テスラバッテリースイッチ（トランジスタスイッチ版）製作

トランジスタを使ったテスラバッテリースイッチを製作する。

 

厚さ2㎜アルミ板の上に、トランスやトランジスタ、ヒートシンクなどを取り付けているところ。

PICコントローラーを作り、出力波形をチェックしているところ。

前に作った同装置のスイッチ部分を今回作った電子スイッチに入れ替えて、前面にPICコントローラーを取り付けたところ。

木枠や４つあるバッテリーなどは、そのまま流用した。

SlayerExciterのドライブ回路比較

 MOSFETの回路を２つ出来上がった訳だが、両者の違いを比較してみた。

一次コイルの高さは床面から30㎜のところにして、直流電源は20Vとした。

まずは、先に作ったドライブ回路Ⅴの方から。

20Vで1.5A前後。

その時の二次コイルの電流波形（上）と二次コイルから15cm程度離れたところで測定した電圧波形（下）。

電流波形の乱れている部分が、一次コイルに電流が流れて出てきたもの。

そして後から作ったドライブ回路Ⅵは、

電流は2.8A前後。

こちらは電流波形（上）が大きく異なる。大きな長いヒゲが出ているのが分かる。一次コイルに流れている電流がそれだけ大きいのだろう。しかし、2番目のヒゲがとても小さくなり3番目がない。これは、過電流保護回路の影響だろうか？

電圧波形（下）はどちらのドライブ回路も似たような大きさのサイン波となっている。

放電は見た目だけではほとんど両者の差はない。このことは、上のオシロ画面の電圧波形でも大差なかった点と符合する。

もう少し調べたいことがあったのだが、あちこち触っている間に両方のMOSFETがお亡くなりになってしまった。

SlayerExciterⅥの調整その２

前回のテストで、電源電圧を18V以上で動かすのが良いことが分かった。

 そして、今回は一次コイルの高さを二次コイルの下端よりも下からスタートして上に上げていく。その中で最も放電が勢いよくなるところを探す。電源電圧は18Vに固定して行う。

二次コイルの下端は床面から36㎜のところにある。

まずはじめに、一次コイルを床から30㎜のところにセットして動かす。二次コイルの下端から6㎜下のところだ。

消費電流2.5A程度。

次に40㎜に上げる。

この時、消費電流は2.3A程度。

次に50㎜。

この時、消費電流が不安定にゆらゆらと上下した。1.4A～2.2A。

55㎜にしてみたが、消費電流は不安定のままで、1.3A～2.2Aをうろついている。

以上の結果から、床面から30㎜の場所が安定し、上げていくほど動作が不安定になることが分かった。最適な場所は30㎜ということにした。

それから、念のため、一次コイルのプラスとマイナスを入れ替えてみた。

これが逆接続したときの結線状態。（赤くて太いリード線2本）

直流電源の電流は、5.739Aとかなり大きい。しかし、二次コイルの電流波形はフラットのまま動かず、もちろんコイルトップの放電現象もない。

MOSFETがどんどん過熱してヒートシンクが熱くなっていく。

一次コイルの電流方向が逆転すると、全く動作しないことが分かった。

SlayerExciterⅥの調整

 直流安定化電源PAS40-9の出力電圧を12Vから徐々に上げていき、SlayerExciterⅥがどのように動くのかを確認した。

まずは、12Vで運転。1.5A程度流れているが、不安定でフラフラ動く。

二次コイルの先端部に、細くて小さな放電が出ている。

銅線を近づけてアークを出したところ。

電圧を上げていく。18Vぐらいから少し安定感を感じられる。

それまでブレまくってまともに観測できないでいた二次コイルの電流波形がオシロスコープで見れるようになった。（画面の上の波が二次コイルの電流波形）

先端の放電も少し大きくなり、不安定だった音も安定し少し静かになった。

恐らく、このMOSFETのドライブ回路は、18V以上で動かすのが正解のようである。

どんどん電圧を上げていく。

26Vあたりから、また音がうるさくなった。先端の放電が少しつぼみが開きだした花のようになった。

さらに上げていく。

30Vを超えたあたりからまた音が少し静かになった。

32Vの時点で、2.5A前後。電流も安定している。

先端の放電は、花が開いたようになった。

最後に40V。この直流安定化電源の最大電圧。電流は2.5A前後。入力電力は100Wを超えた。

先端の放電はさらに横へと広がろうとして下部から真横に何本かのびてきた。いったん静かになっていた音がまたうるさくなっている。

そして、この先端に使ったテストリードの黒いプラスチック部分が熱で少し溶け始めている。

目標だった出力アップは、70Wを十分にクリアしたのではないかと思う。

このテストは、一次コイルの高さは未調整のまま行った。

この次は、一次コイルの高さ、最適な場所を探してみようと思う。

SlayerExciterのトップにダイオードを取り付けた

 SlayerExciterⅥをRFコイルにつなぐため、その二次コイルの先にダイオードを載せる形ためのアダプターを作った。

取り外し可能にするため、配線はテストピンでつなぐようにして、アダプター自体はパイプに差し込むような形にした。

SlayerExciterⅥの動作確認

 

