2016年10月11日火曜日

「写ルンです」とコッククロフト・ウォルトン回路で高電圧発生装置

「写ルンです」のフラッシュ回路で乾電池(3V)から交流(約800V)を発生させ、
さらにコッククロフト・ウォルトン回路で6400V(計算上)の直流にまで昇圧させるという実験です。


(コッククロフト・ウォルトン回路でなぜ段数に応じて昇圧できるのか?
このページの下の方に考察もしています)

約6400Vってかなり危険じゃないの?と思いますが
電流はかなり少なく、人命に影響を及ぼすことはありません。
ただ、さすがに電圧が高いため、触ると大きな衝撃があります。

作品が出来上がってからよりも、カメラを分解する過程で
電解コンデンサに多くの電荷がたまったものを触るとかなり危険です。
(電解コンデンサ100uFは今回使用するセラミックコンデンサの約1万~100万倍の容量です。)
①分解前には充電用のスイッチを入れない。
②電解コンデンサをショートさせてから基板に触れる。(やり方は下記参照)
必ずこの2点には注意して下さい。

使い捨てカメラ「写ルンです」です。

まず、ラベルの上部と下部にカッターナイフで切り込みを入れます。

下の方には電池が入っているので、抜き取ります。

カメラはネジ留めではなく、はめ込みになっているので、
爪の部分にドライバーを入れて、こじ開ける感じです。

ふたが開きました。

まずコンデンサをショートさせます。
下の写真のハンダ2ヶ所に同時にドライバーを当てます。
もし、電荷が残っているとバチッと音がしてショートします。
電荷が残ったままだと、かなり危険なので必ずやって下さい。


基盤を本体から取り外します。
基盤の真ん中あたりに爪があるので、爪をドライバーで押して基盤を持ち上げます。

外した基盤

電解コンデンサ、スイッチ、電池のプラス側の一部をニッパなどで切り取ります。
フラッシュは裏のハンダを溶かして外します。

裏側はこんな感じです。


                回路の仕組みは
     ①ダイオード1、トランジスタ、トランスの1部で交流(発振回路)に変換
     ②トランスで約300Vまで昇圧
     ③ダイオード2とコンデンサで直流に変換
     ④電解コンデンサ(100μF、耐圧300V)を充電する。(充電が完了するとLEDが点灯)
     ⑤シャッターが押されると、トリガーコイルを経由して
                             電解コンデンサの電荷がフラッシュのキセノン管に印加され発光する。

今回利用するのは、①~②のところです。
③の直流に変換する前のところで、交流電流を取り出します。

下図①の充電用のスイッチをハンダ付けします。
クリップなどで押さえておくとハンダ付けしやすいです。

直流に変換する前のところから取り出すため、
トランス両端の②'、③' にリード線を接続してもいいのですが、
ハンダしやすいように、②と③に接続しても大丈夫です。
はダイオードのアノード側
は電解コンデンサの付いていた上側の電極です。

表側はこんな感じです。

出力電圧は単3乾電池1本を接続した場合は約300~400Vの交流、
単3乾電池2本を接続した場合は約700~800V程度の交流になると思います。
交流と言っても綺麗な正弦波ではなく、ギザギザの高周波の交流です。
(ブロッキング発振回路)

今回は単3乾電池2本を繋いで、DC3V→AC800Vとします。

次にコッククロフト・ウォルトン回路(AC800V→DC6400V)を作ります。
(計算上6400Vですが、実際にはこの半分程度の電圧かな?と思います。)

準備するコンデンサ、ダイオードは入力電圧の2倍必要です。
(今回は耐圧2kV以上のコンデンサとダイオード)
コンデンサ容量は1000pF~10000pF程度でOKです。
(もっと幅広い容量のものでも大丈夫と思いますが、試していません。)

耐圧の高いコンデンサはあまり販売されていませんが、
「高耐圧コンデンサ」などで検索するといくらか出てくると思います。
例えば、
共立エレショップ
鈴商
E-Junction
(2016年10月時点の情報です。リンク切れになっていたらすみません。)

