Purifichiamo l’ambiente con gli ioni negativi

Una delle soluzioni più semplici per purificare l'aria è quella dell'utilizzo degli ioni negativi. Essi sono estremamente numerosi in alta montagna o al mare, dove l'aria è purissima. Purtroppo nelle città dobbiamo accontentarci di una qualità appena sufficiente. Il circuito che proponiamo in questo articolo è, appunto, un semplice generatore di ioni negativi, sufficiente per un piccolo ambiente o una modesta stanzetta. I componenti elettronici sono facilmente reperibili e abbastanza economici.

Introduzione

Gli ioni negativi, si sa, sono molto salutari per l'uomo. Essi sono atomi di ossigeno caricati di elettroni e la natura ce ne regala in grande quantità per gli effetti del sole, dell'acqua, dell'aria, etc. Gli ioni negativi sono molto presenti anche in caso di fulmini, durante un temporale. Quando piove, infatti, c'è sempre un buon profumo di "aria pulita". Anche durante una doccia calda si generano ioni negativi. Una loro caratteristica è quella di aggredire, letteralmente, i virus, i batteri, il fumo delle sigarette e le spore. Si capisce subito come essi siano, quindi, particolarmente efficaci per il trattamento di allergie e fastidi vari. Purtroppo, come detto prima, non tutti possiamo vivere al mare o in montagna e nemmeno in città realmente pulite. Al contrario, gli ioni positivi vengono prodotti dallo smog, dall'inquinamento, dal fumo, dalle polveri sottili e, in generale, nei posti non a stretto contatto con la natura. Come avviene la purificazione dell'aria? Gli ioni negativi invadono quelli positivi, aggrappandosi e rendendo le particelle più pesanti, fino al punto di cadere a terra (ovviamente non si vede nulla, parliamo di molecole microscopiche). L'aria, in questo modo, si libera.

Di seguito mostriamo la concentrazione degli ioni negativi (per metro cubo), nei vari posti sulla terra:

  • 1 miliardo in alta montagna;
  • 200-300 milioni in collina;
  • 10-100 milioni in città;
  • 1-10 milioni in città inquinate o luoghi chiusi e non aerati.

Effetti positivi sull'organismo

Gli ioni negativi producono molti effetti benefici sul corpo umano, che andiamo brevemente a riassumere:

  • aumentano il buon umore, il rilassamento e la serenità;
  • migliorano l'afflusso di ossigeno al cervello;
  • riducono virus e batteri;
  • combattono il polline;
  • aumentano la qualità del sonno;
  • possono ridurre l'asma, il raffreddore e l'insonnia.

In ogni caso non si parla di miracolo. Gli stessi effetti possono sortire se si ha la fortuna di possedere una casa in alta montagna, magari nelle prossimità di una grande cascata: un vero paradiso terrestre. L'articolo ha lo scopo di focalizzare, comunque, la parte elettronica della problematica.

Come generare gli ioni negativi

Puntualizzato il fatto che gli ioni negativi producono tanto beneficio, vediamo come poterli generare. Esistono diverse soluzioni a riguardo e quella adottata qui è denominata "effetto corona" o anche "scaricamento corona". Tale effetto si verifica in natura quando avviene un lampo, in un temporale. In pratica, una piccola corrente (ma ad alto voltaggio) attraversa un ago, fino a raggiungere la sua punta. Dal momento che gli elettroni si respingono tra loro, quando raggiungono la punta dell'ago sono costretti a passare verso la molecola d'aria più vicina, diventando uno ione negativo. Anche se il generatore è piccolo, gli ioni negativi hanno la proprietà di respingersi tra loro, generando una sorta di effetto valanga e spandendosi in un grande spazio. Per la loro generazione occorre innalzare la tensione a valori importanti. Il dispositivo che stiamo per costruire, infatti, prende anche il nome di ionizzatore. Il prosieguo dell'articolo chiarirà, in dettaglio, il metodo.

