2017年8月8日火曜日

「発振回路の永久コマ」や「ソーラーゆらゆら人形」がなぜうまく同期するのか?考えてみました。

以前、作った「弛張型発振回路の永久コマ」
なぜ、「発振回路」と「コマの回転」がうまく同期して 回り続けるのか?
よくわかってなかったので、考えてみることにしました。
 

「発振回路の永久コマ」以外の
「リードスイッチを使った永久コマ」や、
2種類の太さのコイルを同じ鉄心に巻き、トランジスタ1個で制御する永久コマ」は
コマの磁石により、スイッチングしてるので、
同期するのは理解できるのですが・・・

100均のソーラーゆらゆら人形も
発振回路になっていて、
恐らく同じような理由でうまく同期して、綺麗に揺れ続けるのだと思います。
完全に同期しないと、途中 つまづいたような揺れが出てくると思います。
(発振周波数は永久コマに比べ、かなり低いです。2Hz程度?)


「発振回路の永久コマ」の回路図です。


以下、電磁石両端の波形です。
コマを回していない状態の電磁石両端の電圧波形
(22Hz、正最大電圧約1.5V、逆起電力約2.2V)
 

電源をオフにして、コマを回したときの電磁石両端の電圧波形
コマを回すと、コマに貼った磁石が電磁石の上を横切り、
電磁誘導が発生します。     
周期、発生電圧はコマの回転速度により、変化します。
(下は約66Hz0.03V発生しています。
電源オンで安定して回転しているとき、だいたいこれくらいの速度と思います。

コマが安定して回っているときの電磁石両端の電圧波形
①の発振回路の波形に②の電磁誘導の波形が重なった感じです。

左はコマが電磁石に接近しているとき、
右はコマが電磁石から離れた位置にあるときで
上の映像のようにコマが公転軌道を描くようなときは
この下の波形の左~右を繰り返す感じです。
公転せず、定位置(電磁石の真上で回転)のときは ほぼ左の状態です。

コマの回し初めから、安定して回り始めた時までの波形の映像です。
コマは上の映像のように、公転軌道を描くように回っていて
電磁石に接近したり離れたりしています。

この映像の最初 速くコマをまわしました。
映像の3秒~6秒目あたり、オフ時に波数が3つ少々見えます。
オン時の回転も含めると 恐らく1周期の間に4回転しているような気がします。
7秒目以降は3回転になったような気がします。
6秒目から7秒目では発振周波数も大きく変化しています。
安定後も 刻々と周期が変わっているようですが、
いずれの場合も 誘導電圧が負から正に変わる瞬間に
電磁石がオンになるように見えます。


ピンクの丸の波数は、
コマの重さ や 電池電圧、コマと電磁石の位置等で変化すると思います。
(波数が多いほど高速回転)
以前、もう少し重いコマの時は、波数は1.5でした。
今回のピンクの丸の波数は2.5で
発振回路のオフ時にコマは2.5回転し、
オン時に0.5回転するのかな?と思います。

<私の考察>
上の波形を元に以下のように考察してみましたが、自信はありません。
間違い等、ご指摘頂けると幸いです。

考察①
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧は下の図のようになります。

考察②
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧とコマの位置関係を考えてみました。
磁石のN極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の正の最大(②のところ)
磁石のS極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の負の最大(④のところ)
になると思います。

考察③
コイルに流れる電流は、電圧よりも位相が90度遅れます。(理論上)
そのため、下の②の状態の時、電磁石に電池からの電流が流れはじめたときに
N極同士が反発して回転力を増します。
③の状態のときもコイルに電流は流れ続けていて、
S極はN極に引き寄せられ回転力を増します。
④の状態のときに、電池からの電流は切れますが、
慣性力でコマは回転を続けます。

コマの磁石がコイルの上で移動するときに発生する誘導電圧が
負から正に変わる瞬間に電磁石がオンになることが、
うまく同期するポイントになっていると思います。
(のところ)
この状態でうまくトリガが働き、オンになるのでしょうか?
また、オフになるタイミングも
誘導電圧が正から負に変わる瞬間のような気がします。
(のところ)


この装置、磁石を逆極性で貼らなくっても
例えば、N極、N極を下に向けて貼っても回転し続けます。

そのときの電磁石両端の波形です。
一見、コマによる電磁誘導は見られませんが・・・

拡大すると、やはり電磁誘導が発生してるのがわかります。
この場合は発振回路のオフ時にコマは0.75回転し、
オン時に0.25回転するのかな?と思います。

同極なので、N極が近付くか離れるかによる電磁誘導です。
N極、S極を下にしたときよりも、弱い電磁誘導になっています。
(さらに回転速度が落ちるので尚更弱くなります。)

誘導電圧発生時の波形で
異極(コマの磁石N、S)と同極(コマの磁石N、N)の位置を考察してみました。

異極のときも同極のときも、②のときにN極がちょうど左にくることで
電磁石とコマの磁石がうまく反発して回転力を得るのかな?と思います。
①の位置は異極の場合はN極が近づきS極が離れるので、Nが下ですが、
同極の場合はN極が近づきN極が離れるので、N1が斜め下になるような気がします。
異極の場合は上の①~④で1回転だけど、
同極の場合は①~④で半回転しかしないので、回転速度が遅くなり、
1回 発振する間に、コマは1回転しかしないように思います。


100均のソーラーゆらゆら装置の場合
私の持っているオシロスコープでは残念ながら綺麗な波形が取れませんでしたが
逆起電力はほとんど発生していないようです。

ソーラーゆらゆらで不思議なのは
磁石の下側をN極にしてもS極にしてもうまく揺れ続ける点だと思います。
この場合も上と同じように考察してみました。
(波形がとれなかったので、「永久コマ」のものを使って考えてみます。)


100均のソーラーゆらゆらではソーラーパネルが小さいため
ソーラーパネルと並列に電解コンデンサを接続し、
発振回路オフ時にコンデンサに電荷を溜めておき
発振回路オン時に、(コンデンサ+ソーラーパネル)から電流を送ることで
パワーアップさせてると思います。




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。

4 件のコメント:

  1. これは難しいですね、結果的には独楽が回転することで電磁石がその回転に同期する事でさらに独楽が回るのでしょが、初めてこの回路を考えた人に聞いてみたくなりますね。

    返信削除
    返信
    1. 啄童さん、コメント下さってありがとうございます。
      発振回路に別の電磁誘導が影響して、難しい問題ですよね
      初めて、弛張型発振回路を考えた人も、この回路でコマを回すことまで考えてなかったかも・・・(笑)
      ひょっとすると、弛張型発振回路じゃなくっても、outに電磁石を接続すれば、他の発振回路でもうまく同期するのかも知れないですね。また機会があれば試してみようと思います。

      ところで、啄童さん ファイアピストン13本作られたのですね。
      着火率も100%とのこと・・・すごいですね。
      ヤフオクにも出品されたのですね♪

      削除
  2. このコメントは投稿者によって削除されました。

    返信削除
  3. このコメントは投稿者によって削除されました。

    返信削除