ダイオードは耐圧1kVまでのものが多く販売されていますので、
例えば
秋月電子通商
2本直列にして耐圧2kVとします。
(順方向降下電圧分も2倍となりますが、800Vに対して2V程度なので気にしなくていいですね。)

今回は、セラミックコンデンサ(耐圧2kV、4700pF) 8個と
ダイオード(耐圧1kV) 16本で回路を作りました。


回路は下の図のようなイメージです。


部品同士を直にハンダ付けしてもOKですが
ユニバーサル基盤を使っても大丈夫です。
(ブレッドボードは耐圧が低いので、NGと思います。)


尖らせたようにハンダ付けをすると、コロナ放電をして電圧ロスが出るので
なるべく、尖ったところが出来ないようにハンダ付けします。

高電圧発生装置を露出したままにすると、
触ったときやコンデンサが破裂したときに危険なので、ケースに納めます。

スイッチと出力用のコードの穴を開けます。
ハンダごて 又はカッターナイフを熱したものなどを利用して穴を開け
やすりやルーターで研磨すると綺麗になります。
トルグスイッチはネジ留め出来るものもあります。


カメラのフラッシュ回路の基盤、電池ケース、スイッチをハンダ付けします。
カメラの基盤の右側がプラス極です。

カメラの基盤とコッククロフト・ウォルトン回路(入力端子)を接続します。
接続箇所は上の回路イメージを参照下さい。


ミノムシクリップ付きのリード線をケースの穴を通して
コッククロフト・ウォルトン回路(出力端子)に接続します。


電池を入れてふたをすれば完成です。

トグルスイッチを入れると、放電します。




以前作った 静電気振り子なども動かすことも出来ます。


(静電気実験のときは発泡スチロールで作りましたが、高電圧装置は木で作成しても大丈夫です。)


<コッククロフト・ウォルトン回路について自由研究>
コッククロフト・ウォルトン回路は段数に応じて昇圧します。
今回は4段組んだので、
入力(AC800V) × 4段 ×2 = DC6400V となります。(計算上)
実際にはそれほど出ていないと思います。

コンデンサが完全に充電されるまでは、
コンデンサC1からC2へ、C2からC3へ・・・C7からC8へと
電荷が送られていきます。

Vinが上のときは、奇数目のダイオードは順方向なので電流が流れますが、
偶数目は逆方向で電流は流れません。
Vinが下のときは、その反対になります。
C1は交流電源に繋がっているので、+-の逆転が続きそうな気もしますが、
C2が存在するために、上図のC1の右側がプラスの状態を維持します。


 どのように、C1からC2へ電荷を受け渡していくのかを考えてみます。
4段で考えると、かなり複雑になるので、1段だけにしました。
1段だけだと、倍電圧整流回路そのものになりますね。
倍電圧整流回路でなぜ2倍の電圧が得られるのかもわかります。
Vinが上になると、C1は常にqになります。
Vinが下になったときに、C1からC2に受け渡す電荷の量は
q、1/2q、1/4q、1/8q、1/16q・・・と等比数列となっていて、
その和は最終的に 2q に収束します。

こうやって見てみると、充電されるまでにかなり時間がかかりそうな気もしますが、
高周波で発振しているため、ほんの一瞬で充電されます。


では完全に充電されたときの電圧について考えてみます。
 このようにコンデンサC2の左足からC8の右足の端子間電圧は8V0となり、
入力電圧の8倍の電圧を得ることが出来ます。

(完全に充電された状態)=(電荷の移動がない状態)なので、
ダイオードで結んだところの電位は等しくなっています。
一方、上の図で省略しているダイオードには2V0の逆電圧がかかっています。

コッククロフト・ウォルトン回路の問題は
東京大学の試験問題としても出されたことがあるようです。
http://www.riruraru.com/cfv21/phys/tup11f.htm





これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。




36 件のコメント:

  1. いい勉強になりました。C2の電荷について重ね合わせの原理を当てはめてみました。この回路ではC1による寄与はq/2、電源による寄与もq/2なので、周期が一つ増えた時の電荷は、増える前の電荷の1/2+qになるというふうに納得しました。

