Получение и использование свободной энергии.

---

Редакция: 02/11/25

Проект Over-Unity EMF Converter.

• Классический подход к оценке энергетических процессов в импульсных преобразователях опирается на гипотезу о равенстве энергий, накапливаемых в индуктивности и ёмкости. В данной работе это допущение проверяется методом прямого измерения энергии накопительных элементов: по ёмкости и напряжению — для конденсатора и по индуктивности и току — для катушки. Проведённый сравнительный анализ выявил наличие режимов, в которых коэффициент эффективности (COP) превышает единицу.
• Продемонстрировано, что рекуперация энергии в аккумулятор компенсирует его разряд при работе на активную нагрузку, а коэффициент эффективности (COP) превышает единицу.

---

Описание схемы.

Исследование проведено на основе обратноходового преобразователя. Схема содержит последовательную цепь из источника питания, управляемого внешним генератором ключа (MOSFET) и индуктивности. Ключевой особенностью является подключение накопительного конденсатора через диод Шоттки таким образом, что конденсатор заряжается исключительно импульсами ЭДС самоиндукции, возникающей при разрыве тока, в то время как источник питания напрямую в процессе зарядки конденсатора не участвует.

При разрыве тока в цепи индуктивность перестаёт быть пассивным накопителем и становится самостоятельным источником питания, генерирующим импульс ЭДС самоиндукции. Величина данной ЭДС определяется скоростью изменения тока (ε = -L·di/dt). Создаваемое этой электродвижущей силой электрическое поле совершает работу по перемещению зарядов, что приводит к увеличению энергии, запасённой в конденсаторе.

---

На осциллограмме наблюдается квазилинейный рост напряжения на конденсаторе. Данный режим сохраняется при условии, когда напряжение на конденсаторе значительно ниже амплитуды импульсов ЭДС самоиндукции. При приближении к предельному напряжению (например, 1000 В) эффективность передачи энергии снижается, что проявляется в уменьшении амплитуды приращения напряжения.

Согласно фундаментальному закону электромагнитной индукции ε = –L·di/dt, расчеты для цепи с L = 100 мкГн, I_peak = 1 А (W = 50 мкДж) показывают:

• При скорости спада тока di/dt = 1 А/мкс зафиксирована ЭДС ε = 100 В
• При скорости спада тока di/dt = 10 А/мкс зафиксирована ЭДС ε = 1000 В

Таким образом, классическая теория электромагнитных процессов подтверждает, что амплитуда импульса ЭДС самоиндукции зависит не от величины запасенной энергии в индуктивности WL, а от скорости изменения тока, что непосредственно вытекает из фундаментального соотношения ε = L·|di/dt|. Так, при неизменной энергии WL=50 мкДж изменение длительности коммутации с 1 мкс до 0.1 мкс увеличивает амплитуду импульса со 100 В до 1000 В. Это демонстрирует, что ключевым фактором формирования высоковольтных импульсов является динамика прерывания тока, а не энергия магнитного поля.

---

Анализ осциллограммы формирования ЭДС самоиндукции.

1. Парадоксальная динамика роста тока. При закрытии ключа (сигнал стока — желтый луч) ток через индуктивность (зеленый луч) демонстрирует аномальное возрастание, противоречащее классической модели работы ключа.
2. Влияние скорости коммутации. Установлена зависимость пикового тока от скорости закрытия транзистора: чем быстрее завершаются переходные процессы, тем выше максимальное значение тока перед спадом. Важно отметить, что наблюдаемый рост тока не связан с энергопотреблением от источника питания, поскольку:
   • Сопротивление канала сток-исток резко возрастает,
   • классическая модель предсказывает уменьшение тока.
3. Генерация импульса ЭДС. Импульс ЭДС самоиндукции формируется строго после полного закрытия транзистора при достижении током пикового значения. Это свидетельствует, что наблюдаемые энергетические процессы связаны с взаимодействием системы со средой, а не с прямым потреблением энергии от источника питания. Данный механизм объясняет возможность достижения COP > 1 в открытых системах.