Schema di principio

La realizzazione che andiamo a presentare non è rivolta ai principianti. Sebbene lo schema elettrico risulti estremamente semplice, esso ha a che fare con l'alta tensione, possibilmente superiore a 5 kV. Operino in tal senso, dunque, solo gli esperti di elettronica e, soprattutto, chi sappia dove NON mettere le mani. Si tratta di un dispositivo capace di generare un'alta tensione negativa, purificando l'aria. Esso è capace di "sparare" gli elettroni dalla punta di un ago verso l'aria esterna. E' basato sull'adozione del moltiplicatore di tensione. Nella fattispecie, lo schema di principio è costituito dal duplicatore di tensione. Si tratta di una piccola rete formata da 2 condensatori e due diodi, come mostrato nella Figura 1. Essi, ricevendo in ingresso una tensione alternata sinusoidale, permettono di ottenere una tensione di uscita continua pari al valore di picco-picco della tensione alternata in ingresso (meno la tensione diretta dei diodi). Il circuito è formato da un clamper e da un raddrizzatore di picco.

Figura 1: Il duplicatore di tensione.

Figura 1: Il duplicatore di tensione

Nello schema di cui sopra, V1 è rappresentato da un generatore di tensione alternata sinusoidale, ad esempio quella della rete elettrica a 230 V efficaci (equivalenti a 325 V0p oppure a 650 Vpp). I due diodi sono del tipo 1N4007 e, comunque, capaci di reggere una d.d.p. di almeno 1000 V. I condensatori, di tipo poliestere (non elettrolitici), devono sopportare almeno 700 V, meglio 1000 V. Mettendo in funzione il duplicatore, con molta attenzione, si ottiene in uscita una tensione continua negativa, rispetto a massa, di circa 650 V, proprio il doppio di quella picco-picco di ingresso alternata. La Figura 2 illustra la sinusoide in ingresso a 230 V (di colore giallo) e l'uscita negativa di 650 V in corrispondenza dell'anodo di D1 (di colore verde).

Figura 2: Segnale d'ingresso (alternata) e di uscita (continua negativa) del duplicatore.

Figura 2: Segnale d'ingresso (alternata) e di uscita (continua negativa) del duplicatore

Moltiplichiamo la tensione

Avendo compreso il funzionamento della singola cella, possiamo passare al disegno dello schema elettrico del moltiplicatore di tensione di Walton-Cockroft. Esso non è altro che un collegamento in serie di tante celle duplicatrici, otto per la precisione, nel nostro caso. La Figura 3 mostra lo schema di principio, non ancora ottimizzato per la sicurezza.

Figura 3: Schema di principio del moltiplicatore di tensione.

Figura 3: Schema di principio del moltiplicatore di tensione

Come detto, è composto da ben 8 celle duplicatrici ed è formato, in teoria, da 16 diodi 1N4007 e da 16 condensatori poliestere da 1uF, capaci di reggere una tensione di lavoro di almeno 650 V. Abbiamo detto in teoria, poiché i costi di una capacità di 1000 VL sono abbastanza importanti. Per risparmiare qualcosa è possibile collegare in serie due condensatori tra loro, in modo che la tensione di lavoro raddoppi, a scapito della capacità che, invece, si dimezza, come mostrato nella Figura 4.

Figura 4; Due condensatori da 2.2uF e 400VL collegati in serie corrispondono a un condensatore da 1.1uF e 800VL.

Figura 4: Due condensatori da 2.2 uF e 400VL collegati in serie corrispondono a un condensatore da 1.1 uF e 800VL

Pertanto, fate bene i conti di spesa per capire quale sia la soluzione più conveniente da adottare. In caso di raddoppio del condensatore, lo schema elettrico equivalente è raffigurato in Figura 5.

Figura 5: Schema elettrico di principio.

Figura 5: Schema elettrico di principio

Per aumentare la sicurezza del circuito, si consiglia di usare un fusibile in entrata, una serie di resistenze da almeno 10 Mohm e una super resistenza da 500 Mohm collegata tra la massa e l'uscita AT del circuito. Quest'ultima serve per scaricare, pian piano, tutti i condensatori. Non conviene abbassare il loro valore resistivo, per non compromettere l'alta tensione finale. La Figura 6 mostra il circuito completo.

