【15KV放電】格安中華キットで「植物×高電圧」のオゾン実験に挑む（できれば改善/方針決定編）
中華製高電圧放電基板（中華キット）、絶賛改善取り組み中です！
こんにちは、とりさんです。
「昼はクワ、夜ははんだごて」をモットーに始めた自由研究。
現在は、AliExpressで購入した中華キットを使って「植物×高電圧」のオゾン実験に挑んでいます。
今回は、実験計画の**「1．③できれば改善」**の状況をご報告します！
前回の試作（1．②）で浮かび上がった大きな課題。それは、「電池駆動で放電することは確認できたものの、トランジスタが過熱し、数分で動作しなくなってしまう」ということでした。
今回は、この発熱問題をクリアして連続運転を可能にするための「調査内容」と「改善方針」についてまとめてみようと思います。
なお、計画を少し見直しました。不特定多数の人が出入りする貸農園に高電圧装置を設置するのは安全上のリスクが高いため、まずは自宅のプランターでじっくり効果を確認する方針へと変更しています！
【実験の計画と本記事】
15kV放電装置の試作と評価
③できれば改善／方針決定 ・・・★今回の記事はココ！
④改善
ソーラー電池の調達と15kV放電装置への給電法の確立
全天候型 自走放電システムの試作と安全確認
自宅プランターへの設置、それから作物への効果をじっくり観察
【発熱原因の追究】
なぜトランジスタがここまで発熱するのか？
原因を突き止めるため、放電中のトランジスタのコレクタ電圧（Vce）と電流（Ic）の波形をオシロスコープで取得し、損失（消費電力）を詳しく調べてみました。回路図中に測定ポイントを示します。
※放電中の危険な測定のため、キットは自作の安全シールドBOX内に収め、絶縁グローブを着用するなど万全の感電防止対策を行っています。
ー波形から読み取れる損失率
① トランジスタがONしている期間
Vce：約2V ／ Ic：約3A
損失率：約7W
② トランジスタがOFFしている期間
Vce：約45V ／ Ic：約0.7A
損失率：約31.5W
トランジスタが「OFF」になっている②の期間で、31.5Wと圧倒的に損失率が多いことがわかりました。トランジスタの耐圧以上のサージ電圧がコレクタに印加され、アバランシェ電流が流れていることが原因だと推定しています。
なお、②の期間に発生するサージを抑制するために逆起電力防止ダイオードを挿入してみましたが、今度は全く放電しなくなってしまいました。この結果から、本回路はサージエネルギー自体も放電エネルギーとして利用する仕組みになっていることがわかりました。
【対策の方針】熱を逃がすか、損失を減らすか
トランジスタの過熱を抑えるアプローチには、大きく分けて2つの考え方があります。
放熱板（ヒートシンク）を大きくして、温度上昇を力技で抑える方法
回路を工夫して、損失（消費電力）そのものを少なくする方法
1つ目の放熱板を大きくする方法は、貴重な電池のエネルギーを無駄な「熱」としてドバドバ捨てることを意味します。ソーラーや電池での駆動を目指す今回のシステムとしては、あまりスマートな対策とは言えません。何より、中華キットの小さな基板には、これ以上大きな放熱板を載せるスペースがないのです……。
というわけで、今回はスマートに「2．損失（消費電力）を少なくする方法」を模索することに決定しました！
【トランジスタ損失を減らすには】
具体的には、付属のトランジスタをあきらめ、以下のような特性を持つ別の素子へ変更する予定です。
Vceの耐圧が高いもの（最低でも150V以上は欲しい！）
Vce=4V程度で ON時の抵抗（サチュレーション電圧）が低いもの、hfe（電流増幅率）が高いもの。ON時に発生している約7Wの損失もできれば削減したいと考えています。
現在は、この条件に合うバイポーラトランジスタを選定中ですが、なかなか適当なものが見当たりません。
……もしかすると、思い切ってバイポーラトランジスタではなく**FET（電界効果トランジスタ）**に変更するかもしれません。その場合は帰還回路にも少し工夫が必要になりそうですが、それこそ電子工作の醍醐味。ワクワクしてきますね。
無事に発熱を抑え込んで、バチバチと安定した放電を維持できるのか。
一筋縄ではいかなそうですが、一歩ずつチャレンジしてみます！
最後までお読みいただきありがとうございました。
次回はトランジスタ選定し、改造、評価を行なっていく予定です。