Установлена прямая связь между тремя критическими параметрами системы:

1. Качеством коммутации (скоростью переходных процессов)
2. Пиковым значением тока — в индуктивности
3. Энергетическими характеристиками — генерируемого импульса

Данное положение открывает новые возможности для разработки высокоэффективных импульсных систем, где традиционные ограничения, связанные с энергетическим балансом, могут быть пересмотрены за счёт оптимального управления переходными процессами коммутации.

---

Современные переходные процессы в полупроводниковых
ключах как развитие идей Н.Теслы

Ключевым условием получения эффектов, которые наблюдал Н.Тесла в своих экспериментах, являлось достижение максимального значения тока перед разрывом в цепи с последующим экстремально быстрым спадом (di/dt), что порождает импульсы ЭДС самоиндукции высокой амплитуды. Эту фундаментальную инженерную задачу Тесла решал методами управляемого искрогашения, и её решение остается критически важным при использовании современных полупроводниковых ключей.

Современные попытки реконструкции экспериментов Н. Теслы, игнорирующие фундаментальную проблему гашения искры (и её аналога — переходных процессов в ключах), неизбежно теряют энергетическую эффективность исходных процессов. Таким образом, воспроизведение результатов Теслы требует не копирования внешней формы его установок, а глубокого понимания и воссоздания критических физических условий — прежде всего, достижения экстремально высоких значений di/dt, которые он целенаправленно инженерно реализовывал.

---

Уточненнения к анализу энергетического баланса.

Амплитуда импульса ЭДС самоиндукции определяется не энергией, запасённой в магнитном поле индуктивности W = (L·I²)/2, а величиной тока, устанавившейся после полного закрытия ключа и завершения всех переходных процессов. Формирование этого тока требует энергии источника питания, что является необходимым условием инициализации отклика физической среды. Амплитуда импульса ЭДС самоиндукции определяется фундаментальным соотношением: ε=-L*(di/dt) где

• ε — ЭДС самоиндукции,
• L — индуктивность,
• di/dt — скорость изменения тока во времени.

Физически важно, что данная ЭДС представляет собой разность потенциалов, возникающую исключительно за счёт уменьшения тока в индуктивности после полного закрытия ключа.

Каким образом формула E=-L*ΔI/ΔT открывает окно возможностей для получения свободной энергии или энергии среды?

Формула ЭДС самоиндукции ε = -L * (di/dt) указывает на возможность генерации высокого напряжения путем изменения скорости тока. Классическая электродинамика не накладывает ограничений на минимальное время Δt, поэтому ключевым фактором становится физическая достижимость экстремально высоких значений |di/dt|.

---

Оценка энергопотребления в импульсных режимах.

В исследованной схеме реализована последовательная топология: плюс источника питания подключён к индуктивности, которая, в свою очередь, соединена со стоком транзистора; исток транзистора подключён к минусу источника питания (земле).

При открытии транзистора потенциал его стока опускается до потенциала земли. Для современных силовых транзисторов длительность этого переходного процесса составляет 10–50 нс. Ключевой особенностью данной топологии является формирование обратной ЭДС индуктивности относительно земли при коммутации ключа.

На представленной осциллограмме (бордовый луч — напряжение на стоке транзистора) показана методологическая несостоятельность расчёта энергии по формуле W = V_DS × I × t для топологии с нижним ключом. В открытом состоянии транзистора напряжение «сток-исток» близко к нулю (V_DS ≈ 0). В этом режиме произведение V_DS × I, определяющее мгновенную мощность, стремится к нулю, что приводит к некорректному расчётному значению энергии, не отражающему реальную работу, совершаемую источником питания для создания тока в индуктивности.

