Nゲージレイアウト国鉄露太本線建設記

運転よりシナリー重視コンセプトで、昭和40年代後半の風景再現を目指しレイアウトを製作中です。映像・画像を交えながら、製作記に加え、随想や旅行記も発信します。2016年9月より延伸線建設に着手しました。

JAM用一括転換モジュール「電気班」報告

鉄道模型界のビッグイベントJAM2018まで1ヶ月を切りました。 出展を予定されてる方は最後の追い込みに入っていると思います。

「今年のJAMどうする?」
「何かやりたいね~」
「去年は時間足りなくてインパクト今イチだったし」
「じゃ何か考えよっか」


『た625』さん、『親爺ぃ』さんと筆者の間でこんな会話が交わされたのは正月明けの事でした。 って誰が考えるの?、筆者です、電気班兼企画班なんです。

【JAM2018出展コンセプトシート】
と言う訳でドーンとばかり大花火を打ち上げ、「去年は1ヶ月、今年は8ヶ月もある」と早目の着手、連休前までは順調に進んでる様に見えました。

2月末には線路配置仮決定、三人寄れば文殊の知恵、ところが個性派三人寄ると(爆)
「鉄橋は見栄えするトラスにしよう」
「って~と奥に手が届かないからカーブ変えて」
「親爺ぃさんが開発した自動踏切も組込みたいね」
「鉄橋トラスにしたから効果音も欲しいね」
と、ドンドン風呂敷が広がり、最終線形どうなってるか解りません(汗) ちなみに効果音製作も電気班担当になってますが、試運転が終らず半分もできてません(滝汗)


かくしてついに「残り一ヶ月」、今年も地獄プロジェクトになりそうです。 JAM2017終了時1,000通、現在1,800通のメールボックス、2,500越えは確実です(笑)


その1:自動運転用電源回路
今回のモジュールは一括転換と共にArduino制御による自動運転がテーマです。 ところが困った事に使える機能は約1kHzと500HzのアナログPWM出力だけです。

そのまま使うと「ピー」か「ブー」と盛大にモーター唸ります。 「会場うろさいしオレ難聴だから」なんて混ぜっ返しを聞き流し、何とかするのが電気班の役割です。

で、こんな回路を設計しました、動作を解説します。
①R01とC01で300Hzローパスフィルタを構成し、1kHzPWMを直流化します。
②R02プルダウン抵抗により、0-255/255に対しIC01初段に0~4.84Vが入力されます。
③IC01オペアンプ初段はバッファで前後段を分離、出力電圧は同じです。
(バッファなしでも動作しますが、余ってる1回路に仕事させました)
④IC01後段は2.2倍の非反転増幅回路、0~10.6Vを出力します。
⑤2SC5100で電流増幅し0~9.9Vの走行電源を供給します、ただしトランジスタベース・エミッタ損失により0-37/255は出力0Vのままです。
つまりPWMを直流化してArduino制御の非PWM走行電源を構成した訳です。

【『親爺ぃ』製作所評価レポートより】
設計は電気班ですが実験とボード製作は制御班の担当、ローパスフィルタで直流化されたArduinoアナログPWM出力波形です。 このArduino制御直流電源で走行性に難のあるTOMIXトーマス君が無事走行したと、工作班兼テスト班からOKサインが出ました。


その2:開発秘話
って書くとスンナリ格好良くできた様に聞こえますが、実は危ない橋を渡ってます。

【燃えた最初の回路】
『親爺ぃ』さんへ最初に送った倍電圧回路です、重大なヘマをやらかしました。 1/255から出力を得られますが、出力ショートすると大電流が流れます。 レール給電に不適切なフェールセーフならぬフェールデンジャラスな設計でした。


加えて動作確認してから保護素子付ければ良いと甘い考えのダブルミス、『親爺ぃ』さんも配線ミスで出力ショートさせた様で電源入れたら燃えました。 第1報でトランジスタ過電流熱破壊かと思ったらドバッと火を吹いたそうです、その後のメールやりとり。


「どんな具合になってる?」
「配線も全部燃えちゃったから解らない」
「どんな電源使ったの?、電流容量は?」
「自動販売機用の12V電源使ってる、エート容量は18A