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    1. 渡辺様、私の考えた考察にお付き合い下さってありがとうございます。
      読んで下さって、嬉しいです。
      そうですね、周期が一つ増えた時にC2に増える電荷量は、
      1/2q、1/4q、1/8q、1/16q・・・とその前に増えた電荷量の半分ずつになると考えました。

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    2.  そうなんですね。ただゼロ回目から1回目での増加量はqですのでここだけ合わないような気がしますが。
       C2の電圧がいずれ2V0になりますが、直感的に捉える為にC1の電気容量がC2よりも充分大きい場合を考えるとVinが下の時はC2を2V0で充電することになると考えられたことも納得の材料でした。

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    3. そうですね・・・私はC2以降は電源から直接電荷を受け取ることはなく、
      C1から徐々に受け取るのでは?と考えました。
      全てのコンデンサ容量をCとして
      まず、1周期目の上向きのとき、C1はq=CV0、C2は0
      1周期目の下向きのとき、C1の電荷量をQ1、、C2の電荷量をQ2とすると
      Q1+Q2 = q
      V0 + Q1/C - Q2/C = 0
      これを解くと、Q1=0、Q2=q
      2段目以降も同様に計算していくと
      Q2は、q、3/2q、7/4q、15/8q、31/16q・・・となり
      増加分は q、1/2q、1/4q、1/8q、1/16q・・・と
      その前に増えた電荷量の半分ずつになると考えました。

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    4. C1の静電容量がC2よりも充分大きい場合ですが、
      例えばC1の静電容量が100C、C2の静電容量がC とします。
      まず、1周期目の上向きのとき、C1はq=100CV0、C2は0
      1周期目の下向きのとき、C1の電荷量をQ1、、C2の電荷量をQ2とすると
      Q1+Q2 = q
      V0 + Q1/100C - Q2/C = 0
      q=100CV0
      これを解くと、Q1=99/101q、Q2=2/101q となり、
      大半はC!に電荷が残りそうな気がします??

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    5. 充電されたコンデンサを回路に組み入れ、
      個々のコンデンサの電荷量を求める計算は
      このサイトの一番下に書いてあるものなどが参考になります。
      http://www4.osk.3web.ne.jp/~moroko/physics(elec)/condenser/condenser.html

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    6. すみません。
      http://www4.osk.3web.ne.jp/ の先に行けませんでした。

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  2. ホームページ拝見しました。有り難うございました。
    「C2以降は電源から直接電荷を受け取ることはなく」。私にはこの視点が欠けていました。

     私の考えです。初期条件、電源電圧0、C1、C2の電荷0です。周期をTとします。
    0 Tから1/4Tの時まで電源電圧が上がり続けるのでD1がON、1/4Tの時C1に電荷qがたまります。

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  3. 1/4Tから2/4Tの時まで電源電圧が下がり続けるのでD1がOFF、D2がONになり、C1からC2へ電荷が移動し、2/4Tの時にC1、C2の電荷がq/2づつになります。
     理由は電気容量が等しいことと電源、D2を介してC2はC1に並列接続されている考えてよいからです。

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  4. 2/4Tから3/4Tの時までD1がOFF、電源電圧は逆向きに上昇し続けるのでD2がONになりC1からC2へ電荷の移動が進みます。この時電源からの電流はC1の電荷を減らしC2の電荷を増す向きです。3/4Tの時にC1の電荷は0、C2の電荷がqになります。
     理由は電気容量が等しいことと電源、D2を介してC2はC1に直列接続されている考えてよいことから、これに重ね合わせの原理を使ってみると電源からの供給電荷はともにq/2、電荷の符号も考慮して、2/4Tの時に重ね合わせるとC1の電荷は0、C2の電荷がqになります。

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  5. 3/4Tから4/4Tの時までD1がOFF、電源電圧は逆向きのまま下降し続けるのでD2がOFF
    になり次の周期を迎えることになります。