Figura 6: Schema elettrico completo.

Figura 6: Schema elettrico completo

Non per ultimo, sarebbe utile un trasformatore-isolatore di rete, con rapporto 1:1. In pratica tale componente non trasforma nulla, entrano 230 V alternati e ne escono 230 V alternati, ma in compenso non troviamo in uscita la pericolosa fase. Si potrebbero aggiungere, anche, tante resistenze da 1 Mohm in parallelo a ogni condensatore, per ripartire meglio la tensione ed assicurare un perfetto scarico quando la tensione di rete è disattivata.

Elenco componenti

Ecco di seguito l'elenco dei componenti da utilizzare:

  • 1 Trasformatore-isolatore 1:1 (opzionale);
  • 1 fusibile da 500 mA;
  • C1-C32: 32 condensatori poliestere 2,2 uA 400VL (oppure 16 da 1000VL);
  • D1-D16: 16 diodi 1N4007;
  • R1: resistenza da circa 500 Mohm (tante in serie di alto valore);
  • R2, R3, R4: resistenze da 10 Mohm;
  • 1 ago per cucire.

Simulazione al computer

Prima di intraprendere la costruzione di questo relativamente pericoloso circuito, vediamo qualche suo comportamento in simulazione, nella quale si possono innalzare tranquillamente i valori di tensione, anche a miliardi di Volt, senza alcun pericolo. La simulazione è stata effettuata con il programma LTSpice, del quale abbiamo parlato in un precedente articolo. La prima è quella visibile in Figura 7, nella quale sono presenti il segnale alternato di rete, in entrata, di colore verde e la tensione negativa di 5100 Volt presente sull'ago, in uscita, di colore rosso. Come si nota, non conviene assolutamente toccare tale terminale finale! Il circuito andrà in regime dopo circa 15 secondi dalla sua accensione. Tale tempo è impiegato dai condensatori per caricarsi.

Figura 7: Simulazione Transitoria in ingresso e in uscita.

Figura 7: Simulazione Transitoria in ingresso e in uscita

La prossima simulazione è effettuata in corrispondenza degli 8 anodi degli altrettanti diodi. Come si vede dalla Figura 8, ogni cella eleva la tensione di circa 650 Volt. Più celle si inseriscono nel circuito e più la tensione diventa elevata (e pericolosa).

Figura 8: I punti di lavoro ai vari anodi dei diodi.

Figura 8: I punti di lavoro ai vari anodi dei diodi

La successiva simulazione è molto importante e permette di capire le condizioni di lavoro di un condensatore. Il grafico di Figura 9 mostra i segnali presenti ai due terminali di una capacità. La differenza ai capi è sempre pari a circa 650 Volt (tranne per il primo condensatore della catena che si attesta sui 325 Volt), per questo motivo non si possono usare componenti che non sopportino tale tensione. Utilizzando, come nel nostro caso, due condensatori in serie da 400 VL, otteniamo una soglia di lavoro di ben 800 VL, più che sufficiente per il nostro scopo. In teoria sarebbe possibile usare anche componenti polarizzati (anche elettrolitici) ma in tal caso occorre conoscere il punto di lavoro "più positivo" dell'altro, ove orientare correttamente il componente. E in ogni caso esso deve reggere almeno 650 Volt pena il suo "scoppio".

Figura 9: La differenza di potenziale ai capi di un condensatore.

Figura 9: La differenza di potenziale ai capi di un condensatore

Prima realizzazione

Lo schema elettrico raffigurato in Figura 9 può essere realizzato in diversi modi. Presentiamo due modalità di costruzione, entrambe molto valide ed efficienti, anche dal punto di vista della forma fisica e dell'estetica. La prima realizzazione prevede l'incollaggio dei condensatori su una tavoletta di legno o di plastica dalle dimensioni di 4 cm per 2 cm per 100 cm, come visibile in Figura 10. Tali componenti possono essere fissati con una goccia di colla a caldo e poi saldati tra loro. A seguire, anche la saldatura dei diodi.

Figura 10: La rete dei condensatori e dei diodi.

