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。

TOMIX電気設計の検証 その3

今回は筆者が欠陥製品と断じたコンデンサポイント切替回路を解剖します。


5.TOMIX N-1001-CLの分解調査Part-3
5-1.コンデンサポイント切替回路の検証

回路ブロック図からコンデンサポイント切替部を抜き出し、各部電圧を付記しました。 構成部品の働きと各部の動作を解説します。
★逆流防止ダイオード
アルミ電解コンデンサに充電された電荷を逃がさない為に必要です。 順電圧Vf=0.57V、何とシリコンダイオードです、ポイント切替パワー向上の為にはVf=0.27Vのショットキーダイオードを使うべき場所がコレ、設計センスの悪さを如何なく発揮です。
★充電電流制限抵抗
アルミ電解コンデンサ放電後の充電電流を制限する抵抗です、12Ωで瞬時電流1A、走行列車速度に影響せず保護回路を動作させないピンポイントの部品選定です。 けなすだけでなく、良い所は褒めるのが筆者のスタンスです。
★サイドコネクタープラス端子
コンデンサは充電完了後電流は流れないと高校物理で習いましたね。 理想コンデンサはその通りですがアルミ電解コンデンサは漏れ電流があります。 と言っても数μAなのでテスター10mV計測差より2桁下で解せません、編集せずそのままにしています。
★サイドコネクターマイナス端子
前回記事計測値5.2mVはパワーパック内回路のみ動作の無負荷状態です。 1M車両走行中の消費電流は約0.3A、この端子の電圧は10倍の54mVになります。 プラス端子電圧は11.28Vでもサイドコネクターから供給される電圧は11.23Vに低下します。


5-2.何故やらない?製品改良
TOMIXが行うべき製品改良法があります、実に簡単な方法です。 コストが下がりユーザーが喜び、クレームが減る三方良しの改良です。 メーカー保証対象外になりますが、ユーザーがドラーバーと半田ごてだけで費用ゼロで実施する事も可能です。

①純正ACアダプター使用時に不要な逆接防止ダイオードを外してジャンパーします。
②逆流防止ダイオードを、①で外した逆接防止ダイオードに交換します。(極性注意)

逆接防止ダイオード0.27Vと逆流防止ダイオードVf低下0.3Vを合わせ、ポイント切替電圧が0.57V高くなります。 電流換算で1.52A⇒1.60Aになり切替確実性が向上します。


5-3.考察:TOMIXポイント切替電流バラツキの真因
ポイント切替電気講座で解説した様にKATOはある電流=磁力を境に動作・非動作が明確なデジタルで、基本講座例え話の砲丸投げアスリート『ソレノイド君』そのものです。 一方TOMIXは動作・非動作が不明確な領域が広い、カメレオン特性です。

筆者実施TOMIX実効電流測定試験条件を図にしました。 KATOハイパーD出力を可変してソレノイド電流を変化させ試験しました。 広い不安定動作領域は3倍以上あるTOMIXポイントスイッチON時間バラツキが原因と推論しました。

【『ポイント切替電気講座⑧KATOその2』より転載】
つまり、実効電流面積=切替パワーなので、それをこの様な例え話で説明しましたが、TOMIXがコンデンサ切替と確認できた現在、この推論は間違っていた事になります。

【『TOMIX電気設計の検証 その1』より転載】
その1で説明した通り、コンデンサ切替は最初の10msec程度で結果が決まり30~100msecのON時間バラツキは実効電流に関係しないからです。 この電流波形で切替成功した91/100と失敗した9/100、先端部波形は同じハズです、一体何が違ったのでしょう?。


電流波形一定なら磁力も一定です、同じ磁力で動く事もあれば動かない事もある、つまりTOMIXポイントは切替に必要な力が一定でない事になります。 分解調査未実施なので断言できませんが、KATOポイントはシンプル構造で切替に必要な力がほぼ一定である事が実験結果から容易に推定できます。 その観点から答えが見えてきました。

