IONIZATOR ZRAKA – AETE

Danas je nabavljen uređaj za ionizaciju zraka negativnim ionima zagrebačke tvrtke AETE – Automatika-elektronika-termika.

Ionizator zraka je naprava koja zrak unutar prostorija obogaćuje negativnim ionima i molekulama ozona u cilju stvaranja ugodnog i zdravog okružja za čovjeka, čime se onda posredno ili neposredno blagotvorno utječe na kompletno psihofizičko zdravlje osoba koje borave u takvom prostoru, od poboljšanja općeg raspoloženja i povećanja radne energije pa sve do liječenja pojedinih bolesti vezanih uz dišne putove, srce i krvotok.

Prije nego otvorimo ovu napravo da vidimo od čega se sastoji dobro bi bilo prokomentirati tvrdnje koje se u prospektima vežu uz ovaj uređaj.

TVRDNJA: Upotreba ionizatora za poboljšanje kvalitete zraka u zatvorenim prostorima temelji se na ideji kako su štetne čestice koje lebde u zraku (prašina, razni alergeni i zagađivala) uglavnom pozitivno nabijene (pozitivni ioni), te se ubacivanjem negativno nabijenih čestica u zrak (negativni ioni) iste međusobno privlače (spajaju) čime postaju teže i padaju na tlo, odnosno na taj način se uklanjanju iz zraka.

RAZMIŠLJANJE: U ovoj osnovnoj ideji nekako se najbrže složiti s pojavom da se pozitivni i negativni naboji međusobno privlače. Međutim, da li je većina „loših“ čestica u zraku doista pozitivno nabijena, u kojoj mjeri spajanje pozitivnih i negativnih iona u zraku funkcionira porastom mase dovoljnim da spojene čestice padnu na tlo, koje su količine iona potrebe za realnu učinkovitost, odnosno uspostavu „ravnoteže“ u zraku… sve su to diskutabilna pitanja na koja vjerojatno ne postoji jednostavan odgovor. Također, ako ćemo detaljno preispitivati i samo međudjelovanje naboja u tom procesu jednako logična bi bila i tvrdnja da ionizator zapravo negativno nabije inače neutralne čestice u zraku koje onda budu privučene nekom električki pozitivnijom površinom u blizini uređaja, kao što je npr. kontakt elektrode suprotnog polariteta ili pak samo kućište uređaja ili okolne površine zidova i namještaja u prostoriji gdje se ionizator koristi (otuda i karakteristične mrlje koje izgledaju kao zapečena prljavština, a koje se susreću neposredno uz nedovoljno izolirane elektrode visokog napona u elektroničkim uređajima koji su duže u upotrebi). Moguće da se u stvarnosti u određenoj mjeri odvijaju oba ova procesa, gdje ionizator vjerojatno ne zna razaznati dobre od loših čestica u zraku, ali pojava prljavih mrlja oko elektroda dovoljna je da se to laički objasni kao nakupljanje loših i opasnih čestica iz zraka. U svakom slučaju uklanjanje težih čestica iz zraka (kao što su čestice dima ili prašine) u kolikoj god mjeri to bilo, vjerojatno će pozitivno djelovati na čistoću zraka, iako, ako ćemo se upuštati u učinkovitosti, moguće da se jednim prolazom po prostoriji digne više prašine sa poda nego to ionizator može „prizemljiti“ u cjelodnevnom radu.

TVRDNJA: U nekim daljnjim analizama proizvođači ionizatora tvrde da dok se jednom povežu ioni u zraku, oni osim što postanu teži, također postanu i dovoljno veliki da se ne mogu više provući kroz prirodne filtre dišnog sustava čovjeka, pa stoga nije ni nužno da čestice padnu na tlo.

RAZMIŠLJANJE: Time je pokriven i krug skeptika koji bi se možda zabrinuli zbog premale mrlje prašine oko njihovog ionizatora.

TVRDNJA: Na internetu ćete pronaći neke brojeve koji označavaju najpovoljnije odnose iona u zraku, kao i podatke koliko iona određeni ionizator može proizvesti, odnosno koja snaga je potrebna za određenu veličinu prostora.

