[Перевод] Делаем ионизатор воздуха менее, чем за $10
Перевод статьи из блога индийского инженера Амальдева В.
Этот проект вызревал у меня в голове порядка двух лет, и я всё никак не мог им заняться. В проекте нет ничего сложного или слишком технологичного. Любой человек, умеющий мастерить что-либо руками, должен с ним справиться без особых проблем. Я выложил весь проект в свободный доступ, и у вас должно получиться заказать все запчасти и собрать свой прибор, потратив менее, чем $10.
Предыстория
Я сейчас живу в Мумбаи, в квартире, выходящей окнами на очень загруженную дорогу. И с момента моего заезда сюда я борюсь с пылью, которая оседает на всём, стоит мне открыть окна. Еженедельная уборка квартиры отнимает много сил. И я решил купить очиститель воздуха для комнаты. А потом подумал:, а насколько сложно будет собрать очиститель самому? Я провёл исследование и решил, что нужно сделать себе ионизатор (кстати, ионизатор и очиститель — это два разных устройства, но об этом позже). Однако потом я зарылся в текущих проблемах и так его и не собрал.
https://www.instagram.com/p/B6pRxfXJ_jU/
Но в последнее время многие спрашивали меня, как я проектирую и делаю устройства, и я решил в качестве примера дать этот относительно простой проект и подробно описать его создание в виде инструкции
Так что давайте сделаем ионизатор.
Исследования
Если вы хотите что-то сделать самостоятельно, сначала проведите исследования при помощи Google. В нашем случае давайте разберёмся, что такое ионизатор, и на каком базовом принципе он работает.
Ионизатор воздуха (или генератор отрицательных ионов, или люстра Чижевского) — это устройство, использующее высокое напряжение для ионизации (электрического заряда) молекул воздуха. Отрицательные ионы, или анионы — это частицы, имеющие один или несколько лишних электронов, из-за чего их общий заряд оказывается отрицательным.
Пока вроде просто. Ионизаторы используются для удаления частиц из воздуха путём придания им отрицательного заряда, после чего эти частицы притягиваются к положительно заряженной поверхности (стене/полу). В итоге частицы гораздо быстрее оседают, оставляя воздух чистым. Именно это нам и нужно — удалить пыль из воздуха, чтобы не вдыхать её.
Так что, поискав всего 5 минут, мы уже знаем, что нам нужно сделать систему с высоким напряжением, придающую отрицательный заряд частицам. Сначала это меня немного обескуражило, поскольку я раньше не делал системы с высоким напряжением, и если играться с подобными системами неосторожно, всё может закончиться плохо.
Затем мы идём и ищем уже имеющиеся на рынке устройства, работающие на основе данной технологии. Я делаю это для того, чтобы понять, какого рода схемы люди использовали для создания подобных приборов. Если на рынке есть устройство с такой же технологией, учитесь на его основе.
Люди потратили на создание устройства много инженерных человеко-часов. Учитесь на их примере, чтобы сделать свою систему, которая по меньшей мере похожа не готовую, или учитесь на чужих ошибках и сделайте систему лучше.
Для подобных целей вам тоже лучше всего поможет Google. Я находил несколько подтверждений тому, что ионизаторы делали ещё в 1980-е. Если эта технология настолько стара, я могу посмотреть на описание того, как эти устройства разбираются. Ищем в Google «ioniser teardown», и находим кучу видео, на которых видно внутренности устройства. Рекомендую очень хорошие видео за авторством BigClive.
На основе этих роликов я понял, что высоковольтную систему можно сделать при помощи умножителя напряжения, и что это не так уж и сложно. Так что давайте перейдём к проектированию электроники.
Проектирование электроники
Нам нужен умножитель напряжения. Сначала узнайте всё, что можно, из бесплатного контента. Никогда не делайте чего-либо, не обучившись сначала всему, что можно, бесплатно. Это очень важно.
Вам необходимо потратить время на исследования, или же вы будете делать одни и те же ошибки. Я пару часов занимался изучением устройства умножителей напряжения. Чаще всего используется наиболее простое решение, генератор Кокрофта — Уолтона.
Один из принципов, которых я пытаюсь придерживаться при разработке сложных решений — Keep IT Simple, Stupid. Или просто KISS.
Поэтому для меня подходил вариант генератор Кокрофта — Уолтона. Его разработали в 1932 году, и с тех пор использовали уже в сотнях устройств. Поэтому это достаточно надёжный вариант для реализации. Ещё немного погуглив, я нашёл видео Дэйва Джонса с объяснением принципа работы этой схемы. Рекомендую посмотреть видео, чтобы лучше разобраться в этом.
По сути, схема состоит из двух диодов и двух конденсаторов, соединённых «спина к спине». На вход подаётся переменный ток с пиковым напряжением Vp. Первая часть схемы сдвигает входящий сигнал так, что на выходе получается постоянный ток с пиковым напряжением 2Vp. Добавив ещё одну ступень, мы получаем 4Vp. Вы могли бы подумать, что следующая ступень увеличит эту величину до 8Vp, но нет — только до 6Vp.
