テスラバッテリースイッチ改良３のテスト

トランス2次側の電圧波形

 出力トランスが変わったので、その出力がどのような電圧波形となり、スイッチ周波数が変わるとどのように変化するのかをオシロスコープで確認した。

負荷は6W電球

LEDの数字は、電球にかかる電圧と流れている電流。

この画像は、切り替え周波数500Hz時のトランス出力（トランジスタのベース・エミッタ間電圧）で、改良前よりも波形の電圧は大きくなった。これでトランジスタのONもより確実になるだろう。

しかし周波数が低いため、矩形波として伝達されずにS字カーブを描いてグランドレベルに戻ってしまっている。トランスでは低周波のパルス伝送をすることはきびしい。

この傾向は、50Hzなどではとても顕著となり、ON期間は40％以下となってしまう。

矩形波として伝送されるには、すくなくとも5kHz以上必要だった。

周波数を50Hz～20kHzまで何点か測定したが、出力は500Hz～1000Hz付近で最大となり、それ以外は下がっていく。

周波数が高くなるにつれて、今度はトランジスタの立上り時間が影響して、ON期間が短くなるようだ。また、浮遊容量等により、ON直後に波形が乱れるようになる。こういったことが要因となり、周波数が高くなっても出力が低下しているのだと思う。

出力電流波形

次に電流波形を見てみる。

スイッチするタイミングでスパイク波が生じる。このスパイク波が超効率にかかわっているのではないだろうかと疑っているのだが、実体がよくわかってない。

そのスパイク波は、一定ではなく、小さいときもあれば、突然大きくなるときもある。

時間のレンジを5ms/Divにして、トリガーを大きめにしたときに、スパイク波が周期的に大きな波を打つように出ていることが分かった。だんだん成長して大きくなって消滅するようだ。

しかし、この波は何を起因としているものなのだろうか？

改造後の考察

結論として、今回トランスを交換する改造を行ったが、出力には大きな差はみられなかった。

出力電流を制限しているものとして、トランジスタのONが不十分なのではないかと疑っていたが、そうではなかったようである。

となると、出力ライン上に載せてある大容量のコンデンサ（平滑用コンデンサではない）だろうか？

次は、もう少しコンデンサ容量を増やしてみた場合にどうなるのか確認してみることにする。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

1. 出力ライン上に耐圧100Ｖ以上で1000uFのコンデンサをつける。
2. 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。
3. 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。

テスラバッテリースイッチのテストと改良

 回路の要所要所をオシロスコープでチェックしたところ、PICからの5V出力を12Vにレベル変換しているトランジスタ2SC1815のところで発振していた。

トランジスタのベースに入れた抵抗500kΩが大きすぎて、電流が十分に流れないのが原因のようだったので、510Ωに交換した。

その後、負荷としてケースファン4個をつけて動かしてみた。

スイッチの切り替え周波数が100Hzのときは、ケースファン4個の内、3個だけ回ったが1個は回らない。周波数を800Hzに上げてようやく4個全てが回るようになった。

周波数が上がった分、切り替え時に発生するパルスが増えるのでそれに伴って電流が増えたのだろう。とはいえ、せいぜい1ワット程度。

負荷に60Wランプをつけると、100Hzでは点灯せず。800Hzでようやく少し薄く光る。1600Hzにあげるとようやくランプのフィラメントがオレンジ色になった。テスターで測定した出力電圧は2.3Vで出力電流が2A程度。負荷が重いと電圧が低下する。

バッテリーの電圧も少しずつ下がっていく。

これ以上は意味がないと思い、テストを中断。

出力の電圧と電流を毎回テスターで測定するのも手間なので、LEDメーターを取り付けた。

それから、出力ライン上につけたコンデンサが充分な電流供給を阻害しているかもしれないと思い、ライン上のコンデンサを外してみた。

コンデンサを外したことで、出力が増えた。しかし思ったほどでもなかった。

60Wランプ負荷に対して、切り替え周波数1600Hzにしてやっと出力電圧が3.2V、出力電流が2.93A。せいぜい9W程度。

出力が上がらないようにしている阻害要因は何？

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。

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。

テスラ４バッテリースイッチの電子スイッチ化を検討してみる

 テスラ４バッテリースイッチは、モーター回転式のスイッチ製作で納得のいくものが出来ず、ずっと放置していた。もうこれ以上作ることは無駄だからとあきらめていた。

心は無常だ。

時間が経ったのもあるだろうが、モーター回転スイッチに対するとらわれが無くなった。メカスイッチがダメなら、最後に電子スイッチも試しておこうと思えるようになった。

ずっと、メカスイッチでなければならないと観念的になっていた。メカであれば、火花が出る。この火花がフリーエネルギーには大切なのだと。

しかし、John Bediniは、トランジスタスイッチで同装置を完成させ、大勢の前で披露している。それが本当であれば、フリーエネルギーになるための要素は火花以外にもあるはず。

一般的に電子スイッチは壊れやすいので様々な保護回路を組み込んだり、安全領域で可動するように性能を絞り込んだりする。だから個人的には保護回路をつかったりすること当たり前の電子スイッチは、フリーエネルギーから遠いものという認識が強い。だからメカに強くこだわっていたのだ。

でも、これもひとつの観念でしかないし、実際に試してないのだから正しいとは言えない。

というわけで、もう一度関連資料をじっくりと読み直してみた。

気になっていたのが、バッテリーのスイッチング動作でトランジスタにかかる電圧が上がったり下がったりする。そのたびに電流の方向も変わる。どこを基準電圧にするか難しいなと思っていた。