RAZMIŠLJANJE: S obzirom da te brojke nemaju potvrđenu znanstvenu osnovu ovdje ih nećemo navoditi. Da ih i navedemo one su za svakog prosječnog korisnika imaginarne, u prvom redu što se tiče samih veličina, a u konačnici, zasigurno nitko ne raspolaže početnim podatkom koliko trenutno iona ima u svojoj sobi, u kojem su odnosu i koliko bi ih onda još eventualno trebao proizvesti za optimalne uvjete. Ova veličina ne može biti ni stalna jer se odnos pozitivnih i negativnih iona stalno mijenja, oni se stalno stvaraju i poništavaju (sjetimo se običnog trenja vunene odjeće ili češljanja kose, te zatim izjednačavanja potencijala preko iskre). Ako i prihvatimo ionizator kao dovoljno snažnu napravu da proizvodi dovoljnu količinu iona u određenom zatvorenom prostoru, tu se javlja drugi veliki problem, a to je raspršivanje naboja podjednako kroz cijeli volumen prostora. Na vrhu igle ionizatora stvara se (u usporedbi s volumenom prostorije) mali oblak elektrona koji se brzo rekombinira i poništi u svom okružju. Da bi se (barem teoretski) doskočilo problemu raspršivanja elektrona što dalje od igle ionizatora neki proizvođači iza izbojne igle postavljaju komadić žice spojen na neki negativni potencijal, obično uzet sa nekog stupnja umnoživača napona. Na taj način bi taj negativni potencijal žice (u funkciji reflektora) trebao pomoći odbijanju elektrona što dalje u prostor. Drugi način je postavljanje elektrode sa pozitivnim potencijalom ispred igle (obično u obliku valjka), kako bi ta elektroda privlačila elektrone sa igle da se lakše odvoje. Treći način je postavljanje većeg broja igli na negativnu stezaljku visokog napona kako bi se time elektronski oblak malo razvukao u svom volumenu. Na kraju, tu su i ionizatori koji iza izbojne igle imaju postavljen mali ventilator koji bi trebao pomoći otpuhivanju elektrona što dalje u prostor. U svakom slučaju, elektroni se najviše gomilaju i najlakše odvajaju sa što manje površine, pa su izbojne igle ionizatora što je moguće bolje zašiljene na vrhu. E, sad. Elektrone do neke mjere možemo promatrati kao čestice jer oni i pokazuju neka svoja čestična svojstva. Međutim, sve je to daleko od zamisli da se elektroni u prostoru ponašaju kao ping-pong loptice istresene iz neke posude pa zatim razbacane po prostoriji. Dovoljno se sjetiti kako je iz elektronskih cijevi i katodnih cijevi televizora potrebno izvući sav zrak kako bi elektroni mogli nesmetano preći par milimetara ili nekoliko centimetara prostora i to privučeni i ubrzani visokim pozitivnim naponima. Analogija kretanja elektrona iz ionizatora u prostor zapravo je bliže slijedećem: zamislimo da u nekom dijelu sobe imamo neku slabašnu žaruljicu koja osvjetljava nekoliko centimetara prostora oko sebe. Mi bi sad trebali očekivati kako će se s vremenom ta svjetlost koja izbija iz žaruljice gomilati u prostoru i nakon nekog vremena gustim fotonima svjetlosti ispuniti čitavu sobu koja bi tada svjetlila kao da je obasjana stotine puta jačom žaruljom. Proces bi se uz to naravno trebao ubrzati ako bi iza žaruljice stavili komadić reflektirajućeg materijala, ili još bolje ventilator…

TVRDNJA: Uređaji koji generiraju negativne ione u određenoj mjeri proizvode i ozon (O3) koji je jedan od najjačih prirodnih oksidansa te kao takav dezinficira zrak od gotovo svih bakterija, virusa i ostalih nečistoća. Njegova prisutnost u zraku osjeća se mirisom koji ostavlja, a to je karakteristični miris svježine koji se osjeća na najčišćim mjestima u prirodi. Ozon u malim količinama, jednako kako i negativni ioni, najefikasnije su prirodne tvari za pročišćenje zraka i očuvanje psihofizičkog ljudskog zdravlja općenito.