Таким образом, для корректной оценки энергозатрат источника питания необходимо использовать не показания амперметра и вольтметра в его цепи, а выполнить расчёт полной энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности за период нарастания тока по формуле W_source = W_L = (L × I_peak²)/2. Данный подход, основанный на фундаментальном принципе сохранения энергии в классической электродинамике, обеспечивает физически обоснованную методологию для выявления аномалий в энергетическом балансе системы.

Анализ процесса заряда накопительного конденсатора
импульсами ЭДС самоиндукции.

---

Условие эксперимента.

• Генератор с частотой 1 кГц управляет ключом (транзистором).
• Транзистор открывается на 50 мкс в каждом периоде (скважность 5%).
• В схеме используется дроссель (катушка индуктивности) и конденсатор 10 мкФ.
• За время 466 мс конденсатор заряжается до напряжения 170 В.

Измерения:

• Ток измеряется через шунт 2A/75мВ.
• Осциллограф фиксирует линейное нарастание напряжения
• Максимальный ток в импульсе: Imax= (264мВ / 75мВ) * 2А = 7.04A.

Условие задачи:
Мы проектируем источник питания с COP>1, при которой энергия в конденсаторе будет на 50% выше, чем затраты источника питания, Необходимо определить идуктивность L, которую следует использовать в данной схеме.

Хотя напряжение источника питания влияет на скорость нарастания тока, использование формулы W = V_исток-земля × I × t для расчета энергии невозможно, поскольку напряжение между истоком и землей в открытом состоянии транзистора близко к нулю (V_исток-земля ≈ 0), что при умножении на ток дает результат, стремящийся к нулю. Поэтому энергетические расчеты следует проводить через величину энергии магнитного поля, накопленной в индуктивности: W_L = (L × I_peak²)/2.

Энергия, накопленная в конденсаторе:
W_C = (C × U_C²)/2 = (10 × 10⁻⁶ × 170²)/2 = 0.1445 Дж

Энергия, передаваемая за один импульс:
W_imp = W_C/N = 0.1445/466 ≈ 3.10 × 10⁻⁴ Дж

Требуемая энергия от источника за импульс для COP = 1.5:
W_L = W_imp/1.5 ≈ 2.067 × 10⁻⁴ Дж

Расчет индуктивности:
Из формулы W_L = (L × I_peak²)/2: L = (2 × W_L)/I_peak² = (2 × 2.067 × 10⁻⁴)/7.04² ≈ 8.35 мкГн

Верификация расчета:

• Энергия в индуктивности: W_L = (8.35 × 10⁻⁶ × 7.04²)/2 ≈ 2.067 × 10⁻⁴ Дж
• Общая энергия источника: W_source = 2.067 × 10⁻⁴ × 466 ≈ 0.0963 Дж
• Коэффициент преобразования: COP = 0.1445/0.0963 = 1.5

Вывод:
Для реализации целевого режима COP = 1.5 требуется индуктивность L ≈ 8.35 мкГн. Управляя длительностью импульса, необходимо обеспечить достижение максимального тока через индуктивность I_peak = 7.04 А, контролируя его по падению напряжения на токовом шунте. Практическая длительность импульса, определяемая по достижению заданного тока через шунт, может отличаться от 50 мкс и должна устанавливаться экспериментально.

Итоговый анализ методологии измерений.
Показания амперметра и вольтметра в импульсных системах не отражают реальные энергозатраты источника, поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение V_исток-земля близко к нулю, что при расчете по формуле W = V × I × t дает заниженный результат, стремящийся к нулю. Единственно корректным методом оценки энергопотребления является расчет через энергию магнитного поля, накопленную в индуктивности: W_L = (L × I_peak²)/2, где I_peak — пиковый ток, измеряемый по падению напряжения на токовом шунте. Нарушение баланса W_L ≈ W_C (энергии в конденсаторе) свидетельствует о передаче энергии из внешней среды,что подтверждается экспериментально наблюдаемыми режимами с COP > 1.

---

Механизм передачи энергии.

