テスラスイッチの回路設計について

話が少し前後するが、テスラスイッチの回路を設計した時のまとめ。
今回作ろうとしているものが下図の回路

＜＜回路の動作をわかりやすくした絵を追加＞＞

４個あるスイッチが交互にON-OFF/OFF-ONを繰り返す。そのたびに、バッテリーの充電と放電が入れ替わる。

STATE1では、右側2個のバッテリーが直列つなぎになり24Vが得られる。これが左側2個のバッテリー（これは並列つなぎになっている）を充電する。電流は負荷（この絵ではランプ）を通って右側のバッテリーに戻ってくる。

スイッチが反転してSTATE2になると、今度は左側2個のバッテリーが24Vを作る側となる。そして右側2個のバッテリーが充電される。負荷の電流は先ほどとは逆向きに流れる。

回路にはダイオードが４個使われているが、これは恐らくスイッチの切り替え時や負荷から生じるスパイク波などの影響で逆向きに電流が流れるのを阻止するために使われていると思われる。ゲルマニウムのダイオードが推奨されているのだが、入手困難なので今回はショットキーバリアダイオードを使ってみることにした。

今回設計した回路図は、ネット上から入手した回路図（下の画像）などを参考にした。

この図と大きく異なるのが、下部にある1000uF 100Vコンデンサーと負荷（Load）用の整流ダイオード部分である。

まず、1000uFのコンデンサーがついていることはバッテリーから負荷へ供給できる電荷量が制限されてしまうということになる。
スイッチの切替周波数が十分に高いなら問題ないかもしれないが、5Hz,10Hzといった低周波の場合はほとんど電流が流れないことになる。今回作ろうとしているものはスイッチの定格から低周波で動かす予定なのでこのコンデンサーは無しとした。
その代わりに、バッテリーの＋側にヒューズを入れて過電流が流れて発火しないようにした。

それから、負荷を一般商用100Vの電球にしようと思うので整流回路は不要にした。その代わり、昇圧トランスを入れることにした。±12Vの交流出力を100Vにする。

テスラスイッチの負荷は、誘導性のものが良いらしいのでその点を考慮した。どのフリーエネルギー装置にも共通するらしいが、抵抗負荷では良い結果が得られないという話もあるので負荷と言えども注意が必要。
トランスの容量は一応負荷電流から決めた。その負荷電流はスイッチの定格から決まる。スイッチの定格最大電流20Aなので、1/2 * 24V * 20A = 240VA が必要な容量となる。ただし、スイッチはピーク電流が70Aであるため、余裕をみて600VAとしている。
この負荷装置には一つだけ懸念材料がある。スイッチの切替周波数が低いのでトランスが十分に機能しない可能性が高い。本当は50〜60Hzあたりで切替を行いたいところ。実験で確認していこうと思う。
色々と考えてこうしたのだが案外自動車用の12V用ランプを使った方が簡単で良かったかもしれない。

使用するバッテリーは、バイク用の小型のものを４個使う予定。

それから、制御回路が停止している時は、スイッチが設計した回路図通りの位置になるようにした。こうしておくと左右どちらの側も充電モードの12V状態になって釣り合っているので、バッテリーの電圧に大きなばらつきがない限り負荷への電流供給はほぼゼロになる。

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。

テスラ スイッチのスイッチユニット一つを作ってみた

テスラ スイッチを製作するに当たり、基本的なパーツを選定した。

スイッチは、オムロンの高容量形基本スイッチA-20Gシリーズにしてみる。

これをタカハ機工のプッシュソレノイドCB1029でON/OFFさせることにする。

回転式の切り替え器も検討してみたが、製作の容易さや費用面を考えてスイッチ＋ソレノイドになった。

スイッチA-20Gの定格は20Aあるので、12Vx20A=240VA程度の負荷まで使える。

スイッチを決めた後、ピンを押せるソレノイドを選択。

この２つを１つのユニットにしたのがこの画像。

ネズミ色のパーツは3Dプリンターで作成。レバー付きのスイッチを買っておけばよかったのだが、ピンタイプを購入したのでバーを間に入れてテコの原理でスイッチを押している。

電源電圧はバッテリーから供給することを考えて12Vにした。

ただし、このソレノイドは12Vでは連続動作できず、１周期のON時間は40%となっていた。

少なくともDuty比50%、つまりONとOFFが同じ時間長さで交互にできなければならない。

データシートから、10.9V以下であればDuty比50%動作が可能と分かった。ソレノイドには抵抗を直列に入れて印加電圧を下げることにした。

ソレノイドの印加電圧を下げると吸引力が低下する。それでもスイッチが押せるかどうか検証しなければならない。

この点については、組み上げてから動作テストを実施し、問題ないことを確認した。