RAZMIŠLJANJE: Dok se s jedne strane svi slažu kako negativni ioni proizvedeni ionizatorima nemaju nikakve štetne nuspojave na čovjeka, molekulama ozona se ipak pristupa malo opreznije te se navodi kako isti u visokim koncentracijama mogu djelovati štetno na dišni sustav, odnosno da ozon može biti otrovan za ljude. Zato se kod nekih novijih ionizatora posebno napominje u prospektu kako proizvode malu i neškodljivu količinu ozona, a što se postiže uporabom ugljikovih niti umjesto metalnih igli za izboj negativnih iona, jer metalne igle tijekom vremena oksidiraju i počinju pojačano proizvoditi ozon (u jeftinijoj verziji naglašavaju se igle od nehrđajućeg čelika).

Ozon u ozonskom omotaču upija UV zračenje pa je stoga neophodan za život, međutim na tlu, odnosno u prostoru gdje borave ljudi je nepoželjan jer štetno djeluje na sve žive organizme, a u većim količinama je i vrlo otrovan. Ozon zato ima široku primjenu kao snažno dezinfekcijsko sredstvo koje ubija sve žive organizme (a ne samo one „loše“), a ti postupci se onda sigurno ne vrše bez zaštite ili u prostorima gdje tog trenutka borave ljudi. Posebno je raširena dezinfekcija i sterilizacija bolničkih prostorija ozonom nakon operacija i boravaka bolesnika. To se u reklamnim prospektima prevodi kako svaka ozbiljna bolnica već odavno koristi ozon za dezinfekciju i liječenje bolesnika kao obavezni tretman. Bijela krvna zrnca u našem tijelu stvaraju određene količine ozona kako bi uništila strane mikroorganizme. I ova činjenica je prevedena na način kako je dobro udahnuti malo ozona, da bi on onda došao preko pluća i u krv, i na taj način pročistio cijeli organizam. S takvim razmišljanjem nije ni loše svaki dan popiti kakvu čašu klora (ako baš nema kakve jake rakije ili ozona pri ruci) čisto da se preventivno pobiju sve loše bakterije i virusi u grlu. Čak je i veliki svjetski problem onečišćenja zraka i tla ozonom kao reakcija ispušnih plinova vozila sa sunčevom svjetlosti poznatog pod nazivom fotokemijski smog preveden na način kako tu ozon zapravo nije ništa kriv.

U domaćinstvu, ozon iz molekula kisika u određenoj mjeri mogu proizvoditi svi elektronički uređaji koji koriste visoki napon ili stvaraju električnu iskru te se karakteristični miris ozona ponekad može osjetiti u blizini monitora, fotokopirnih strojeva, laserskih printera i sl. Najveće koncentracije ozona u zraku ne prelaze 0,001 %, a koncentracija od 0,004 % već postaje štetna za ljude. Ovo su znanstveno dokazane činjenice i mislim da nije potreban daljnji komentar o sugestijama pojedinih proizvođača ionizatora kako je dobro imati povišenu koncentraciju ozona u prostorima gdje borave ljudi. Da završimo ovu ozonsku priču, znanstvena  istraživanja su dokazala da ozon u malim i neškodljivim količinama prisutan u zraku zapravo nema gotovo nikakav dezinfekcijski učinak, ali može biti vrlo opasan za ljude ako se te vrijednosti prijeđu.

TVRDNJA:  Do sada je tijekom komercijalnih kampanja za prodaju ionizatora prepoznat  širok spektar pozitivnih i blagotvornih djelovanja molekula ozona i negativnih iona na dišne putove, srce i živce čovjeka, ali i na opća loša stanja organizma kao što su umor, iscrpljenost, depresija, preosjetljivost, otežana koncentracija, viroze i slično. Sve te ideje temelje se (kako je to i uobičajeno) na laički zanimljivo prilagođenom tumačenju određenih kemijskih, bioloških i električnih procesa koji se odvijaju u prirodi i u organizmu čovjeka. Reklame za ionizatore referiraju se na različite studije i istraživanja, te na različita doktorska imena ne bi li dali što veću vjerodostojnost učinkovitosti ionizatora na što širi spektar pozitivnih učinaka.

