テスラ スイッチの制御部を試作

ソレノイドをON/OFFするための電子回路を組んでみた。

下の画像はソレノイドのドライバ。

データシートからソレノイドの抵抗が17Ω。これに10.9Vがかかるようにする。この時の電流が約641mAになる。電源電圧の12Vのうち1.1V分を引き受ける抵抗は、計算では1.7Ωだが抵抗の組み合わせの都合から1.8Ωとした。抵抗の消費電力は0.733W。

ソレノイドの逆起電力を打ち消すためにフライホイールダイオードを挿入。手持ちの高速整流ダイオードPS2010Rを使った。本当はファストリカバリーダイオードの方がいいのだが、今回は低周波なので問題ないはず。定格は1000V2Aで、耐圧はここまでいらないが641mAの2倍以上の容量が欲しかったのでこれにした。

トランジスタは手持ちの2SC2120を使った。コレクタ電流は800mAまで流せるのでギリギリ大丈夫だろう。hfeを100として計算し、ベース電流は6mA、ベース側の抵抗は2kΩとした。

次の画像は発信器。

タイマーICの555を使った簡単なもの。出力波形のDuty比は約50%で、周波数は二つのジャンパー設定で5Hz, 10Hz, 50Hz, 100Hzの切り替えができるようにした。

正直なところ、テスラ スイッチの切り替え周期が不明だったため一番困った。おそらく実験をして最適な周波数を探すものなんだと思う。
ある資料では100Hz以上は危険などという記述があったので、それを一つの目安にした。
それと、基本スイッチの許容操作頻度があり、機械的240回/min、電気的20回/minとなっている。電気的の方はかなり低い。機械的には4Hzまで、電気的には0.333Hzまでということだろうなぁ。スイッチの接点がチャタリングを起こすはずなのでこのような数字になっているということだろうな。この点はかなり悩ましいが、実験で確認していきたい。

ソレノイドスイッチも通電から動作完了までの応答時間というものが存在する。データシートにはかかれていなかったが、10〜20msぐらいだろうか。もしも20msだとすると、50Hz以上ではスイッチがONになる機会が全くないという話になる。

以上の考察を加えると、5Hzの実験が精一杯で、10Hzでスイッチがどこまでもつかなというレベルになりそう。50Hz以上はスイッチがONにならないだろう。

もしも50Hz以上にするなら、モーターで回転させるブラシスイッチにするしかない。しかしそこまで切り替えを頻繁に行うべきなのかすごく疑わしい。

今は簡単な方法での実験を優先しているので、このまま進めていく。

ブレッドボード上で回路を組み立てて、スイッチユニットを動かしてみた。
こちらの画像の上がその回路で、下が出力波形をオシロスコープでみたもの。

オシロスコープの中の上の波形が2SC2120コレクタ電圧で下が555の出力波形。周波数は4.3Hzだった。スイッチは問題なく動いていた。
その動画はこちら。