Figura 10: La rete dei condensatori e dei diodi

Anche se esteticamente non è il massimo, tutta la struttura deve essere poi "nascosta" dentro un tubo di plastica. La Figura 11 mostra l'intera struttura in 3D.

Figura 11: Il montaggio dei componenti in 3D.

Figura 11: Il montaggio dei componenti in 3D

Come si vede dallo schema della Figura 6, l'ago è preceduto da qualche resistenza ad alto valore, per motivi di sicurezza.  A circa 5-6 mm dalla punta dell'ago è presente una piastrina di metallo (vedi Figura 12) che ha la funzione di attirare a sé il vento ionico e per assicurare la produzione del "soffio". Essa è collegata alla massa comune del circuito.

Figura 12: L'ago irradiante è posto vicino ad una piastrina collegata alla massa.

Figura 12: L'ago irradiante è posto vicino ad una piastrina collegata alla massa

Collaudo

Accertata la correttezza del circuito e la bontà della costruzione, si può dare tensione al circuito, collegandolo ad una presa di rete da 230 V. Da questo momento la massima attenzione è d'obbligo e non ci si può permettere nemmeno una distrazione. Innanzitutto si cerchi di evitare che la linea di fase sia connessa con la piastra radiante, posta sopra l'ago. In questo caso è sufficiente girare la spina di 180°. Dopo circa 15-20 secondi dall'accensione si comincerà a sentire un leggero soffio in corrispondenza dell'ago. Avvicinando il naso a circa 10 cm sopra l'ago stesso è possibile percepire proprio un venticello che emette anche un buon odore, come quello che si può apprezzare dopo la pioggia. Si tratta del vento ionico che riesce a purificare l'ambiente. Se si crea un ambiente buio, con una lente di ingrandimento è possibile osservare, non con poca difficoltà, anche la corona che si crea sopra l'ago, dove è visibile, invece, facilmente anche un puntino relativamente luminoso di colore viola, come mostrato in Figura 13.

Figura 13: Dalla punta dell'ago vengono sparati elettroni a grande velocità.

Figura 13: Dalla punta dell'ago vengono sparati elettroni a grande velocità

Misura effettiva della tensione d'uscita

Se dall'ago esce il vento, si sente una leggera brezza e la sua punta si illumina debolmente di colore viola, il moltiplicatore di tensione sta funzionando. Non vi azzardate a toccare la punta, nemmeno con un cacciavite isolato. E' possibile però soddisfare la curiosità di conoscere la tensione prodotta dal circuito con la seguente tecnica. Occorre realizzare un partitore resistivo, secondo lo schema di cui alla Figura 14.

Figura 14: Come misurare la tensione di uscita del generatore AT.

Figura 14: Come misurare la tensione di uscita del generatore AT

Dopo aver scaricato tutti i condensatori del circuito, si connetta il partitore realizzato ad un tester, 20 V fondo scala. Si leggerà una tensione proporzionale, secondo la legge di Ohm. Nel mio caso specifico ho letto la tensione di 9,98 Volt. Ecco, di seguito, i passaggi per ricavare la tensione a monte:

  • I=V/R =9,98/1000000 =0,00000998
  • Vr1=I*R =0,00000998*500000000 =4990
  • Vtot=Vr1+Vr2 =4990+9.98 =4999.98 Volt

Quindi, il generatore sta generando ben 5000 Volt. Le resistenze di partizione sono state scelte di valore estremamente alto proprio per non influenzare il moltiplicatore. E' meglio, tuttavia, collegare il partitore sull'anodo dell'ultimo diodo e non direttamente alla punta dell'ago. Nella misura pratica, non basatevi sul valore commerciale delle resistenze ma calcolatene l'effettivo valore con il tester. Per realizzare la resistenza da 500 Mohm basta unire tante resistenze in serie di alto valore. La potenza totale dissipata è molto bassa, circa 50 mW.

Quanto consuma?

Il consumo è ridicolo. Sia la simulazione che la misura reale con un contatore di potenza ha confermato una potenza del circuito di circa 160 mW, ossia 0,16 Watt. Il costo annuale di energia elettrica consumata per il dispositivo non dovrebbe superare i 50 centesimi di euro all'anno.