RAZMIŠLJANJE: Ukoliko se iz hrpe reklamnog materijala izdvoje samo potpune, ozbiljne i nepristrane znanstvene studije, može se zaključiti da se najdalje otišlo u ispitivanju utjecaja zraka obogaćenim negativnim ionima na dišne putove i funkcije disanja, odnosno na bolesti dišnih putova, ponajprije astme. Iako se ovakva istraživanja provode već više od 80 godina, do sada nisu pronađeni nikakvi dokazi da su ionizatori zraka u bilo kojem smislu korisni (ili štetni) kod dišnih funkcija ljudi ili kod bolesti povezanih sa njima. Za sve ostale efekte negativnih iona na psihofizičko zdravlje ljudi istraživanja su još uvijek nepotpuna, malobrojna, dvojbena, nedorečena ili naočigled pristrana bez konkretnih dokaza.

TVRDNJA: Negativni ioni i ozon prirodno nastaju uslijed atmosferskih pražnjenja, također ih stvara pomicanje vode, pa se  povećane koncentracije nalaze se u blizini slapova, rijeka, vodopada, fontana,  morskih obala, a isto tako i u borovim šumama i planinama. S obzirom da se u navedenim okružjima kao i nakon grmljavinskih pljuskova osjeća čišći, svježiji i zdraviji zrak, to je onda i još jedan temelj za pretpostavku kako su isključivo negativni ioni (i ozon) zaslužni za takvu pojavu.

RAZMIŠLJANJE: Davno prije pojave ionizatora ljudi su otkrili da se redovnim prozračivanjem prostorija poboljšava mikroklima unutar istih, a da češći boravak ili aktivnost izvan zatvorenih prostorija povoljno utječe na psihofizičko zdravlje čovjeka. Teško je povjerovati da nešto tako jednostavno i provjereno može zamijeniti neki visokonaponski sklop 🙂

Nakon ovog „kritičkog“ uvoda mi ćemo se ipak radije posvetiti proučavanju elektroničkih sklopova koji se koriste za generiranje visokih napona i kod kojih su stvari i pojave puno jasnije nego kod razmatranja utjecaja slobodnih elektrona na raspoloženje ljudi. Jedan od načina stvaranja negativnih (ili pozitivnih) iona je ionizacija zraka visokim naponom (kako se to prirodno dešava kod atmosferskih pražnjenja). Kao generator visokog napona može poslužiti visokonaponski transformator ili pak jedan od tipova elektroničkih umnoživača napona. U našem slučaju izlaz iz generatora mora biti istosmjerni, pa je u slučaju upotrebe transformatora potrebno ispravljanje izlaznog visokog napona (diodnim kaskadama). Visokonaponski ispravljači dosta poskupljuju transformatorsku izvedbu ionizatora, pa se (gdje su dovoljne male struje) češće koriste elektronički umnoživači napona kod kojih je za umnožavanje napona gradske mreže na veličinu od nekoliko kilovolta doduše nužna upotreba nešto skupljih visokonaponskih kondenzatora ali je u konačnici sam sklop ipak puno jednostavniji i jeftiniji od transformatorske izvedbe.

Cockcroft-Walton kaskadni umnoživač napona (zbog zbrke oko priznavanja prvog izumitelja negdje se isti sklop naziva i Greinacher, odnosno Villard kaskada) je električni sklop koji iz niskog izmjeničnog napona na ulazu (može biti i pulsirajući istosmjerni napon) generira visoki istosmjerni napon na svojem izlazu. Sastoji se od kaskadne mreže kondenzatora i dioda, a najbolja stvar je ta da je napon preko svakog stupnja kaskade samo dva puta viši od vršnog ulaznog napona kod poluvalne kaskade, odnosno tri puta viši kod punovalne kaskade. Time je isključena potreba za izrazito visokonaponskim komponentama što uvelike pojeftinjuje sklop i pojednostavljuje izolaciju unutar istog. Također, izvod multipliciranog napona može se napraviti sa svakog stupnja kaskade, čime dobivamo sklop analogan transformatoru sa više izvoda i ispravljačem napona.