簡単な動作チェックを行なった。

まだ、未調整だが、これまでのどのコイルよりも強力になった。

直流安定化電源PAS40-9の出力も、12Vで1.7A前後なので、これまでの３倍弱だ。

SlayerExciterⅥ用の新しいMOSFET回路の製作

パワーMOSFETのIRFP460Cを使った回路を製作した。

大容量に対応できるようにこれまで作ってきたパーツやレイアウトなどを見直した。

一次コイルの配線が太いので、これまでの基板用ターミナルでは取り付けが困難になった。それで今回は、ねじ止めの6Pターミナルをつかった。

また、配線をできるだけ短くするために、基板などを使わずパーツのリード線をそのままはんだ付けしてくみ上げた。

画像の左側の基板は、タイマーICの555で構成されたオシレーター。可変抵抗でパルスのデューティ比を変更できる。これは、SlayerExciterを起動するための信号を与えるもので、起動した後はあってもなくても良い。

 

こちらは回路図。以前ネットで見つけたものをベースに一部のパーツを入手可能なものに置き換えている。

555の発信周波数はブレッドボード上の仮組で192kHz前後だった。

テスラ４バッテリースイッチのトランジスタと全体回路の検討

 

前回は、MOSFETで実験したが、こんどはNPN型トランジスタで実験をしてみた。

オリジナルと思われる回路図では、2N3055という型番の金属ケースに入ったものが使われていたので、同じものの方が実験するには良いと思ったから。

負荷に車用の12V60Wランプ、負荷用の電源はバッテリー。パルス信号を与えてトランジスタでON/OFFさせ、ランプが点灯することを見た。

はじめにMOSFET用に考えた回路なのだが、これの最終段をトランジスタに置き換えただけ。

特に問題はなかったので、これで全体の回路を製作することにした。

パルス信号はPICで作り、トランジスタ2SC1815で5Vの信号を12Vにレベルアップしたあと3つに分岐する。この回路を左右２セットつくる。片側で3つのトランジスタ、両方合わせて６つのトランジスタでバッテリーの切り替えをすることとなる。

右側の3個がON中は、左側の3個はOFFになる。いったん全てOFFにしたあと、今度は右3個がOFF、左3個がONとなる。これの繰り返し。

バッテリーのNo.1とNo.2のセット、それからNo.3とNo.4のセット、この両セットの間で片方を充電モードにしたらもう一方を放電モードにする。それを交互に交代させていく。

バッテリーを切り替えた瞬間に大きなパルス電流が流れる。そのパルス電流をブリッジダイオードの手前にライン上に配置した1000uFのコンデンサで受け止める。パルスの電圧が高いほどコンデンサにたくさんの電荷が蓄えられる。この蓄えられた電荷をうまく負荷へ渡すことができればこのシステムは成功ということになると思う。

切り替えスピードはどれぐらいが最適なのか全く分からない。情報が少なすぎる。よって、PICで出力するパルスは周波数を100Hz～10kHzぐらいの間で変更できるようにする予定。実験で最適な切り替え周波数がいくらになるのか明らかにしていく必要がある。

SlayerExciterⅥコイルの解析

 いつものように、ネットワークアナライザで周波数特性などを調べてみた。

黄色いラインのLOG/MAGを見ると、二次コイルのピークが558kHzのところにあることが分かる。

最終的に負荷のRFコイルへ接続した時にもう少し周波数が下がるので、当初の目標である542.4kHzに近づいてくれるだろう。だから、かなりいい感じに出来上がったと思う。

それから、

一次コイルのインダクタンスは、3.242uH、

二次コイルのインダクタンスは、17613uH

だった。

SlayerExciterⅥ用のコイル製作

 

こちらが巻き終えた二次コイル。

手で巻いたのだが、大変だった。次からはこれ以上のサイズならコイル巻き機で作ることにした方が良い。

こちらが出来上がった一次コイル。

MDF板の上になまし銅管を取り付けた。等間隔になるように3Dプリンターでガイドを出力してインシュロックで固定した。なまし銅管を使ったのは初めてだったが、やわらかくて扱いやすかった。

両方のコイルを合わせてみたところ。

一次コイルにリード線（3.5sqビニール被覆電線）をつけた。

取付金具は、0.5㎜の銅薄板をカットして二つ折りにして作った。なまし銅管とリード線を挟み込んでねじ止めしてある。

SlayerExciter用の新しいコイルの検討

 MOSFETを使ったSlayerExciterは、周波数が700kHz以下でなければ動作しないことがわかったので、新しいコイルを巻くことになった。

今回製作するコイルの目標とする周波数は、542400Hzとする。これは、RFコイルの27.12MHzの1/50である。波長で言うなら50倍。

そして、これまで二次コイルのワイヤー長は、希望する周波数の波長の半分と同じ長さにした時、実際に得られる周波数が80%程度へ下がることが分かっている。このことを考慮して、（542.4kHz÷0.8=678kHz）少し高い周波数にしておく。

ワイヤー長は、678kHzで計算する。

λ=299792.458÷0.678[MHz]=442.1718[m]