つまり、2人のミスが重なり216Wの化け物電源が熱破壊どころか一瞬にして灰にしたのです。 『親爺ぃ』さんは大は小を兼ねる、筆者は2A-3Aだろうと考えてた意思疎通の悪さもあり、得意分野が異なる者同士の《遠隔地メール共同開発》は難しいです。


その3:PWMは高効率
表題の反語になりますが非PWM電源は非効率というお話です。 JAMモジュールはプッシュプルのトーマス君を走らすだけ、消費電流は0,5A程度です。

なのに電源トランジスタ2SC5100は8A、Pc75Wの重量級、何故でしょう? モーターは抵抗の様に電圧2倍で電流2倍、電力4倍ではありません、電流はほぼ一定です、12V/0.5Aなら6W、ではトーマス君高速走行8Vと低速走行4Vで何が違うのでしょう?


★高速走行8V時
トーマス君消費電力:8(V)x0.5(A)=4(W)
トランジスタ損失:Vce 4(V)x0.5(A)=2(W)
★低速走行4V時
トーマス君消費電力:4(V)x0.5(A)=2(W)
トランジスタ損失:Vce 8(V)x0.5(A)=4(W)


12V電源消費電力は6Wでほぼ一定、トーマス君が低速でメシ食わないと、その分トランジスタが頑張るしかなく、JAM用走行電源はヒートシンク付きです。 この様に非PWM方式電源は損失が大きく、パルス動作でお休みできるPWMは非常に高効率なのです。

【従来線用1A/2CH電源出力トランジスタ】
露太本線従来線用の非PWM方式電源電圧を9Vにしたのは、高速走行不要も理由ですが、出力トランジスタ損失軽減も大きな目的でした。


以上、JAM用一括転換モジュール「電気班」の中間報告です。


ではまた。

KATOスタンダードSXの性能評価 その2

前回の続きです。 読者の皆さんは正直です、専門的な電源設計は結果に興味お持ちでもプロセスは難解で敬遠され、サッパリだったOUTポイントとアクセス数がスタンダードSX性能評価で一気に回復しました。 でもその割にINポイントは増えません(笑)


3.16V仕様の性能評価
12V仕様評価と同じくKATO純正17V電源がないので16V/3.75A電源を使用し、0.68A/16Vのダミー負荷接続で評価します。


3-1.発振周波数
12Vから大きく変化するとは思えませんが何事も確認、出力電圧7Vで計測しました。

7Vにしたのは12V仕様で4割強5Vで計測したのに倣っただけで深い意味はありません。 結果は12V仕様5Vより少し高い109kHzで波形は同じ、ピーク電圧16.9Vでした。

安定出力下限は0.71Vでした、こちらも12V仕様よりわずかに高い119kHz、波形の傾向もピーク電圧が15.0Vに落ちるのも同じでした。


3-2.内部回路ロス
12V仕様評価と同様に速度調整ボリュームMaxで入力/出力電圧を計測しました。

予想が当ってました、16V仕様の方が内部回路ロスが少なくなる様です。
★12V仕様:0.5A/42%負荷で内部回路ロス0.42V(実測値)
      定格1.2A時の内部回路ロス、約1.0V(推定)
★16V仕様:0.68A/57%負荷で内部回路ロス0.47V(実測値)
      定格1.2A時の内部回路ロス、約0.8V(推定)

この結果からすると、純正ACアダプタ使用時は17V入力で16.2V前後の出力が得られると思います。 それにしても0.5V差を付けるなんて、KATOの設計技術者は神経質(笑)


3-3.速度調整ボリューム制御特性
12V仕様で速度調整有効範囲が狭かった制御特性を16Vでも確認します。

速度調整ボリュームMaxから徐々に下げると10段階目盛8.7で電圧低下開始しました。 12V仕様の8.6とほとんど差がありません。

走行開始電圧2.0V(16番の走行開始電圧知りません)が出力されるのは、12V仕様の目盛3.0から2.0へ下がりました。 それに伴い速度調整有効範囲が2.0~8.7に約20%拡大します、この差小さくありません。 もしかしてと疑問が湧いたので後で確認します。

更に出力波形を確認しながら下げてゆくと目盛1.0、出力0.71Vが安定出力下限値、その下目盛1.0~0.5は不安定な微電圧出力があり、目盛0.5~0は0Vの不感帯でした。


