В противном случае надежность аэроионизатора резко падает и он может выйти из строя уже через несколько месяцев. По корпусу высоковольтного блока через имеющиеся стыки и зазоры начинают протекать микротоки, со временем переходящие в искровые разряды, что обусловлено не только неизбежным оседанием аэрозольных частиц на его поверхности, но и их проникновением внутрь корпуса.

В описываемой конструкциии герметизированы все детали устройства эпоксидным клеем ЭДП. Перед заливкой узлы и элементы монтируют в диэлектрическом корпусе с толщиной стенок не менее 1,5 мм. Надо принять меры по устранению возможных протечек смолы через отверстия, используемые для крепления разъема, светодиода и ввода сетевого шнура. Для этого диаметр отверстий следует точно согласовать с соответствующими элементами. Можно воспользоваться предварительной герметизацией этих мест клеем ПВА, "Момент", БФ и др.

Клей ЭДП используют в соответствии с прилагаемой к нему инструкцией. Перед смешиванием с отвердителем основу разогревают до температуры 70...90 С для повышения текучести и ускорения процесса отверждения. Но надо обязательно учитывать, что после смешения компонентов реакция отверждения происходит с выделением большого количества тепла. При объеме смолы более 50 мл может произойти саморазогрев с закипанием и отверждением в течение нескольких минут. Поэтому необходимо использовать наполнитель (кварцевый или речной песок), вводимый в уже подготовленную к заливке массу в объемном соотношении 1:1.

Эксплуатация прибора возможна не ранее 24 часов после заливки корпуса.

[На главную страницу]