Добавляя ступени, мы увеличиваем выходное напряжение. 2Vp, 4Vp, 6Vp, 8Vp, 10 Vp, 12Vp, и так далее, относительно входного. По крайней мере, теоретически — на практике в схеме будут потери, и выход будет не таким большим, но для наших целей он и не должен быть чрезвычайно точным.
Возвращаясь к нашей системе: мы хотим выдать постоянный ток высокого напряжения (порядка 6–7 кВ). Для упрощения схемы я решил подавать на неё 230 В AC напрямую (таково напряжение в индийской электросети) [в российской 220 / прим. перев.]. Предположим, мы сделаем умножитель с 15 ступенями, тогда на выходе получим DC напряжением 230В x 2×15 = 6900 В (теоретически). Достаточно для ионизации.
Я бы мог добавить на вход трансформатор, и сильнее увеличить выходное напряжение с меньшим количеством ступеней, но для первого прототипа я хотел сделать всё очень просто. Поэтому оставим 15 ступеней и входное напряжение 230 В.
Дальше нам нужно выбрать компоненты. Схема очень простая — два конденсатора и два диода на ступень. Как нам подбирать их значения и номинальную мощность?
И вот тут вам пригодится правильное понимание принципа работы схемы. Можно видеть, что на каждой ступени напряжение на диодах или конденсаторе не превышает 2Vp. Разница потенциалов всегда 2Vp, поэтому нам не нужно тратиться на высоковольтные диоды и конденсаторы. Поскольку на вход приходит 230 В, достаточно будет любого конденсатора, рассчитанного на 500 В или выше. Ёмкость его не важна, поэтому я выбрал конденсатор на 0,1 мкФ и 630 В. Я выбрал поверхностный монтаж, поскольку привык паять такие компоненты. Диоды я выбрал 1N4007 на 1000 В. Основное готово. Список материалов можно скачать вместе со схемой.
Разработка печатной платы
Выбрав важные компоненты, давайте выберем остальное. Нам нужно включать устройство в розетку, поэтому на выходе нам нужен резистор с достаточно большим значением, чтобы чего не вышло (например, чтобы, если вы случайно коснётесь схемы, через вас не пошёл ток). Также мне бы хотелось уменьшить ток до минимума, чтобы устройство потребляло как можно меньше энергии при включении. Я выбрал два резистора на 10 мОм (0,25 Вт, допуск 1%, корпус 1026), и это даст нам токи, измеряемые в микроамперах.
Для покупки компонентов я выбрал магазин LCSC.com. Там дешевле, чем в Digikey или Mouser. Поиск по параметрам дал мне резистор 1206W4F1005T5E.
Также мне хотелось бы установить светодиодный индикатор, загорающийся при включении устройства. Ток, идущий через него, должен быть очень маленьким. Я использовал этот светодиод в других проектах, он довольно хорошо светит при токе в 2 мА. Для ограничения тока я взял два резистора на 51 кОм (230 В / 2 мA даёт 115 кОм). Два резистора сильнее рассеивают тепло (P=I2R: (2 мА)2×51 кОм = 0,2 Вт). Поэтому я выбрал два резистора на 51 кОм и 0,5 Вт. На LCSC это CR1210J51K0P05Z.
Теперь нам нужно понять, что будет на выходе. Из разбора готовых ионизаторов следует, что для передачи отрицательных ионов пылинкам нам нужно нечто острое. Я решил использовать швейные иглы, припаяв их к большой площадке на выходе. Я выбрал набор иголок на местном рынке за 30 рупий ($0,4). В принципе, подойдёт любой токопроводящий материал с острыми концами. Лучше всего будет работать углеволокно с острыми кончиками. Чем больше острых кончиков, тем больше ионизация.
Учтя всё это, давайте проектировать плату. Для данного проекта я использую Eagle. Схема у меня получилась следующая:
У неё есть две площадки для входа для переменного тока, 15 ступеней умножителя, резисторы для уменьшения тока, большая площадка на выходе и схема для светодиодного индикатора. Рекомендую всегда записывать номера компонентов, которые вы используете, чтобы в будущем было проще искать и заказывать их. Все компоненты обошлись мне в $7,8, и большая часть этого ушла на конденсаторы.
Я решил сделать эту схему вытянутой в длину. Для монтажа платы я разместил отверстия по углам, и использую отверстия для винтов М3. Размеры платы — 145×40 мм, слева вход, справа — большая площадка для припаивания острых игл. Убедитесь, что направления размещения диодов размечены, из-за этого собирать устройство будет гораздо проще.
Теперь нужно нарисовать плату в формате Gerber и отправить производителю. Я сотрудничаю для этих целей с JLCPCB. Стоимость прототипов плат получается очень низкой. Плата обойдётся вам в $0,8 (не считая доставки) при покупке 10 штук.