12V/16V双方の仕様で目盛0~0.5及び8.7~10の18%と微電圧出力で実用域外の目盛0.5~1.0を加えると23%、1/4近くが死んでます。 調整工程なしで部品許容差吸収する設計と解りますが、使い易いユーザーフレンドリー設計とは言えません。


3-4.常点灯性能評価

16V仕様は出力電圧1Vからピーク電圧低下が始まります、ピーキーな波形は12V仕様と同じです。 LED応答速度は10nsec、横軸1目盛の1/100なので十分常点灯可能です。

ピーク電圧は少し落ちますが0.71V/4.4%まで常点灯可能な性能です。 設計回路同仕様の0.95V/5.9%より常点灯域が広く、制御可能デューティー比範囲は少し負けましたが、理想波形に近い矩形波出力により常点灯輝度は圧勝で1勝1敗の引き分けです。 と言うよりKATO常点灯設計を褒めるべきだと思います。


4.回路解析
4-1.基本回路構成
KATOがスタンダードSXの性能をどう実現したのか個人的興味を持っています。 例えばパワーMOS FETだった最終段は?とか、ポリスイッチトリップ電流は?とかです。

【TOMIX N-1001-CL】
TOMIX N-1001-CLはケースを空けると部品実装面が見え、かなりの事が解りました。 また設計検証が目的だったので更に分解し基板反対面の確認もしました。

スタンダードSXは両面基板片面実装、ケース空けてもパターンしか見えません。 性能評価目的だし多分筆者とoomoriさん以外、中身の達成手段に興味ないと思うので、これ以上の分解調査を中止しました、面倒だしキズ付けたりするの怖いしね(笑)


4-2.速度調整ボリューム制御特性
ただし速度調整ボリューム制御特性は使い易さに直結する重要項目なので評価しました、回転角と電圧上昇に違和感を覚えたからです。 出力2Vが12V仕様は目盛3、16V仕様は目盛2と大きく違うのも引っ掛かりました。

最初は常点灯調整を容易にする為、通常のB特性でなくA特性ボリュームを速度調整に採用したかと疑いました。 しかし変化の様子がA特性ともB特性とも違います。

【『電源製作④』より転載】
速度調整ボリューム回転角と電圧変化を正比例(B特性)させるには、通常方式速度制御の使い方をします。 この時、速度調整ボリューム両端抵抗値は一定です。

①裏面に露出してる速度調整ボリューム両端抵抗値を計ってみました。
②目盛0では9.83kΩ、どうやら10kΩボリュームの様です。
③ダイヤルを回すとアレレ抵抗値が変化します、目盛5では7.5kΩに減りました。
④目盛10では2.4kΩに減りました、明らかに通常方式とは違います。


詳細は分解調査しないと不明ですが、常点灯調整ボリュームを省略し、速度調整ボリュームに兼用させる為、意図的に制御特性を変化させてます。 常点灯の微妙な調整を容易にする目的ですが、これを工夫と言うか、小細工と言うか難しいところです。

原因究明より結果確認、ハイパーDと同条件で特性比較しました。 ハイパーD用15VACアダプタ(スタンダードSXとも違う特殊プラグ)、23.5Ωダミー負荷条件です。


★ハイパーD
通常方式B特性です、目盛2.5付近から下が直線にならないのは波形鈍りの影響です。


★スタンダードSX
明らかに目盛4付近に変曲点があります、2V出力目盛は2/16V、2.4/15V、3/12Vです。 設計値は1.8/17V純正、2.7/13.5V純正と推定しますが、ユーザーが少ない16番基準設計でしわ寄せを圧倒的多数のNユーザーへ押し付ける設計は感心しません。
(非純正12Vアダプタ使用者は更に大きな影響「1/3走行しない」を受けます)


またこの計測で面白い事実を発見しました。

試験条件を揃える為、ハイパーD微調整ボリュームMinで計測しましたが目盛10でデューティー100%にならず98.8%でした。 微調整ボリュームを少し回すだけで100%になり、実用上全く問題とならず、本件に係るユーザークレームもなかったと思います。


5.まとめ
5-1.総合評価
KATOスタンダードSX評価を終えた筆者総合評価は以下の通りです。
①実用的常点灯性能と安全性を兼ね備えたコストパフォーマンスの優れた電源である。
②狭い速度調整有効範囲に難があり、この点が改善されれば万人にお薦めできる。