TOMIXソレノイドはトングレールと同時に完全選択式スイッチ切替を行う為、ポイント切替スライダーは大型で複雑形状です。 弱いバネ圧でスライダーは下に押されプラ部品同士が擦れながら切り替わり、更に動作点が10.5mm離れモーメントも働きます。


①大型スライダー:磁力で動作させる質量が大きい。
②バネ圧:スイッチ切替とプラ部品が擦れ合いで動作抵抗が変化する。
③モーメント:動作点距離が長く斜め方向モーメントにより動作力が変化する。
以上③点が切替電流バラツキの真の原因と判断しました。


筆者試験は未使用新品ポイント1.1Aで10/10、再試験で91/100でした、つまり構造欠陥により100/100にするには1.1Aでもまだ不十分なのです。 また継続使用してチリホコリが侵入すると、切替に必要な力が増える事はあっても減る事はないと推定されます。


ここも『ダメな製品は基本設計からやり直さない限りダメ』な部分です。 導通信頼性が低く、切替に必要な力が不安定なポイント改良を行わずして自動運転システムを発売するのは、ユーザーを騙す行為です。 まずメーカーとしてやるべき製品改善が先です。


5-4.チョッと待ってパチパチ切替はできない
皆さんポイント切替をどの程度のスピードで行いますか?。 筆者の例だと、動作確認で左右にパチパチッと切り替える時は0.2~0.3秒、進入番線へ複数ポイントを切り替える時は0.4~0.5秒だと思います。 これコンデンサ切替には結構厳しい条件なのです。

TOMIXコンデンサ切替回路アルミ電解コンデンサの放電充電波形です、縦軸目盛は電圧です、放電時はソレノイド抵抗7.4Ωで、充電時は電流制限抵抗12Ωで充放電されます。 一度切り替えると次の切替まで準備時間が必要な様子を表しています。 素早く操作すると80~90%の力しか発揮できず、切替不良の一因になっていると思われます。

コンデンサ容量と充放電抵抗の時定数(T)で充放電特性が決まります、容量が大きく、抵抗が高いほど充放電時間が長くなります。 満充電に近い99.3%になるまで5Tの時間が必要です、TOMIX回路はポイントスイッチON時間を含め0.31~0.38秒必要です。

論より証拠、電源スイッチオン時のアルミ電解コンデンサ充電特性を計測してみました、二つの事実が解りました、実際動作は静止状態計測とは若干異なっています。
①実際のポイント切替パワー、コンデンサ充電電圧は計測値より約0.3V低い10.8V。
②実際のコンデンサ充電時定数は若干大きく、満充電には0.38~0.45秒必要。


5-5.まとめ
以上実施した「回路分析」「電圧計測」「動作波形観察」結果をまとめます。 1M列車走行中条件、コンデンサ電圧10.75V、ソレノイド電流1.52A⇒1.45Aで表示しました。

★TOMIX制御機器サイドコネクターの現状
①確実動作に寄与する電流印加時間がわずか6msecしかなく切替パワー不足。
②ポイント構造欠陥と経時変化により切替必要電流が上昇し切替不良が増加する。
③約0.4秒以下の短時間切替には充電が間に合わず切替不良が発生する。
結論:ポイント切替確実性に乏しく、ユーザーが安心して使えない欠陥製品です。


★レンタルレイアウト店対策回路
①切替パワーが倍増し動作確実性は問題ないレベルまで向上する。
②簡単に実施可能な改善策として有効。
③ただし、充電時間が2倍となり約0.8秒以下の短時間応答性が悪い。


★筆者推奨コンデンサ切替回路
①TOMIX純正回路比較で約3倍の切替パワーで確実に切替可能。
②充電時間が約1/4(16.3msec/69.6msec)で短時間応答性が良い。


ではまた。

TOMIX電気設計の検証 その2

前回の続きです。 いやーっ、驚きました、度肝を抜かれ目が点になりました。


4.TOMIX N-1001-CLの分解調査Part-2
4-1.基本の『き』さえできてない回路設計
最初にシステムブロック図作成の為、各部の電圧を計測しました。

ACアダプタージャックを挿入しDCジャック入力電圧を計測すると12.13Vでした。 DCジャックプラスが電源スイッチ、マイナスがGNDに接続されていると誰しも思います。

ところが、電源スイッチ入力を計測すると10.16V、何だろこの電圧は???