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  6. 次の周期ではC1にqが充電され並列接続分としてC1、C2にq/2づつ、電源からの直列接続分としてC1に-q/2、C2にq/2 、前1周期分のC2の電荷qも1/2づつ配分されたとしてC1にq/2、C2にq/2  合わせるとC1にq/2、C2に3q/2 になります。

    更に次の周期では同じように考えてC1にはq/2+(-q/2)+3q/4=3q/4
    C2にはq/2+q/2+3q/4=7q/4 を得ます。

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  7. C1の静電容量がC2 より充分大きい場合ですが私のことば足らずです。
    C1の電荷は少ししか減りませんのでC2の電圧は1周期分だけでも限りなく2V0に近づけることができます。現実には電位差を短時間で稼げても取り出し得る電流は極小ですから単なるイメージです。

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  8. 「その前に増えた電荷量の半分ずつになると考えました。」此処もきちんと捉えていませんでした。すみません。気付くのが遅すぎました。

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    1. いえいえ、とんでもないです。
      私自身、自分の考え方が正しいとは思っていません。
      もちろん、こんかな~?と思い 投稿したものではありますが・・・
      なので、ご意見を書いて頂けると、とてもありがたいし、勉強になります。
      どうかこれからも宜しくお願いします。

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  9. こちらこそ宜しくお願い致します。
    趣味で畑仕事をしていますが理科はこともの頃から好きで今でもキョロキョロ見ながら歩いています。だから、よく躓きます。

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  10.  コッククロフト・ウォルトン回路作ってみました。お陰様で約1cmで放電が継続しています。本当に有難うございました。上橋さんの実験がなければ試そうとも思わなかった私です。
     カメラら部品をまだ探せていませんので昔真空管アンプに使った電源トランス2次電圧380V×2を利用しました。ピークで1000V少しあることになりますが。0.01μFのコンデンサーでも50Hzではリアクタンスが大きいせいかスライダックで130V入力にしても放電が始まりません。ブロッキング発振のように急峻な立ち上がりがあればリアクタンスも下がります。i=△Q/△t=C△V/△t ここで△V/△tを大きくするために手持ちのトライアック制御の電圧可変装置(昔作ったものなのでノイズ源なのですが)を使ったところうまくいきました。これで水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、酸素、窒素の放電実験が可能になりホッとしています。基板は上橋さんのコピーです。有難うございました。

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    1. 渡辺聰明さん
      高電圧発生装置、作られたのですね。
      私の実験がきっかけとの嬉しいお言葉を下さってありがとうございます。本当に嬉しいです。
      水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、酸素、窒素の放電実験 凄いですね・・・実験の様子 見てみたいです。
      こちらこそ、嬉しいご報告を下さって、また意欲がわいてきました。本当にありがとうございます♪

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  11. こんばんは。
    高電圧実験の自作電源検討中です。。。
    写ルンです、が家に使わなないものでもあればいいのですが
    買えば(今でも売ってるんですね...)1000円くらい...壊すために買うのもと思って
    なんか別のものでと思ったのが電撃蚊取り。
    これは400円くらいで安くって分解もしやすそうです。
    http://www.kansai-event.com/kinomayoi/KATORI/KATORI.html
    ただ、中国製の品質がなり怪しい・・・
    うまいこと行けば元電圧が写ルンですより高いものがあるので
    少ない段数で昇圧できるかな...って気がします。
    どんなもんでしょうか?
    コメント頂ければ幸いです。

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    1. しんさん、

      「写ルンです」は私は使用済みのものをヤフオクで購入しました。
      「写ルンです 使用済み」で検索すれば、いくつか出てきます。

      電撃蚊取りラケットのこのページ、私も大好きで 以前から何度も拝見しています。
      この方凄いですよね。
      高電圧発生装置は私も「写ルンです」か「蚊取りラケット」にするか?迷ったのですが
      確か、コンデンサやダイオードの耐電圧の関係で、「写ルンです」にしたような気がします。
      もし蚊取りラケットの出力が、1500Vくらいなら耐圧3000V以上のものを用意出来れば、
      いけると思うのですが、最近販売されてる蚊取りラケットは、
      さらに高い電圧のものが、増えてきてるような気がします。