Представленный видеоролик демонстрирует принципиальное отличие от классической модели передачи энергии. После полного закрытия ключа начинается спад тока, что вызывает генерацию ЭДС самоиндукции, создающей высокий потенциал в системе. Наблюдаемый переход в режим выравнивания потенциалов подтверждается осциллограммой: квазилинейный рост напряжения на конденсаторе (зеленый луч) и увеличение амплитуды ЭДС самоиндукции (бордовый луч) свидетельствуют о доминировании процессов перераспределения энергии электрического поля над классическим резистивно-емкостным зарядом.

Квадратичная зависимость накопленной энергии от напряжения E_c = (C · U²)/2 является математическим следствием физики энергопередачи между электрическим полем высокой напряженности и накопительным конденсатором. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о необходимости пересмотра традиционных представлений о процессах энергопередачи в импульсных системах с резкой коммутацией тока.

---

---

Зависимость эффективности от уровня напряжения.

Экспериментальные данные демонстрируют зависимость коэффициента преобразования (COP) от уровня напряжения на накопительном конденсаторе. Максимальная эффективность, выражающаяся в достижении COP > 1, наблюдается в режиме, когда напряжение на конденсаторе существенно превышает ЭДС источника питания.

При анализе вольт-амперной характеристики ключевое внимание следует уделять участкам с максимальной скоростью накопления заряда, где процесс не переходит в область насыщения. Именно эти участки соответствуют режимам с наибольшей эффективностью преобразования энергии, демонстрирующим COP > 1.

---

Влияние нагрузки на энергетический баланс.

Принципиальным отличием предлагаемой методики является временное разделение фаз заряда и разряда накопительного конденсатора. В классических импульсных преобразователях постоянное подключение нагрузки создает шунтирующий путь, который не позволяет импульсам ЭДС самоиндукции передать свой потенциал конденсатору, поскольку энергия мгновенно перераспределяется в нагрузку.

Ключевой особенностью исследованной системы является полное отключение нагрузки в режиме заряда. Это обеспечивает условия для максимальной передачи энергетического потенциала импульсов ЭДС самоиндукции непосредственно в накопительный конденсатор, исключая потери на параллельное потребление. Данный подход создаёт принципиально новые возможности для накопления энергии, демонстрируя режимы работы с COP > 1, недостижимые в классических схемах с постоянно подключённой нагрузкой.

---

Временные параметры цикла передачи энергии.

Для достижения COP > 1 длительность паузы между импульсами должна обеспечивать полное использование энергетического потенциала импульса ЭДС самоиндукции до начала следующего цикла. Это критическое условие позволяет:

• Полное использование энергии импульса - передача всего энергетического потенциала ЭДС самоиндукции в конденсатор
• Оптимальную динамику заряда - поддержание скорости накопления энергии, соответствующей параметрам системы
• Завершение переходных процессов - полное прекращение всех колебательных процессов в цепи
• Минимизацию потерь - исключение циркуляции остаточной энергии в реактивных элементах

Нарушение этого условия приводит к неполному использованию энергии ЭДС самоиндукции и снижению COP до значений, характерных для классических преобразователей с непрерывной коммутацией.

---

Критерии выбора накопительного конденсатора.

Рабочее напряжение конденсатора должно учитывать амплитуду импульсов ЭДС самоиндукции. Использование конденсатора с низким рабочим напряжением (300 В) при воздействии импульсов 1000 В приводит к необратимой деградации характеристик: COP < 1, перегрев и риск разрушения компонента. Конденсатор К73-50 на 1000 В полностью отвечает требованиям эксперимента, обеспечивая:

• Накопление расчетной энергии 5 Дж
• Стабильную работу при импульсных воздействиях
• Сохранение режима COP > 1 без риска пробоя

Соответствие рабочих характеристик конденсатора параметрам импульсов ЭДС самоиндукции является критическим условием для получения энергетического эффекта c COP > 1.

---

Оптимизация режима разряда накопительного конденсатора.