電源スイッチ出力はオフ時オープンのハズなのに計測すると0V、念の為導通試験すると0Ω、なな何と電源スイッチが電源側でなくGND側に入っているのです。 小学校の理科実験で乾電池使う時はスイッチをプラス側に入れると教わりましたよね、その逆です。

アルミ電解コンデンサマイナス端子も10.16V、この値自体に意味はなく、浮かせたGNDがたまたまこの電圧になってるだけです。 ADアダプターを挿すだけ電源スイッチオフでも、TCS出力及びサイドコネクター4端子全てがこの電圧(電位)になってます。


電源スイッチオフ時はGNDかオープンが回路設計の鉄則です。 電源スイッチオフ時に機器外部出力端子に電圧が出てる製品が他にあれば持って来てみろ!と言いたいです。

改めで太鼓判押します、TOMIXの電気設計は出鱈目です!


4-2.珍妙な保護回路でポイント切替性能を落とす愚かさ
怒りと言うより呆れ果てて電源スイッチオン、付属機器接続用TCS出力を計測しました、予想は12.13Vと0Vです。 ところがここでも見事に予想を裏切ってくれました。

TCS出力プラス端子は入力より0.27V低い11.86Vでした。 0.27Vはおよそショットキーダイオードの順電圧(Vf)です、多分アレと基板裏面を見ると答えがありました。

DCジャックからのコネクタ入力(+12V)の右に黒いチップ部品が実装されてます、逆接防止ダイオードです。 20年程前までACアダプター電源ジャックに中プラスと外プラスが混在しており、破損防止の為に電源別売製品で良く使われていました。


TOMIX制御機器はACアダプターセット販売です、仮に仕様外ACアダプター使って壊してもユーザー責任、製品保証対象外です。 0.27Vは小さくありません、不要な部品コストかけて電圧落とし、ポイント切替性能を悪くしてるだけです。

続いてTCS出力マイナス端子、これも0Vではありません、5.2mVの微小電圧を計測しました、サイドコネクターマイナス端子も5.2mVです。 左下に見えている金属皮膜抵抗にいや~な予感がしました。

思った通りGNDを金属皮膜抵抗0.18Ωで浮かせてました。 この抵抗両端電圧で電流検出し保護回路動作が目的です。 5.2mVと0.18Ωから無負荷時のボード電流は29mAと解ります、1.25Aアダプター仕様で機器最大出力1.2Aの差50mAがボード消費電流分です。


試みにDCフィーダー出力をショートさせました脱線想定です。 パイロットランプが緑から赤に変わり、DCフィーダー、TCS出力、サイドコネクター全てオフになります。 電源スイッチを一旦オフしない限り復帰しません、保護回路機能は合格です。

保護回路の相方を探すと、裏側のパワートランジスタが回路を遮断していました。 検出系はその下のダイオードです。 ポリスイッチなら部品1個、0.08Ω前後で電圧ロス半分以下、パイロットランプ保護回路動作表示にこんなダサい方法しか知らないんですか?、ここも不要な部品コストかけて電圧落とし、ポイント切替性能を悪くしてるだけです。


4-3.システムブロック図作成
テスターだけでN-1001-CL基本回路構成は解りました。 上位機種はPWM制御に加速・惰行・ブレーキ・無線伝送付加で基本は同じと推定されます。 30年前回路から不器用にコピペした様な超ユニーク回路、動作しますが無駄が多く設計センス悪過ぎです。

N-1001-CLの回路ブロック図です、解析は写真撮影含めて3時間ほど、見易い図面作成に倍近くかかりました。 最初に解析した様に、左下回路出口に電源スイッチが入ります、プロでなくとも電子回路工作される方ならこんな設計しませんよね。