製作中電源の1CH/1.2A仕様、通常方式制御のコストメリットはスタンダードSXに消されてしまいました。 部品費は安くても製作工数と見栄え考えたら買った方がお得です。 従って《高性能》《高機能》《2CH化》《2A高容量》に対象に絞り込んで進めます。


5-2.非純正ACアダプタ使用について
KATO純正ACアダプタが高価な為、非純正ACアダプタをプラグ変換し使用する方が多い様です。 12V/15V/16Vいずれも使用可能で出力電圧が最大0.8V~1V低下しますが、4千円弱でこの電源を入手できるメリットは大きいので、消極的に推奨します(笑)

ただし非純正ACアダプタを使用する場合は必ず出力ショート試験を行い保護回路動作確認してください。 使用ACアダプタによりポリスイッチトリップ電流を流す能力がなく、使用者がショートに気付かないまま大電流が流れ続け非常に危険です。

KATO設計は堅実で信頼できるだけでなく、市場に対する企業姿勢がTOMIXと正反対、180度違うと感じます。


非標準電源プラグ採用は、高価な純正品を買わす為ではありません、非純正品使用による事故は法的に免責されても、道義的責任は免れないという考えに基づく予防措置です。 『壊れちゃったけど、コレ使えそうだ』という初心者誤使用防止が目的で、皆さんの様な確信犯誤使用者は自己責任で勝手にどうぞだと思います(爆)


5-3.最後にKATO設計技術者の皆様へ
厳しいコスト制約と12V/16V共通化の中でスタンダードSXを完成させたご苦労に敬意を表します。 ただ1点、速度調整ボリューム制御特性には苦言を呈したいと思います。 部品許容差吸収と社内規格クリアにはこれがベストと皆さんが言うのは百も承知です。


皆さんはどちらを向いて仕事してるのでしょうか? 例えばスイッチ付ボリュームを使い回した瞬間微電圧~1V出力する設計もできたハズです。 失礼ながらあの波形の1V未満は輝度不足で常点灯実用域外なのはご存知ですよね、これで下側0.8~1目盛救えます。


上側マージンを1目盛詰める設計も可能だったハズです、100台に1台デューティー100%出なくても苦情を言うのは品質保証担当者だけ、ユーザーは95%を切らない限り気付かないしクレームも出ません。 規格に縛られ「守りの設計」になってませんか?


今後も高性能で使い易く、手頃な価格でユーザーが喜ぶ製品を提供し続けていただける事を期待してます。 以上元石頭の設計技術者、後にマーケティングと遵法経営を担当して顧客視点の重要さを学び、現在は趣味に現を抜かす極楽トンボオヤジの放言でした。


ではまた。

KATOスタンダードSXの性能評価 その1

電源製作の番外編です。 出力デューティー5%前後未満で安定出力が得られない件につき、12V/16V兼用仕様KATOスタンダードSXの性能評価をしたいと考えてました。 市販品より高性能な電源を誰でも作れる様にするには欠かせないステップだからです。

それがこの度、oomoriさんとのコラボレーション企画で実現しました、筆者が購入して性能評価した後、同製品購入予定だったoomoriさんへお渡しする業務提携です。


1.準備と外観から解る事

ポチッした翌々日7月10日に届きました、12日開催予定の高齢者クラブ主催イベント準備で忙しく、作業開始は同日夜になりました。

KATO電源プラグは非標準、嫁入り前の娘をキズ物にできないので、性能評価用ツールを準備しました、これで半田ごてを使わずに評価できます。

開梱すると大き目の個装箱が現れました、サイズの割に軽量です。 個装箱が大きいのはACアダプタセット販売を行う際の共通化が目的と解りました。

現れたスタンダードSX、何か違和感、電源スイッチがありません、速度調整ボリュームとディレクションスイッチ、パワーインジケータとリセットボタンだけです、常点灯調整ボリュームも省略されてます。 コスト削減低価格訴求仕様ですが、電源プラグ抜かないと完全OFFにできないのは用法によっては不便だと思います。

背面を見るとKATOの生真面目さが表われています。 内部回路ロスを補償し12V出力を得る為に13.5V、16V出力を得る為に17Vの特殊な専用ACアダプタを用意してます。