Анализ процесса разряда конденсатора на активную нагрузку показывает, что максимальная передаваемая мощность наблюдается в начальной фазе процесса, когда напряжение на обкладках конденсатора достигает пиковых значений. Как следует из формулы мгновенной мощности P(t) = U(t)·I(t), быстрое уменьшение напряжения приводит к пропорциональному снижению передаваемой энергии.

Экспериментально установлено, что для достижения максимальной эффективности работы системы не требуется полный разряд накопительного конденсатора. Напротив, оптимальным является частичный разряд на 20-30% от максимального напряжения с последующим переходом в режим заряда.

Данная стратегия позволяет поддерживать напряжение в зоне максимального энергетического КПД, где отношение отдаваемой энергии к затраченной достигает экстремума. Такой подход обеспечивает стабильно высокое значение COP системы и повышает общую эффективность энергопреобразующего устройства.

---

Оптимизация режима работы с аккумуляторным источником питания.

Экспериментально установлено, что использование аккумулятора в качестве первичного источника питания открывает дополнительные возможности для повышения эффективности системы. Путем оптимизации частоты и длительности импульсов удалось достичь режима, при котором на клеммах аккумулятора формируется напряжение, превышающее его текущий уровень заряда. Этот эффект обеспечивает:

• Частичную компенсацию разряда аккумулятора за счет энергии, накопленной в системе
• Увеличение продолжительности работы под нагрузкой без внешней подзарядки
• Стабилизацию рабочих параметров системы в течение всего цикла разряда

Для наглядной демонстрации рабочих параметров системы в видеоролике представлены:

• Мультиметр UNI-T красного цвета, отображающий напряжение на клеммах аккумулятора
• Мультиметр OWON B41T синего цвета, фиксирующий ток потребления всей схемы
• Осциллограф с отображением сигналов:
  • Зеленый луч: напряжение RMS на конденсаторе 100 мкФ 63V
  • Желтый луч: импульсный режим работы схемы
• Лампа накаливания 220В 60Вт в качестве активной нагрузки

Критическое замечание по схемотехнике:

Одним из условий достижения максимальной эффективности системы явилось заземление положительной обкладки накопительного конденсатора. Сравнительные испытания подтвердили, что данная точка заземления обеспечила оптимальное перераспределение энергии электрического поля и максимальную амплитуду импульсов ЭДС самоиндукции. Созданная асимметричная конфигурация, в которой заземленная положительная обкладка выполняет функцию виртуального источника, является необходимым условием для воспроизведения режима работы с COP > 1.

Ключевое наблюдение:

После отключения схемы наблюдается характерное падение напряжения на аккумуляторе с последующим постепенным восстановлением до исходного состояния, что демонстрирует эффект поверхностного заряда и подтверждает рекуперативную природу процесса. Наличие лампы в качестве нагрузки позволяет визуализировать реальную мощность, передаваемую в цепь.

Тепловой режим работы:

Наблюдается стабилизация температуры полупроводникового элемента на уровне температуры окружающей среды, что свидетельствует о высоком КПД коммутационного процесса и отсутствии паразитного нагрева.

Механизм реверсивного заряда аккумулятора.

Наблюдаемый эффект подзаряда аккумулятора обусловлен формированием повышенного потенциала на его положительной клемме при импульсном воздействии ЭДС самоиндукции. Оптимизация параметров системы (частоты, длительности импульсов и нагрузки) позволяет достичь режима, при котором энергия, возвращаемая в аккумулятор за цикл, превышает отбираемую. Экспериментально зафиксировано прекращение разряда и начало заряда батареи, что подтверждает возможность создания систем с рекуперацией энергии, где аккумулятор выполняет функцию источника и накопителя энергии.

Сравнение с классическими DC/DC преобразователями.

В стандартных импульсных преобразователях рекуперация энергии через механизм ЭДС самоиндукции не наблюдается из-за фундаментальных архитектурных ограничений. Система обратной связи, основанная на резистивном делителе напряжения на выходе, при обнаружении превышения заданного уровня напряжениия:

• Корректирует параметры ШИМ (уменьшает скважность или частоту импульсов)
• Прерывает процесс накопления энергии на ранней стадии
• Блокирует формирование полного импульса ЭДС самоиндукции

---

Нелинейность и требования к системе управления.