Način rada Cockcroft-Walton generatora temelji se na međusobnom rednom punjenju kondenzatora preko dioda pozitivnim i negativnim poluperiodama ulaznog izmjeničnog napona. Na taj način se svi kondenzatori u kaskadi napune na puni vršni napon periode ulaznog napona, osim prvog kondenzatora koji je na vršnom naponu poluperiode. Efekt množenja napona dobiva se po principu paralelnog punjenja i serijskog pražnjenja kondenzatora. Možemo zamisliti da je svaki kondenzator u kaskadi mala baterija: kod punjenja bi te baterije bile u paralelnom spoju gdje se sve pune vršnim ulaznim naponom; a kod pražnjenja su pak sve te baterije u serijskom spoju pa se njihov napon zbraja.

U Cockcroft-Walton kaskadu teoretski se može spojiti proizvoljan broj segmenata – umnoživača napona, međutim u praksi se javljaju neka ograničenja i nedostaci koji postaju sve izraženiji sa povećanjem broja stupnjeva umnožavanja. Tu se u prvom redu ubraja značajan pad i nestabilnost izlaznog napona koji uzrokuju tri glavna čimbenika:
– ukupna impedancija (unutarnji otpor) svih kondenzatora u stupnjevima kaskade koja je to veća što je veći broj stupnjeva umnažanja,
– gubitak dijela snage između kontakata i vodova kojima su povezane komponente pod visokim naponom (otpor izolacije)
– pad napona zbog normalnog opterećenja izlaznog napona nekim radnim otporom.

Stoga se ovi multiplikatori napona s velikim brojem stupnjeva koriste samo kad su dovoljne male izlazne struje. Ovi nedostaci mogu se djelomično kompenzirati povećanjem kapaciteta kondenzatora (posebno u nižim stupnjevima), povećanjem frekvencije ulaznog napona i korištenjem pravokutnog ili trokutastog valnog oblika napona. Efikasnost Cockcroft-Walton generatora može se dodatno poboljšati i upotrebom dioda sa što manjim otporom u propusnom smjeru. Općenito vrijedi pravilo da treba koristiti komponente koje imaju što manji unutarnji otpor, jer kondenzatori iako mogu dati veliki napon ne mogu isporučiti i veliku struju, pa je na svakom otporu pad napona velik. Na ovo se može gledati kao na npr. istrošenu bateriju mobitela koja je izgubila većinu svojeg kapaciteta. Takva baterija se brzo napuni na nazivni napon i na zaslonu mobitela imamo indikaciju pune baterije, međutim čim se ista jače optereti, taj napon jako brzo padne te indikacija odjednom pokazuje praznu bateriju. Uz ovu usporedbu jasnije je i zašto kapacitet kondenzatora u kaskadi treba biti što viši za dobivanje viših struja.

A sada se malo posvetimo naponskom opterećenju kondenzatora i dioda unutar Cockcroft-Walton kaskade. Već smo rekli da najveći napon na prvom kondenzatoru i prvoj diodi u kaskadi iznosi vršnu vrijednost poluperiode ulaznog sinusnog napona, odnosno da napon na svim ostalim kondenzatorima i diodama u kaskadi iznosi vršnu vrijednost cijele periode ulaznog sinusnog napona. Napon gradske mreže kod nas iznosi 220V, ali tu je riječ o efektivnoj vrijednosti napona sinusne izmjenične struje. Efektivna vrijednost izmjeničnog napona (eng. RMS – Root Mean Square) je onaj napon koji ima isti toplinski učinak na nekom otporu kao i istosmjerni napon te vrijednosti. To znači da efektivni izmjenični napon od 220V ima isti učinak kao i istosmjerni napon od 220V. Međutim, s obzirom da se kod izmjeničnog napona vrijednost stalno mijenja, vršne vrijednosti napona su znatno veće od efektivnih. U praksi je efektivni izmjenični napon gradske mreže često malo viši od 220V pa ćemo grafički prikazati odnose napona u mreži za efektivnu vrijednost od 240V kako bi imali “rezervu” kod proračuna vrijednosti elemenata u kaskadi.