Если хотите удалить моё имя, дату и название платы из файлов, отредактируйте файлы Eagle Board. Вот, как будет выглядеть итоговая плата:
Можно импортировать её в Fusion 360 и получить вот такую красоту:
Я скомбинировал заказ платы у JLCPCB и компонентов с LCSC. При совместном заказе идёт скидка на доставку в $15. Стоимость платы и компонентов получается примерно $9 (не считая доставки). Мне всё пришло за полторы недели. У JLC есть сервис сборки плат, но я люблю всё делать сам.
Сборка и проверка
Вот, какая получилась плата у JLCPCB. Я выбрал отделку ENIG-RoHS, потому что она красивее. Но отделка HASL будет дешевле.
Пайка всех SMD-компонентов заняла у меня примерно час. В местном магазине я купил 2 метра провода и вилку для подсоединения к розетке. Узел на проводе я завязал, чтобы провод не вылезал из вилки.
Следующий шаг не обязательный, но я его очень рекомендую. Я обратился в фирму, где есть лазерная резка, взял с собой кусочек оргстекла толщиной 3 мм, и вырезал из него защитную крышку. Я рекомендую сделать такую — когда я тестировал плату, меня пару раз ощутимо ударило током, когда я случайно прикасался к конденсаторам. DXF-файл для резки тоже есть вместе со всеми файлами.
Я прикрутил крышку к плате при помощи пластиковых винтов М3 длиной 5 мм и сделал пластиковые ножки длиной 20 мм.
Я припаял семь иголок к выходной площадке. Чем больше, тем лучше. Разница в длине значения не имеет.
Пришло время включить устройство в розетку и проверить. Светодиод должен загореться, и в идеале устройство должно заработать.
По-быстрому проверить работоспособность можно, поднеся мокрые ладони к иголкам (только не касайтесь их!). Вы почувствуете движение холодного воздуха, идущего от иголок. Это идёт ионизация. Отрицательные ионы отталкиваются и постоянно летят в сторону от кончиков иголок.
Чтобы доказать, что устройство может заставлять выпадать в осадок дым и пылинки, я подготовил прозрачный кувшин, наполнил его дымом, и засунул в него устройство иголками внутрь. После включения устройства частицы дыма осели очень быстро.
https://www.instagram.com/p/B6pRxfXJ_jU/
На видео кажется, что дым рассеивается из-за дующего в кувшине воздуха. На самом деле, никакого сквозняка там нет — кувшин закрыт. Эффект возникает из-за отталкивания отрицательных ионов, и воздух очень быстро начинает циркулировать по кувшину.
Убедившись, что устройство работает, я подсоединил его к розетке и оставил работать. Оно должно рассеивать пыль вокруг себя без проблем. В идеале установить его рядом с окном, где дует сквозняк, чтобы устройство ионизировало всю проходящую мимо пыль. Я планирую поставить его так и оставить включённым.
Что насчёт энергопотребления? Оно весьма мало. Больше всего потребляет светодиод. Он забирает порядка 2 мА. За год устройство должно накрутить 230 В x 2 мА x 24 ч 365 д = 4 кВт. У нас это будет стоить 4 рупии ($0,05) в год. Чтобы ещё сэкономить, можно просто убрать из схемы светодиод, тогда энергопотребление будет в 1000 раз меньше, и вряд ли его вообще можно будет заметить на счётчике.
Вот так мы и собрали ионизатор всего за $10. Надеюсь, он поможет уменьшить количество пыли, оседающей в ваших лёгких.
После того, как он поработает пару недель, вы заметите, что пыль начинает скапливаться вокруг него. Это нормально. Лучше она осядет там, чем вы будете её вдыхать.
Для США и стран, где напряжение равно 110 В, выходной ток будет меньшим (теоретически около 3 кВ), но ионизатор всё равно должен работать.
Что ещё можно улучшить в устройстве: заменить иголки на проводящие щётки из углеволокна. Чем больше у устройства острых концов, тем лучше ионизация. Если распределить острия по большой площади, то увеличиваются шансы ионизации большего объёма воздуха.
Послесловие
После выхода этой статьи некоторые люди обеспокоились тем, что прибор может генерировать также и озон. Однако схема работы генератора озона немного отличается (хотя принцип коронного разряда остаётся тем же). За те пару недель, что у меня работает этот прибор, он, судя по всему, никакого озона не генерирует (или его настолько мало, что я его не ощущаю).
Также касательно разницы ионизаторов и очистителей воздуха. Ионизатор не может служить заменой фильтрам HEPA, устанавливаемым в очистители. Ионизаторы лишь помогают осаждать пыль из воздуха. Эти частицы так и остаются на полу. Он не улавливает частицы дыма, как это делает очиститель с фильтром.
Безопасность
Если вы решите собрать такой прибор, будьте осторожны. Примите меры при работе с переменным током высокого напряжения на входе и постоянным током на выходе. Не давайте прибор детям.
Убедитесь, что кабели для переменного тока хорошо припаяны, и что оголённых проводов нет за пределами платы.
Используйте пластиковую крышку, не прикасайтесь к компонентам схемы, когда она включена. Разряжайте конденсаторы, закорачивая их проводником с изолированной ручкой,
Сделайте узел на проводе питания там, где он подходит к плате, чтобы его никто не вырвал из платы.