これについては、出力段のトランジスタは、絶縁トランス経由で駆動させることで解決していた。全体的に思ったほど難しい回路でもなさそうだと思った。

ブレッドボード上に基本的な回路を組んでみて、動作確認。

手持ちのパワーMOSFETを使って、バッテリーのON/OFFをする。LEDを負荷に見立てて、オシレーターから矩形波を与える。

パワーMOSFETを駆動するのにどれぐらいのパワーが必要なのか。絶縁トランスの仕様は、何ワット？巻き数比は？

計算・実験・検討を繰り返すうちに、電子スイッチで動かすことができそうだと思えてきた。

【テスラスイッチ】回転式スイッチを少し回してみた

ブラシレスDCモーターにESCやテスター、DCDCコンバーターなどをつけてバッテリーで試運転。 

ちゃんと回転してくれた。

手前の黒いのがバイク用の鉛バッテリー。そこからワニ口クリップを介して接続されているのがDC-DC降圧コンバーター。バッテリーの12Vを7.4Vに変換するためのもの。最大200Wまで使える。

その先にESCがついていて、こいつは電流が15Aまで流せる。ESCからBLDCモーターに三相の交流電力を供給している。Hyperionモーターはラジコン用の小さいものだが、軽く100Wぐらい消費しつつ、10000RPM以上まわる。

ブルーLEDが点灯しているのはテスターで、ESCに制御信号を出している。ボリュームを回すと回転数が変化する。このテスターの電源は5Vなので別途供給している。

このローターを運転しながら回転数計で測定したら軽く2000～3000RPMは出た。4000RPM以上になると、振動が激しくなるようなのでやめた。まだボリュームの半分ぐらいは残っていたので目標の6000RPM以上回るはず。

激しく振動する原因は、ローターの形状がアンバランスに作ってしまったことが大きい。ローターの内部に１か所ネジを取り付ける部分を設けたのが悪かった。

ローター部分は3分の1程度まで作りかけていたけれど、もう一度作り直しだ。

これで何度目の作り直しだろうか？

テスラスイッチ用の回転式スイッチ部分の製作途中

テスラスイッチのスイッチ部分を3Dプリンターで作ってみた。

手持ちのDCブラシレスモーターで回転させようと思う。

この後、ローター部分に真鍮板を張り付けたり、カーボンブラシを取り付けたり、モーターの配線をしなければならない。

はたして、この構成でうまく回ってくれるのか。ちゃんとスイッチとして機能するのだろうか。電流が20Aとか流れても大丈夫なのか。とにかく疑問だらけでやってみないことにはわからない。

テスラスイッチ（４バッテリー・スイッチ）の製作～試運転

本体の説明

まずは、ひとまず テスラスイッチが出来た。

今後テストを行いながら、改造していくことになると思う。

次の写真が全体の姿。

場所をとらないように本体を4層構造にした。

一番下がバッテリー、その上がスイッチ回路と制御ボード、その上が変圧器トランス、一番上がランプ負荷。

スイッチ回路は、動作音が大きく耳障りだった。その対策として、周囲を防音シートと吸音材で囲むようにした。

下の写真は防音処理の様子。この中にスイッチ回路を挿入する。

スイッチ回路はメンテナンスを考慮して1枚のMDFボード上にまとめた。

下の写真のようにスイッチ回路を差し込む。

そして、制御ボードを乗せた正面の蓋をとりつける。スイッチ回路がスペース的に一杯だったため制御ボードは外側に出した。

ちなみに、制御回路は外部の安定化電源から12Ｖを供給する。しかし最終形ではバッテリー供給にしたいところ。

これで耳障りな音はかなり抑制されるようになった。

それから、４個あるバッテリーには全てターミナルスイッチをつけた。

スイッチ回路とバッテリーをケーブルで接続する際にどこかに当たってショートするなどのトラブルを避けるためである。

この写真の左上の青色のつまみがターミナルスイッチ。

配線を終わらせた後、軽くテストをしてみた。

動作テスト

まずは、バッテリーのターミナルスイッチをすべてOFFにして、制御回路とスイッチ回路が動作することを確認した。スイッチの動作周期は0.2秒。カチ、カチ、っと規則正しくスイッチの音がする。これは問題なかった。

次にバッテリーのターミナルスイッチをすべてON、負荷は変圧器トランスのみ（＝無負荷）、スイッチの動作周期は0.2秒。

ここで問題が発生した。制御回路を投入した直後にスイッチ回路が２回ほどカチ、カチと動いて鈍い音とともに停止した。

調べると、過電流保護ヒューズ（30A）が切れていた。0.2秒周期では、商用トランスに対して直流を流しているような感じとなり、過電流が流れた。トランスの巻き線抵抗は１オームもない。そんなところに直流12Vを印加したのだからあっという間に30Aを超えてしまったようだ。

調べたついでに、5Hz（＝0.2秒周期）の信号で変圧器がどのように動くかも調査した。外部の発信機で5Hzのサイン波を入れてみたが、出力はほとんど出てこなかった。

つまり、0.2秒周期でスイッチを動作させた場合、変圧器から出力が得られないということだった。よって、スイッチの切り替え周期を0.02秒（＝50Hz）かそれ以上にする必要がある。

そしてもしも、このままスイッチ周期0.2秒（5Hz）で実験するには、トランスを使わない方法をとらざるを得ない。

対策

１．直流負荷装置をつくり、変圧器を使わないで、スイッチ回路はそのままで実験を行う。

　これは、一般的なスイッチとソレノイドの組み合わせではテスラスイッチは実現できないということの確認のためにする。

　それと、負荷装置が交流ACタイプと直流DCタイプの両方が準備できるので今後色々と使える。

２．スイッチ回路を回転モータータイプに交換する。

　スイッチを自作しなければならないので手間がかかるが、このタイプであればスイッチ切り替え周期を50Hz以上にできる。

　スイッチの参考画像

ひとまず、対策の１をやって、次に２を行うことにする。