Za sinusni napon gradske mreže dakle vrijedi da je vršni napon po poluperiodi za 1,414 puta veći od efektivnog napona. Time dobivamo da je vršna vrijednost napona po poluperiodi 240V x 1,44 = 340V. Iz toga dalje proizlazi da je vršna vrijednost napona obje poluperiode 340V x 2 = 680V. Dakle, u našem slučaju prvi kondenzator i prva dioda u kaskadi moraju izdržati barem 340V, a svi ostali 680V. Znamo da elektroničke komponente nije dobro opterećivati do njihovih krajnjih nazivnih vrijednosti jer im se time značajno skraćuje vijek trajanja, a u našem slučaju, ukoliko dođe do proboja jedne komponente u kaskadi, vjerojatno će biti uništene i sve ostale komponente koje slijede u nizu. Stoga kod projektiranja ionizatora nije loše uzeti komponente koje izdrže barem 50% veći napon od izračunatih vrijednosti. Naravno da komercijalnu proizvodnju ionizatora diktira cijena, pa se za kondenzatore uvijek traži neki najpovoljniji odnos između nazivnog kapaciteta, napona i cijene. Broj stupnjeva u kaskadi pak je, kao što smo već naveli, ograničen utjecajima unutarnjeg otpora upotrijebljenih komponenata, ali u primjeru ionizatora ni ne treba pretjerivati sa umnožavanjem napona na prevelike vrijednosti. Kod viših napona dolazi do veće emisije ozona, a može doći i do probijanja dielektrične čvrstoće zraka, odnosno do preskakanja iskri, a to nije poželjna pojava kod kućnih ionizatora. Napon mora biti toliki da u svim uvjetima održava tinjavo tzv. koronalno pražnjenje, a ne da prijeđe u kratkotrajnu iskru, odnosno električni luk. Koliki su naponi potrebni za probijanje iskri u zraku jako ovisi o trenutnom sastavu, gustoći i vlažnosti zraka, a jednako tako i o obliku i razmaku elektroda. Ionizatori obično rade na naponima 4 do 10 kV.

Naša kaskada ima 26 stupnjeva što znači da uz mrežni napon napajanja uz idealne uvjete na izlazu teoretski može dati napon od oko 16 kV. Iz gore opisanih razloga koji uzrokuju pad napona, kaskada u praksi daje najmanje dvostruko niži napon. Upotrijebljeni su čuveni Iskrini blok kondenzatori kapaciteta 47 nF za napon od 1250 V, te diode 1N4007 koje mogu podnjeti 700 V efektivnog, odnosno 1000 V vršnog izmjeničnog napona. Za usporedbu, kod nekih jeftinijih ionizatora nalaze se kondenzatori od svega 10 nF / 700 V, no kod nekih boljih oni budu kapaciteta i 220 nF. Tri otpornika spojena u seriju služe za ograničenje struje u slučajnog dodira visokonaponskog šiljka i imaju ukupni otpor 10 M ohma. U našem ionizatoru tinjalica je spojena paralelno napajanju te kao takva služi jedino kao indikator uključenosti uređaja, no ona se može iskoristiti i kao detektor izlaznog napona ionizatora.

Najnoviji hit na tržištu su ionizatori prilagođeni za upotrebu u automobilima. A mi ćemo ovaj naš ionizator prilagoditi da još nekako stane na sve puniju policu predviđenu za čudesne električne superuređaje koji kao pravi akcijski junaci uvijek na strani pravde ubijaju sve loše i poboljšavaju sve dobro u cjelokupnom mentalno-fizičkom sklopu čovjeka, a i šire u njegovom neposrednom okružju. I pri tome čak i ne potroše puno struje. No šalu na stranu. Na kraju, stvar spašava jedna posebna vrsta ljudi koji sebe nazivaju elektroničarima. Oni će uvijek će imati stvarnu korist i blagodat od ovakvih uređaja i time ispuniti njihovu temeljnu svrhu postojanja. Pa tko to ne bi u svom laboratoriju želio imati neku lijepu visokonaponsku kaskadicu, ma ako baš za ništa drugo… pa barem samo da se eto ponekad nađe… ako zatreba 🙂