Получение и использование свободной энергии.

---

Редакция: 02/11/25

Аннотация к проекту Over-Unity EMF Converter.

В работе исследован энергетический баланс при импульсном заряде накопительного конденсатора. Экспериментально выявлен режим с коэффициентом эффективности (COP) > 1, при котором запасённая в конденсаторе энергия превышает отданную источником. Показано, что основная причина эффекта — генерация ЭДС самоиндукции при резком прерывании тока, а не перенос энергии из магнитного поля индуктивности.

---

Описание схемы.

Исследование проведено на основе обратноходового преобразователя. Схема содержит последовательную цепь из источника питания, катушки индуктивности и управляемого ключа (MOSFET), который периодически прерывает ток. 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.

В момент разрыва тока индуктивность не является пассивным накопителем, а генерирует импульс ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС, величина которой определяется скоростью коммутации (L·di/dt), становится самостоятельным источником энергии в цепи. Именно эдс самоиндукции создаёт электрическое поле, которое совершает работу по перераспределению зарядов, повышая энергию в конденсаторе.

---

На осциллограмме наблюдается квазилинейный рост напряжения на начальном этапе заряда конденсатора. Данный режим соответствует условиям, при которых напряжение на конденсаторе существенно ниже амплитуды импульса ЭДС самоиндукции, определяемой соотношением L·|di/dt|. Однако по мере приближения напряжения на конденсаторе к предельному значению (например, 1000 В), эффективность передачи энергии снижается, что проявляется в уменьшении амплитуды приращения напряжения на осциллограмме. Таким образом, процесс заряда имеет принципиально нелинейный характер: начальный квазилинейный участок сменяется областью насыщения, где дальнейший прирост энергии ограничивается физическим механизмом генерации ЭДС самоиндукции.

Проведем математическое моделирование, устанавливающее количественную связь между скоростью изменения тока и амплитудой ЭДС самоиндукции при постоянном уровне энергии в системе. Для модели с параметрами L = 100 мкГн, I_peak = 1 А (W = 50 мкДж) получены следующие расчетные данные:

• 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

Установленная математическая зависимость подтверждает прямо пропорциональную связь ε = L·|di/dt| и демонстрирует, что при фиксированной энергии в системе изменение скорости спада тока на порядок приводит к пропорциональному изменению амплитуды ЭДС самоиндукции.

Результаты математического моделирования однозначно демонстрируют, что ключевым параметром, определяющим амплитуду импульса, является скорость изменения тока (di/dt), а не величина энергии, запасённой в магнитном поле. Это фундаментальное положение задаёт новый вектор для анализа и ставит под сомнение адекватность классического энергетического баланса, основанного исключительно на учёте величины W = L·I²/2 для описания переходных процессов. Таким образом, полученные результаты имеют принципиальное теоретическое значение, формируя основу для последующего критического пересмотра энергетического баланса в импульсных системах, основанных на прерывании тока.

---

Анализ осциллограммы формирования ЭДС самоиндукции.

1. Парадоксальный рост тока при закрытии — при закрытии ключа (сигнал стока - желтый луч) ток индуктивности (зеленый луч) демонстрирует парадоксальный рост, что противоречит модели работы ключа."
2. Зависимость пикового тока от скорости коммутации — Чем быстрее завершаются переходные процессы при закрытии транзистора, тем выше максимальное значение тока в индуктивности перед спадом. Критически важно, что наблюдаемый рост тока не связан с энергопотреблением от источника питания, поскольку в момент закрытия ключа сопротивление канала сток-исток резко возрастает, а классическая модель предсказывает уменьшение тока. Этот эффект составляет физическую основу для достижения COP > 1, так как дополнительная энергия в системе возникает без увеличения потребления от источника питания.
3. Формирование импульса ЭДС после завершения процессов — импульс ЭДС самоиндукции (синий луч) возникает строго после полного закрытия транзистора и достижения током пикового значения.

Критический вывод: Минимизация времени закрытия транзистора является ключевым фактором, позволяющим достичь экстремальных значения тока в момент полного запирания ключа. Это определяет формирование последующего максимума амплитуды импульса ЭДС самоиндукции в соответствии с фундаментальной зависимостью ε = -L·(di/dt).

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

Полученные результаты COP>1 подтверждают первостепенную важность оптимизации динамических характеристик ключевых элементов для эффективной генерации высоковольтных импульсов. Экспериментально доказано, что именно скорость коммутации, а не только величина начального тока, становится определяющим фактором при создании импульсов с экстремальными параметрами.

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.

Научная новизна работы состоит в экспериментальном подтверждении гипотезы о возможности управления амплитудой ЭДС самоиндукции через оптимизацию переходных процессов коммутации, что выходит за рамки классического энергетического баланса системы.