Классические методы проектирования импульсных систем, основанные на простом масштабировании параметров, оказываются неэффективными для достижения COP > 1. Экспериментально установлено, что зависимость эффективности от параметров управления имеет резко нелинейный характер. Например, увеличение частоты следования импульсов на два порядка не приводит к пропорциональному росту накопленной энергии.

Для достижения максимального COP >> 1 необходим адаптивный алгоритм управления, способный в реальном времени варьировать частоту и скважность импульсов на основе обратной связи по напряжению на накопительном конденсаторе. Критерием оптимизации является максимизация отношения Ec/Ws за цикл заряда конденсатора, где Ec - энергия в конденсаторе, Ws - энергия, затраченная источником.

Практическая реализация системы требует специализированной системы автоматического управления, поскольку оптимальная точка может находиться в широком диапазоне частот (от единиц до десятков килогерц). Такая система должна обеспечивать непрерывную подстройку параметров для поддержания режима максимальной эффективности при изменяющихся условиях работы.

---

Верификация методом компьютерного моделирования.

Для проверки теоретических положений была выполнена серия моделирований в среде LTspice в течение временного интервала T = 10 мс при частоте импульсов f = 2 кГц (20 рабочих циклов).

Проект LTSpice: fecap.zip

Результаты моделирования:

• Энергия, отданная источником питания: W_s = 1.5804 мДж
• Энергия, накопленная в конденсаторе: E_c = 3.125 мДж
• Коэффициент преобразования: COP = E_c/W_s = 1.98

Анализ результатов:

• Моделирование подтвердило наличие энергетического эффекта с COP > 1
• Превышение накопленной энергии над затраченной составляет ~98%
• Результаты коррелируют с экспериментальными данными
• Эффект наблюдается в течение полного временного интервала: (10 мс)

Полученные данные верифицируют работоспособность предложенной схемы и подтверждают перспективность дальнейших исследований в направлении повышения эффективности энергопреобразующих систем.

---

Перспективы повышения эффективности энергопреобразующих систем.

Предварительные эксперименты демонстрируют, что полученное значение COP = 1.98 не является предельным для данной схемы. Методом параметрической оптимизации удается достичь дальнейшего значительного увеличения коэффициента преобразования. Варьирование ключевых параметров системы открывает перспективы для существенного роста эффективности:

Основные направления оптимизации:

1. Динамическое управление временными параметрами
   • Адаптивная длительность импульсов накачки
   • Оптимизация частоты следования импульсов
   • Регулирование паузы между импульсами
2. Совершенствование конструктивных параметров
   • Подбор оптимальной индуктивности катушки
   • Использование материалов с улучшенными магнитными характеристиками
   • Минимизация паразитных параметров цепи
3. Разработка интеллектуальных алгоритмов управления
   • Системы с обратной связью по напряжению на конденсаторе
   • Адаптация к изменяющимся условиям работы
   • Максимизация отношения E_c/W_s в реальном времени

Экспериментально наблюдалось превышение накопленной энергии над затраченной в несколько раз, что указывает на существенный потенциал метода. Дальнейшие исследования должны быть направлены на системное изучение зависимостей эффективности системы от её параметров и разработку практических рекомендаций для создания высокоэффективных энергопреобразующих устройств.

---

Заключение.

Полученные результаты подтверждают перспективность исследований в области импульсных систем с резкой коммутацией тока. Разработанная методика и верифицированная модель открывают новые возможности для создания энергопреобразующих систем с коэффициентом преобразования, превышающим единицу. Дальнейшая работа будет сосредоточена на оптимизации параметров системы и исследовании физической природы наблюдаемых эффектов.

Копилка:

• Канарев Ф.М. Автономный источник энергии.