λ/2=221.086[m]

よって、二次コイルのワイヤー長は、221.086[m]とする。

φ0.2mmのワイヤーをVU50パイプ（外径60mm）に巻くものとして、約1173回巻くことになる。その際のコイルの長さは大体270mm。

上下に余裕を持たせるので、巻きつけるパイプの長さは300mmとする。

次に、一次コイルについて考えてみる。

今回は、φ4mmのなまし銅管（断面積6.4sq）を使おうと思う。全体的にスケールアップするので、太さもこれまで以上にしたい。一次コイルはできるだけ抵抗の少なくなるように。

一次コイルの外径は、200mm前後とする。二次コイルの高さが300mm程度になるので、これまで作ってきたコイルと相似形、同じような縦横比にした。

巻き数は４回巻き、12mmピッチで巻く。

なまし銅管とMOSFETドライバとの接続は、手持ちの一番太い3.5sqワイヤーにして、銅薄板でクリップ状の引き出し金具を作る必要がある。

SiCショットキーバリアダイオードを6500V耐圧にする

 

ロームのSiCショットキーバリアダイオードSCS206AGC（650V,6A）を10個直列につないで耐圧を6500Vにしたものを製作した。

SlayerExciterからRFコイルへの接続部分の半波整流用ダイオードはこれまでに何度も壊れてしまった。今回は電流が6Aあるので6500Vを超えないように注意すれば大丈夫でしょう。

SlayerExciterで太いコイルを動かしてみた

 

ずっと以前に別の目的で製作したコイルがあったので、SlayerExciterのコイルにしてみた。

今まで作ったコイルはスリムなものが多かったので、太いコイルも試してみようというもの。

直径89㎜、コイルの長さ110㎜、Φ0.6ワイヤーで約180回程度巻いてある。ちょっと巻き数が少ないように思う。これを二次コイルにして、3.5sqの電線を2回巻きの一次コイルをつけた。それと二次コイルの先端にテストピンプラグをつけてみた。

SlayerExciterⅤ

まずは、MOSFETを使ったSlayerExciterⅤをつないで試してみたが全く動かない。

SlayerExciterⅣ

次にSlayerExciterⅣにすると、周波数930kHz付近で動いた。12Vで消費電流は0.5A程度。二次コイルの先端に放電アークは現れない。

SlayerExciterⅢ

最後にSlayerExciterⅢをつなぐ。これも同様に周波数930kHz付近で動く。12Vで0.65A前後。放電アークは現れない。

ネオンランプを近づけると点灯するが、点灯する範囲はこれまでのものより狭い。

二次コイルの電流波形は、いつもなら一次コイルにより大きなノイズが加わった形になるのだが、そういうものがほとんど見られない。一次コイルと二次コイルの同調が弱くパワーが少ないのだろう。

最後にSlayerExciterⅢにつないだ状態で、電源電圧を16Vに上げた。

そして、マイナスドライバーを近づけて、放電させてみる。アークの長さがいつもよりも短い。

結論

ドライバーなどを近づけない状態で放電アークが出ない、マイナスドライバーで放電した際のアーク長が短い、これらはやはり二次コイルの巻き数が少ないためだろう。

そしてコイルの外径は太いが、巻いてあるワイヤー長が短いために周波数が930kHzと高いのだろう。コイルの周波数は、コイルの太さよりではなく、ワイヤー長によって決まるということの良い事例だ。

この高い周波数のためにSlayerExciterⅤは動作しない。ブレッドボード上で行った実験から700kHz以上では動作しないことは既知のこと。

以上から、この再利用コイルはSlayerExciterには向かないと分かった。

SlayerExciterⅤ（パワーMOSFET）を作る

 

パワーMOSFETを使ったSlayerExciterを作った。これはその回路図。

ブレッドボード上に回路を組んで動作確認をする。

上のオシロ波形は、パワーMOSFET（IRFP460C）のゲート電圧波形。500kHz12Vの正弦波を与えている。

ブレッドボード上、パワーMOSFETの負荷に見立てた青色LEDが点灯している。パワーMOSFETがONできているので点灯している。

こちらは、同じ回路に900kHz,12Vを加えた場合のもので、

パワーMOSFETが十分にON出来ていないため、LEDがほんのりと色づく程度。

高い周波数だとパワーMOSFETが動作できないということが分かる。

試しに別のパワーMOSFET（2SK3234）でも確認してみる。

800kHz,12Vを入力したときのゲート波形で、

この石でもLEDがほとんど点灯できていない。

500kHz,12Vを加えると、

無事LEDが点灯する。

以上の結果から言えることは、パワーMOSFETを使った回路では、これまでに作ったコイルを駆動することができないということだ。バイポーラトランジスタ用に作ったコイルは、どれも1MHz以上で動作する。だから、パワーMOSFET用に新たなコイルを作る必要が出てきた。しかも、500kHzぐらいということだから、今までよりも大きなコイルになる。

ブレッドボードでの結果を踏まえ、パワーMOSFETのドライブ回路を製作した。

この画像では、パワーMOSFETにIRFP460Cを使っているが、最終的には2SK3234に交換した。