      少々の電圧オーバーでは、コンデンサの爆発などのトラブル等ないとは思いますが、
      やってみなくちゃわからない!ですね。

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    2. カトリは1500Vくらい出ますので楽かもしれませんね。
      以前は写ルンですではなく、コニカミノルタのワイワイワイドに凝っていた時期があり、まだ在庫がありまが、カトリよりは安いような気がします。
      あのページの画像
      http://www.kansai-event.com/kinomayoi/KATORI/KATORI_C4.gif
      は3倍圧で不思議な回路ですね。
      それとトランス・コイルに+が掛かると電蝕が起こるのか、出力線を-にしているみたいです。

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  12. 智恵先生、おはようございます♪

    ヤフオクで使用済みを買うって手を忘れてました。。。

    そのページご存知でしたか。あの方も凄い先生ですねー
    そうでしたか電撃蚊取りも検討されたんだ。。。
    確かに、いろいろ保障外の改造もしたり・・・だし、
    やってみないとわからん、、、おっしゃる通りですね!

    ありがとうございました!

    返信削除
  13. こんばんは
    記事読まさせていただきました!

    最近電子回路について学び始めたのですが、「電圧が高くても流れる電流が少なければ人体に問題はない」ということがいまいち分かりません。この回路でも「6400Vを発生できるが流れる電流は少ない」とありました。
    オームの法則では、流れる電圧が大きいほど電流も大きくなりますよね?
    初歩的なことなのかもしれませんが、この辺が分からないので詳しく教えていただけないでしょうか。

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    1. らぼさん、はじめまして。
      オームの法則で流れる電圧が大きいと電流が大きくなるのは、抵抗が一定の場合ですね。
      さらに、電流源がいくらでも電流を流せる場合ですね。
      電流は1秒間に何クーロン流せるか?で表されますが、
      今回使用したコンデンサは1個当たり1000pF~10000pF程度なので、
      それほどたくさんの電荷をためることが出来ません。
      静電気も電圧は高いですが、電流はごくわずかですね。

      削除
  14. おはようございます!

    回路図を参考に家庭用電源AC100Vの家庭用電源につないでみたところ、ダイオードが破裂してしまいました。(とりあえず段数は1段です)

    使用しているものは
    ダイオード(1000V1A)
    セラミックコンデンサ(2000V10000pF)です。

    抵抗を挟み忘れたことが原因と考えて、再度試そうとしておりますが、抵抗の挟む位置を念のため確認したいと思い、質問させていただきます。

    私としては、抵抗(510kΩ)を、交流電源と回路をつなぐ二つの入力の部分に挟もうと考えております。このような対策で先の原因は解決できるでしょうか?

    わかりづらい質問で申し訳ございません。。。

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  15. こんにちは コッククロフト・ウォルトン回路は奇数段が出来ないと聞いたんですが、どうなんでしょうか?

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    1. 恐らく下記のurlに書かれているようなことですね。
      このサイトではコンデンサ4個で4段昇圧とされています。
      これに合わせると、わたしのものは8段昇圧となり、奇数段は無理です。
      私のように、コンデンサの数の半分を段数と示してるサイトもあり、
      どちらの段数の数え方が正しいのかわからないですが、
      コンデンサ=ダイオードの数が奇数では無理ということではないでしょうか?
      https://www.bellnix.co.jp/2023/01/31/%E9%AB%98%E5%9C%A7%E9%9B%BB%E6%BA%90%E3%81%AF%E3%82%B3%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%83%95%E3%83%88%E3%83%BB%E3%82%A6%E3%82%A9%E3%83%AB%E3%83%88%E3%83%B3%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%A7%E4%BD%9C/

      削除
    2. コッククロフト・ウォルトン回路ではダイオード2個を1段とするようです。

      コッククロフト回路2段とダイオードを3個で実験してみました。
      3個の方はコッククロフトでないように思いますがちゃんと昇圧しまして、
      より高い電圧が出ました。

