vajra mahakala: 12月 2021

2021年12月28日火曜日

テスラバッテリースイッチの改良３

前回の実験で、思ったほどの出力が得られないことが分かった。

電流がどうしても制限されてしまう。この要因は出力トランジスタのゲート駆動が不十分ということも考えられる。

また、以前にも検討したことだが、トランスが大きすぎるため、無駄にエネルギーが消費されてしまい、出力トランジスタにまでエネルギーが回らないのではないかということ。

トランスを小信号用のものに交換してみる。

今回の改良で、いままで使ってきたPICは使わずに、外部のDDSオシレーターから駆動パルスを与えるようにする。PICだと、スイッチ切り替え周波数がプログラムの割り込み処理が入る分、高周波になると正確な周波数にならない問題があったのと、PICのI/O出力電圧が5Vに固定される。一方、DDSオシレーターは最大20Vまで電圧を変更できるので本実験には都合が良い。

サンスイのST-32というトランスを6個使ったとてもシンプルなドライブ回路が出来上がった。

2021年12月25日土曜日

テスラバッテリースイッチの改良後の試験

改良が終わったので、まずは、60Wのランプを負荷にして動かしてみた。

この画像のように、わずかにランプのフィラメントがオレンジ色になっている。

負荷が重たすぎて電圧が1.04Vに低下している。

適当な重さの負荷がないのも困るので、6Wのランプを追加。

さらに、バッテリー側の電流波形も見てみたいので、配線の途中に挿入できるものを作った。

電流検出用に10mΩ,1Wの抵抗を使った。1A流れると、抵抗の両端に10mVの電圧が発生する。

これらを追加して実験再開。

6ワットのランプだと、負荷としてちょうど良い。出力電圧は8.98Vで0.42A。3.8W程度なので、全力で点灯しているわけではなさそうだ。

この時の切り替え周波数は10kHz。電子スイッチの場合、周波数を上げた方が良いということが何となくこれまでの実験で分かったこと。

わずかに1000uFという小さなバケツに入った電荷。これをできるだけ早く切り替えて放出と充電をする。早く回してあげてエネルギーを少しでも多く送り出し出力を大きくする。そういう理由から10kHzを選んでいる。

30分ほど運転し続けてみたが、出力はほとんど横ばい状態。予想では少しずつ上がっていくものと思ったが、そういう結果にはならなかった。

電流計測用の抵抗は、改造時に追加した集合コンデンサのそばに取り付けた。このコンデンサに流入してくる電流波形がわかる。

オシロスコープで44.8mVp-pあるので、ヒゲパルスも含めると4.48A流れている。しかし、平坦な部分だけをみると5mVで上下しているから0.5A程度。２つのコンデンサが交互に充電と放電を行っているので、２つのコンデンサ分をあわせて直流の0.5A程度が出力として流れて出ている計算となり、負荷側につけた電流計の0.42Aに近い。

こうして波形を見ると、確かに切り替えたタイミングでパルスが生じているが、思ったほどたくさん出ているわけでもなく、大きいわけでもないようだ。

周波数を50Hzから20000Hzまで変化させたときに、出力がどのように変化するかも確認してみた。

50Hzの時は、出力が5.88V, 0.35Aに低下してしまっている。

電流波形は、長く大きなヒゲパルスが下に伸びて出ているのがわかる。46.8mVp-pなので4.68A。しかし、切り替え周期が長いため、頻度が少ないから出力アップには寄与しない。

この後、100Hz、500Hz、1000Hz, 5000Hz, 10000Hz, 20000Hzと変える。

周波数が上がっていくにつれ、出力の電圧・電流は少しずつ上がっていく。

一方で、切り替える際に生じるヒゲパルスはどんどん小さくなっていく。

これは、20kHz時の電流波形。39.2mVp-pだから、3.92A。電流のピークが小さくなっている。

そして、なぜか10kHのあたりがピークとなり、20kHzで少し下がった。

単純に周波数を上げれば良いというものでもないらしい。

周波数が上がっていくにしたがって、切り替え時に生じるヒゲパルスが小さくなっていく傾向があるのが原因なのかもしれない。

切り替え時に生じるパルスは、線路の持つインダクタンス成分や様々な回路パーツが持つ容量性の成分などが作り出しているのだと思う。それらが、高い周波数で駆動されたときに十分なエネルギーの蓄積ができないために出てくるパルスが小さくなり、低い周波数で駆動されているときは、十分蓄えることのできる時間があり、よって大きなパルスが生じるということだろう。それぞれ持っている時定数が異なるので結果がわかりにくくなる。