Rivestimento

E' adesso l'ora di mettere in sicurezza il circuito. Ho pensato di inserire il tutto in un tubo in PVC, reperibile in qualsiasi negozio d'idraulica. Lasciate che esso risulti una decina di centimetri più alto dell'intera barra di legno. Il fissaggio definitivo potrà avvenire in svariati modi. E' opportuno collocare sulla sommità una griglia di plastica, per evitare che qualche mano "curiosa" possa andare a cercare e rovistare all'interno del tubo. La Figura 15 mostra il dispositivo terminato. Se si applica un bel colore all'esterno, esso potrebbe anche divenire un oggetto di arredamento.

Figura 15: Confezionamento del circuito dentro un tubo di PVC (immagine ad alta risoluzione).

Figura 15: Confezionamento del circuito dentro un tubo di PVC (immagine ad alta risoluzione)

La Figura 16 mostra, invece, l'applicazione di una griglia in plastica per migliorare la sicurezza dell'apparecchio, senza diminuirne la funzionalità.

Figura 16: Applicazione della griglia protettiva.

Figura 16: Applicazione della griglia protettiva

Versione con il PCB

Per gli amanti della compattezza e dei circuiti stampati si può allestire anche il modello con PCB (vedi Figura 17), sicuramente più comodo da trasportare ed esteticamente più professionale. Lo schema elettrico è identico al precedente. Anche se tale soluzione è esteticamente più elegante, consiglio caldamente di adottare la disposizione in serie su tavola isolante (legno o plastica).

Figura 17: Il PCB dello ionizzatore (32cm. x 12 cm.)

Figura 17: Il PCB dello ionizzatore (32 cm x 12 cm)

La Figura 18 mostra, invece, la disposizione dei componenti sul PCB.

Figura 18: Disposizione componenti.

Figura 18: Disposizione componenti

Conclusioni

Se, come detto prima, l'ago emette un leggero soffio "profumato" e sulla sua punta si "accende" una piccolissima lucina viola, il circuito funziona. In caso contrario occorre rivedere tutto il lavoro eseguito. Non utilizzate il tester per misurare direttamente le tensioni di lavoro, verrebbe distrutto in un attimo. Nello schema elettrico abbiamo utilizzato dei condensatori di capacità relativamente elevata. Si potrebbero usare anche quelli da 100 nF o, addirittura, da 10 nF. In questo modo, però, la resa potrebbe risultare leggermente minore. La distanza della punta dell'ago dalla piastrina dovrebbe oscillare tra i 7-8 mm e i 2 cm. Non di meno poiché potrebbe scoccare un arco. In caso di manutenzione, abbiate sempre l'accortezza di scaricare tutti i condensatori con una resistenza da 10 ohm, tenuta con un lungo bastoncino isolante, di plastica.

Tenete sempre a mente che il dispositivo realizzato è molto pericoloso, se è toccato direttamente. Abbiate paura di esso. Solo quando tutte le capacità sono state scaricate (magari con una seconda passata), lo ionizzatore diventa inoffensivo. Nello scaricare i componenti, iniziate sempre da quello posto alla sinistra dello schema, ossia quello vicino all'alimentazione, e non quello posto vicino all'ago. La piastrina dovrebbe, possibilmente, essere collegata con il neutro della linea, e non con la fase. Usare, allo scopo, un cacciavite cerca fase. Se il circuito si trova dentro il contenitore plastico, la spina può essere orientata come si vuole. Durante il suo funzionamento non toccate minimamente i componenti con le mani nude e nemmeno con cacciaviti o attrezzature di metallo. Noterete che dopo ore di funzionamento, la vostra stanza risulterà profumata come l'aria dopo una pioggia. Anche se gli ioni negativi sono benefici, usate lo ionizzatore quando la stanza è vuota. In camera da letto spegnete l'apparecchio mezz'ora prima di andare a dormire. Non conviene elevare ulteriormente la tensione di uscita in quanto l'apparecchio potrebbe generare anche l'ozono, gas non troppo salutare se respirato in grandi quantità e in modo continuativo.

 

 

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