      9Vの電池をブーストコンバータ-に繋いで信号源としました。
      交流電圧をPPで表すので4.5V相当になると思います。

      コッククロフトは各段10.4V 24.5V 35.7V 50Vが出ました。
      5Wナツメ球負荷をかけると37.5Vまで落ちました。

      ダイオードを3個の方はカスケード増圧とでも言うんでしょうか?
      各段の電圧は36V 45V 74.5Vが出ました。
      5Wナツメ球負荷負荷をかけると35Vまで落ちました。
      回路インピーダンスが高いのかもしれません。

      次に投稿したページが有ります。
      https://bbs8.fc2.com//bbs/img/_887500/887414/full/887414_1685367503.jpg

      買ったのはアマゾンの検索窓で
      「B0B8ML7BFY」
      を入れると出るページです。
      「電圧レギュレータ XL6009 昇圧コンバーター ステップアップ 可変 電源モジュール」

      削除
  16. このコメントは投稿者によって削除されました。

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  17. bellnixさんのページを見ました。
    文章のつながりがややこしくて読みづらいです。
    「これをコッククロフト・ウォルトン4段昇圧といいます。」
    この部分ですね。
    書いて有るのはダイオードが4個ですから段数は2段だと思います。

    画像
    https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7b/Cockcroft_Walton_voltage_multiplier_circuit.svg/220px-Cockcroft_Walton_voltage_multiplier_circuit.svg.png
    (Wikiより)

    「それは高圧トランスは巻き線数が多く、容量をドライブするようになりパルス幅制御ができません。」
    とありますがデューティレシオを変えて制御できると思います。

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    1. 猫村さん、かなりお詳しいのですね。
      私の方、勉強不足ですみません。
      上記で紹介して下さった回路図や説明文、
      今後の参考にさせて頂きたいと思います。
      また色々と教えて下さいね。

      削除
  18. 写真を撮りました。
    https://bbs8.fc2.com//bbs/img/_887500/887414/full/887414_1685402237.jpg

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    1. ありがとうございます。
      写真があるとわかりやすいですね。
      ブーストコンバータを使った回路、ナイスアイデアですね♪

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  19. XL6009のコンバーターはアマゾン B08H14VMNV
    コッククロフトだと思ってたら、ブーストコンバーターに倍圧整流を組み合わせた回路になっていました。
    フィードバックを最終段から掛けると設計通りに67.5Vが出ました。
    1.25Vリファレンス側抵抗1.2KΩ、微調整半固定ボリューム10KΩ、分圧固定抵抗56KΩでした。
    ケミコン100μF/100Vはアマゾン B01CJEWDMC
    22μF/100Vはアマゾン B01CJEWCPA
    100V3Aショットキ-ダイオードアマゾン B07ZQN6SRS
    コンバーター出力1段目35V、2段目43.8V、3段目最終段67.7V
    5W/100Vナツメ球36.4mAでしたが、2分間変化はありませんでした。
    あの日のおもちゃ箱 昭和館さんもラジヲは展示品で鳴れば良いし、鳴らなくてもいいよと言ってたので、
    http://www.spa-yunogo.or.jp/showakan/
    ちょっとだけ鳴ったら良いらしいです。
    B回路のアース側の470Ωが切れているようなので、直してから鳴らしてみます。
    画像
    https://bbs8.fc2.com//bbs/img/_887500/887414/full/887414_1685614454.jpg

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  20. ラジヲに繋いだときの報告
    006P9Vアルカリ電池をコンバーター・倍圧整流回路出力を高圧回路に繋ぎました。
    ラジヲを、組み立てて直してからSWを入れると、最初電圧が20Vほどしか出ません、
    一度切って直ぐ入れると今度は67.5V出ました。
    入れた時ダッシュ電流でコンバーターの遮断回路が働くようです、
    入れて切って入れるをするか、50V位のゼナーダイオード、抵抗3.6KΩを通して、
    LEDを光らせるかですね。
    9Vの電池は直ぐへたるかと思ったら少しづつ電圧が落ちるようなので、
    2個パラったら良いと思います。

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    1. 猫村さん、色々とご報告頂き、ありがとうございます♪

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