---

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

Переходные процессы в полупроводниковых ключах представляют собой современный аналог явления, изучавшегося Н. Теслой, — образования проводящего канала при коммутации цепей искровыми разрядниками. Как и в системах Теслы, эти процессы создают низкоомный путь, который не только препятствует резкому обрыву тока, но и ограничивает возможность его непрогнозируемого роста, наблюдаемого в экспериментах. Такое двойственное воздействие в конечном счёте ограничивает максимально достижимую амплитуду ЭДС самоиндукции.

Современные попытки реконструкции экспериментов Н. Теслы, игнорирующие фундаментальную проблему гашения искры (и её аналога — переходных процессов в ключах), неизбежно теряют энергетическую эффективность исходных процессов. Без целенаправленного создания условий для сверхбыстрого обрыва тока, достигаемого Теслой через сложные системы искрогашения, невозможно наблюдать те же масштабные энергетические эффекты, которые были центральным предметом его исследований. 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.

Достаточным условием генерации импульса с максимальной амплитудой является достижение предельной скорости спада тока (di/dt) после завершения переходных процессов в ключе. Определяющим фактором эффективности преобразования тока в высоковольтный импульс становятся физические параметры цепи (индуктивность, паразитная ёмкость и активное сопротивление).

Рассмотрим данный процесс в рамках классической теории цепей. После полного закрытия ключа начинается уменьшение тока в индуктивности, приводящее к возникновению ЭДС самоиндукции. Её величина 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. Для оценки энергетической эффективности процесса используется метод измерения энергии, накапливаемой в конденсаторе под действием этого потенциала, что позволяет количественно определить полезную работу, совершённую ЭДС самоиндукции в нагрузочной цепи.

Основной практической задачей настоящего исследования является экспериментальная оценка энергии, накопленной в конденсаторе в результате действия ЭДС самоиндукции. Схема подключения диода исключает возможность прямого заряда конденсатора от источника питания.

В отличие от теоретического подхода классической электродинамики, основанного на предполагаемом равенстве энергий Wl = LI²/2 и Wc = CU²/2, в работе применяется прямое измерение энергии, сформированной в конденсаторе, через его ёмкость и установившееся напряжение: Wc=CU²/2

Сравнение этой величины с энергией, отданной источником питания за цикл заряда конденсатора, позволяет количественно оценить эффективность преобразования энергии в системе.

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|.

Равные порции энергии, последовательно отдаваемые источником питания, обеспечивают рост напряжения на конденсаторе вплоть до предельных значений, определяемых физическими параметрами системы.

Количественная оценка параметров системы и практические рекомендации по достижению режима COP > 1 будут представлены в следующих разделах работы.

---

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.

---

Cтабилизация энергопотребления в импульсных режимах.

Проблема динамических просадок напряжения источника питания при резкой коммутации тока решена применением буферного накопителя. На выходе источника установлен электролитический конденсатор ёмкостью 10 000 мкФ, выполняющий роль локального резервуара энергии. Это решение обеспечивает стабильность напряжения питания при скачкообразном изменении потребляемого тока.

Стабилизированный режим работы источника подтверждён осциллографическими измерениями. Постоянство напряжения и тока позволяет использовать формулу для постоянной мощности при расчёте суммарных энергозатрат:

W_source = U × I × T

где U и I - стабилизированные значения напряжения и тока, T - время измерения. Методика обеспечивает корректный учёт энергии, потребляемой схемой от первичного источника в импульсном режиме работы.

---

Анализ процесса заряда накопительного конденсатора.

Экспериментальные измерения процесса заряда с использованием осциллографической аппаратуры позволили определить следующие параметры системы. Сигнал напряжения на конденсаторе (синий луч) демонстрирует следующие характеристики:

• Длительность цикла заряда: 466 мс
• Конечное напряжение на конденсаторе: 170 В.
• Напряжение источника питания: 10 В
• Ток потребления от источника: 0,02 А
• Ёмкость накопительного конденсатора: 10 мкФ

Методика расчетов:

Для анализа выбран временной интервал, соответствующий максимальной скорость накопления энергии. Расчет энергии, запасенной в конденсаторе, выполнен по формуле:
Wc = (10 × 10⁻⁶ × 170²)/2 = 0,1445 Дж

Энергия, отданная источником питания, определена как:
Ws = 10 × 0,02 × 0,466 = 0,0932 Дж

Результаты эксперимента:

Коэффициент преобразования энергии составил:
COP = 0,1445/0,0932 ≈ 1,55

Полученное значение COP > 1 подтверждает эффективность применения импульсного заряда с использованием ЭДС самоиндукции. Наблюдаемое превышение накопленной энергии над затраченной свидетельствует о наличии дополнительного энергетического потенциала в системе, связанного с физическими процессами, возникающими при резком обрыве тока в индуктивности.

---

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.

---

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.