【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（設計変更/試作評価）

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。

購入した中華キットにて「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」ことを改善したので、ご報告します。

結論から申しますと、トランジスタではなく、FETを使用し改善しました。
次へ進める状況にはなりましたが、まだ課題がある状況です。この中華キットの動作調べれば調べるほど赴き深いものがありますので、もう少し突っ込んでみたいとも思っています。

【実験計画と本記事】

1. 15kV放電装置の試作と評価
   ①着荷と仕様確認　https://note.com/fine_knot6296/n/n015a7e55fd27
   ②組み立て、試作（電池駆動で放電を確認するも、数分でダウン）https://note.com/fine_knot6296/n/nddc7ca78f82a
   ③改善／方針決定（改善方針をトランジスタを変更することに）　https://note.com/fine_knot6296/n/needb1595c49e
   ④-1　設計変更／トランジスタ決定
   https://note.com/fine_knot6296/n/n832bd27a1b88
   ④-2　設計変更／試作・評価・・本記事です。

2. ソーラー電池の調達と15kV放電装置への給電法の確立

3. 全天候型 自走放電システムの試作と安全確認

4. 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

【改善のための回路変更】

バイポーラトランジスタをN-ch MOS-FET　東芝　NチャンネルMOSFET　TK16J60W　S1VQ　（以降FET）に変更すべく、モノタロウに注文しました。（前回の記事　https://note.com/fine_knot6296/n/n832bd27a1b88）

元の回路からバイポーラトランジスタをFETに差し替えただけでは動作しませんでした。ダイオードのせいで、ゲート の電荷が抜けるところがなくFETが常にONして放電しませんでした。そこで、改善回路のようにゲート入力に直列に入っているダイオードをスルーさせることで、放電時にマイナス電圧が生じるコイルにゲート電荷を逃がすようにしました。また、ダイオードはゲートが極端にソース電圧より低くならないよう保護用としています。

シンボルで端子名が判らない方は、ゲート、ソース端子は次の図でご確認いただければと思います。

元の回路動作はこの記事参照ください。

【回路変更後の試作実験結果】

改善後の回路の波形を観測しましたので、判ったこととともに挙げておきます。

ゲート電圧　FETのON閾値電圧　3.7V以上は出ています。FETのON/OFFはしっかりできているようです。

トランジスタOFF時のアバランシェ電流による無駄電力評価

　改善前31W程度は　0.8W程度に改善　＝＞前回の課題解決を確認した。

ドレイン電圧はFETの耐圧600Vよりも十分低いのでアバランシェ効果によるドレイン電流も流れていない。
OFF時ドレイン電圧8V程度
ドレイン電流はほぼ0.1A程度となっている・・オシロスコープの誤差かも。
よって、トランジスタOFF時の損失は　８V　✖　0.1A　＝０．８W　

ランニング実験

10分間連続稼働しました。気温30℃。途切れることなく連続放電を確認しました。それ以上やりたかったのですが、無人稼働はやめたほうが無難でありせっかちな私はここで打ち止めとしてしまいました。

放熱板は触れる程度なので、60℃以下。FETのジャンクション温度限界150℃程度なので、パッケージ熱抵抗を考慮しても十分持ちそうな改善ができました。

【課題】

ピーと音がする。

放電の周期は上記の波形から推測するに10kHz程度と思われます。年寄の耳ではかろうじて聞こえる程度ですが、若いものには結構聞こえるかもしれません。これを自宅ベランダに置くことは家族、周囲の人に迷惑がかかるかもしれないと思っています。

【今後の改善案】

今回はトランジスタOFF時に発生する逆起電力に十分耐えうる耐圧のトランジスタを選定し、OFF時の損失を抑える目論見でした。これは目論見通りでしたが、周波数を向上させる必要性が出てきました。いろいろ案はありますが、まずは①からやってみようかと思っています。
①FET周りの回路パラメータをいろいろ触ってみる。（抵抗など）
②FETを低ON抵抗のものを選定しなおす。
③放電ギャップを縮める。
④アクティブFET　ON/OFF制御

改善のためいろいろ触っている中華キットにだんだん愛着がわいてきました。やっぱりわかってくると面白いものですね。本記事を書きつつもっと改善したい気になってきました。

明日から四国お遍路に行ってきます。歩きながらでもアイデアを練ってみたく思います。

最後までお読みいただきありがとうございました。どうぞ暖かく見守っていただければと思います。