この12Vで1.5V、16Vで1Vの電圧差にはピンとくる物がありました。 電源製作⑦で解説した様に、共通設計すると電圧低い方が内部回路ロスが大きくなり易いのです。

法律で義務付けられた原産国表示、中国だろうなと底面確認したら国内生産でした。

小型時計用マイナスドライバーで両面テープ接着ゴム足を外すとケース止めネジ穴が表われました。 4本のネジを外してケース分解、評価開始です。


右上部に吸気口があります、前面上部排気口から排出するエアフロー設計で機内温度上昇を抑えます。 この空気流路がないと内部温度が50℃を越えてしまいます。
[註]電源自作される方へのご注意として記しました。


2.12V仕様の性能評価
KATO純正13.5V電源がないので12V/3A電源を使用し、0.5A/12Vのダミー負荷接続で評価します、実用に近い試験条件でないと真の性能が見えないからです。 現在製作中電源と同条件で評価し市販品より高性能である事を証明する目的を兼ねています。


2-1.発振周波数
最初に発振周波数と波形確認です、出力電圧5Vで計測しました。

発振周波数は従来品5倍の105kHzになってました、周波数が高いと狭いパルス出力が難しくなります。 後半がサドル状に下がった波形で、ピーク電圧は12.8Vでした。 コストダウン目的の選定と推定しますが、KATO設計技術者に聞かないと解りません。

安定出力が得られる下限近い出力電圧0.7Vでは発振周波数が若干高く111kHzでした。 波形は後半の低下が大きくなり、ピーク電圧も11.6Vに低下してます。


2-2.内部回路ロス
高価な純正ACアダプタでなく汎用ACアダプタを使う方が多いと思いますので、その基礎データとして0.5A負荷時の内部回路ロスを計測します。

出力12V/0.5A負荷で0.42Vの電圧低下、1.2A定格負荷で約1Vになると推定されます。 純正ACアダプタ使用時は13.5V入力で12.5V前後の出力が得られると思います。


2-3.安全性保護回路
速度調整ボリュームMaxで出力をショートさせ保護回路動作を確認します。

ほぼ瞬時(0.2秒未満)に保護回路が動作しインジケータが緑から赤に変わりました。 ショート解除してもその状態を保持、リセットボタンで復帰します。 ハイパーDと同様なラッチ回路(評判悪かった)が入っている事が解ります。


2-4.速度調整ボリューム制御特性
oomoriさんが最近入手されたスマートコントローラ+非純正ADアダプタでボリューム1/3回さないと走行開始しないと聞いていたので特性確認しました。

速度調整ボリュームMaxから徐々に下げると10段階目盛8.6で電圧低下開始しました。 ハイパーDの9.5より悪く、N-1001-CLの8.0より良い微妙なところです。

更に速度調整ボリュームを下げると目盛3.0で出力2.0Vの走行開始電圧、oomoriさん情報の1/3で走行開始はACアダプタ仕様は関係なく、元設計がそうなってると解りました。 常点灯調整省略の影響ですが、速度調整有効範囲3.0~8.6は狭いと思います。

更に出力波形を確認しながら下げてゆくと目盛1.2、出力0.61Vが安定出力下限値、その下目盛1.2~0.5は不安定な微電圧出力があり、0.5~0は0Vの不感帯でした。


2-5.常点灯性能評価
ハイパーDXに続き常点灯仕様になったスタンダードSXの実力を評価します。

出力電圧1Vでピーク電圧低下がなくなりました、この点はTOMIXより優れています。 しかしピーキーな波形により、純正LED室内灯は問題なくても、テープLED室内灯の場合はTOMIXに優位性があり、出力1V常点灯実用域の総合性能は同等だと思います。

安定出力下限0.61Vでは、ピーク電圧が若干低下しますがTOMIXの様に大きく低下せず、スタンダードSXの方が常点灯域が広い事が解りました。


次回16V仕様の評価とまとめをします。 とりあえず12V仕様では常点灯性能(明るさと広さ)、速度調整のやり易さ等全ての項目で設計回路が上回りホッとしてます。 しかしスタンダードSX本体は3千円以下で手に入ります。 高性能でなくとも必要十分な性能を備えたコストパフォーマンスが非常に優れた電源だと感じました。


ではまた。