2021年12月21日火曜日

テスラバッテリースイッチの改良２

秋月電子のコンデンサアレーを購入した。これをさらに組み合わせて耐圧を上げる。

4枚を直列につなぎ、25Vの耐圧を100Vにする。

合成容量が154uFになるので、これを5セット並列につなぎ770uFにする。

この770uF, 100Vを２組つくる。

それを2段重ねにする。

さらに、置き場所に困った整流後の平滑コンデンサを上にのせた。

2021年12月20日月曜日

テスラバッテリースイッチの改良１

まずは、トランスの一次側と二次側を入れ替える。

二次側にあったバイパス用にダイオードを一次側に移動、二次側にあったコンデンサは撤去した。

以前よりも多少スッキリとした。特にトランスの二次側と出力トランジスタ間のモノが減った。

2021年12月14日火曜日

テスラバッテリースイッチの改造前の確認

トランスの一次側と二次側を入れ替えたときに、出力がどうなるかを確認した。

ブレッドボード上にトランスとその関係する部分の回路を組み立てる。

DDSオシレーターから12Vの矩形波を与えて、オシロスコープでトランス出力波形を確認する。

周波数が50Hzのとき、22.6Vの鋭い山が出ている。とても矩形波とは呼べない。これではトランジスタのONしている時間はとても短い。ほとんどOFF状態。電圧が22.6VであればトランジスタのVbe限界である60Vを超えないので壊れることはない。

周波数が1kHzのとき、山は小さく6.24V。トランジスタはなんとかDuty比50%でON/OFFできそうだ。

周波数が10kHzになると、ほぼ矩形波として出力できている。電圧も5V以上ある。

これで一応の確認ができたので改造に入る。

2021年12月13日月曜日

テスラバッテリースイッチの再検討

思ったほどの出力が得られなかったので、何が悪かったのか見つけるために改めて資料などを読み直したりした。

どうも、少し勘違いしていた部分があったように思う。

バッテリーの切り替え時に大きなパルスが発生するのだけれど、それをキャッチするためにライン上にコンデンサが入っているのだということ。

それを、この前は不要だろうと外したのだった。外したことで確かにランプが少し点灯するぐらいにまで電流が流れるようになった。しかし、それはバッテリーから出ていくものでバッテリーの残量を単純に減らすもの、つまりフリーエネルギーではない。

それからもう一つ、見つけたことがある。このサイトに書いてあることによれば、出力トランスは、小信号用の小さいアウトプットトランス（Radio Shack＃273-1380トランス）を使い、一次側と二次側を通常とは逆に使うことでトランジスタのベース電圧を相当大きく与えて駆動させていたことだった。

それと、6個あるトランスの一次側をすべて直列につないで駆動するというとてもシンプルな構成にしている。

私が作ったものには、サンスイのST-62という3Wの出力が取れるトランスを使った。だが、Radio Shack#273-1380を調べ、それと同等のものがサンスイのST-32（0.2W出力）だと分かった。なんと10倍以上、かなりオーバースペックだった。

また、外したコンデンサの方は、大きなパルスを受け取るには35Vでは耐電圧が小さいことも分かった。100Vぐらいの耐圧がいるらしい。交流電流が流れる部分なので＋/ーの極性をもつ電解コンデンサは使えない。無極性の電解コンデンサもあるが、これも実際には交流には使えないものらしい。となると、フィルムコンデンサか、セラミックコンデンサになる。なおかつ1000uFとなるとなかなか入手困難だ。

以上のようなことから、改造する方針が見えてきた。

出力ライン上に耐圧100Ｖ以上で1000uFのコンデンサをつける。
トランスの一次側と二次側を反対にしてトランジスタへの信号を大きくする。
もしも、2でダメだったら、トランスをST-32に交換し、ドライブ用の回路を作り直す。

1.のコンデンサは、秋月電子で22uFの積層セラミックコンデンサを28個使った、616uF、25Ｖのものが売られていた。これを4個直列につないで耐電圧100Vとする。合成容量は154uFになるので、5セット並列にならべて770uFとする。1000uFには足りないが、実験して確認してみないことには分からない。不足しているなら後から追加すればいい。

2.のトランスの入出力反転は、計算ではこうすることでST-32に交換した場合と同じ効果が得られることが分かっている。実際には、簡単なテストを事前に行う。