★過電流保護回路動作説明
①全消費電流がおよそ1.5Aに達すると、金属皮膜抵抗0.18Ω両端電圧がが0.27Vとなり、過電流検出ショットキーダイオードをオンさせます。
②検出ダイオードがオンするとパワートランジスタをオフさせ回路を遮断し、パイロットランプ赤を点灯させます。(緑は回路遮断で消灯します)
③パイロットランプ赤が点灯すると保護回路をラッチし、電源スイッチオフされるまでその状態を保持します。

【TOMIX商品企画会議】・・・HPより
筆者はTOMIXの精密金型加工技術、成形技術、塗装・組立技術は高くN車両品質も良いと評価しています、当然制御機器や新システム機器も企画会議が開かれているハズです。 しかし回路設計技術者と品質保証技術者が会議に出席してるとは思えません。 電子機器は仕様だけ国内で決め、設計・生産・品質保証を《一貫して中国メーカーに丸投げ》してるのではないでしょうか?、そう考えない限り理解できません。


《余談》
回路ブロック図書きながら『自分のレイアウト製作放ったまま、オレ何やってんでだろ』って思いました。 でも、この実態を知った以上書かずにはおられません。


ではまた。

TOMIX電気設計の検証 その1

筆者8/31投稿記事、

の中で、計測結果を基に『N-1001-CLは欠陥製品です。』と断じました。 純正ポイントスイッチを使い純正ポイントを確実に切り替える事ができない電気設計だからです。


1.その後の調査で判明したTOMIXポイント切替の実態
その後の調査結果を最初に報告します。

【筆者所有のTOMIX N-1001-CL】
冒頭記事へ頂戴したコメントの中に気になる情報がありました。


Tommyさんからいただいたコメントです、『以前、とあるレンタルレイアウトでは、TOMIXレール&制御システムながらしっかり転換できているので、どのような対策を取ったか聞いたことがあります。 結果としては、パワーユニット内に電解コンデンサが内蔵されているのを、その容量を倍増する改造を行ったとのことでした。』(抜粋)


それに対し筆者は、『 あの波形、電流供給能力不足のドロップと理解しましたが、電源から供給できないのでパワーパックがコンデンサ切替をやっていた訳ですね。 確かにそうすれば走行列車速度に影響がなくある意味なるほどねです。 その前提であの波形を見ると4700μFの放電特性に見えます。』(抜粋)とコメントを返しました。


Tommyさんが「しっかり転換できるのは不思議と感じ、レンタルレイアウト屋さんは「改造しないと使えない」と考えていた事が明白で、筆者が指摘するまでもなくTOMIX制御機器ポイント切替に問題ありと認識しているユーザーが多いと確認できました。


そこで、TOMIX製その他の制御機器スペックを調べてみました。

左上ベーシックなN-600だけ常点灯機能なし出力1A、N-1001-CLを含めその上位機種全て出力1.2A、『TCS出力端子、ポイント用サイドコネクター付き』と完全同仕様です。 相違はワンハンドル制御、マスコン/ブレーキ等、無線伝送の付加機能だけです。


8/31記事でTOMIXパワーパック上位機種はKATOと同じ2Aクラスの前提で記載しましたが間違いでした。 9/13付けで訂正文を追記しました、調査不足をお詫び致します。


『TCS出力端子』がアクセサリー用12V、『ポイント用サイドコネクター』がコンデンサポイント切替出力です。 つまりTOMIX制御機器は全て同じ方式のポイント切替です。

【TOMIX『ポイント用サイドコネクター』ポイント切替電圧波形】
それがどれほど危うい設計かご理解いただく為、動作不可能0.9Aと確実動作1.1Aを電圧換算して重ねました。 確実動作に寄与しているのはヒゲの先端わずか6msec、11.28V出力は、ポイント配線コードと接点抵抗でソレノイド入力が10.7Vへ低下しています。


『ポイント延長コード』使用時は更に電圧低下しポイント切替確実性が失われます。 TOMIXのお粗末なポイントスイッチ設計背景も理解できました、コンデンサ切替式動作不可能領域なので、ON時間が30msecでも100msecでもほとんど関係ないのです。


8/31記事で『N-1001-CLは欠陥製品です』と書きましたが訂正します、『TOMIXのポイント用サイドコネクター搭載機器は全て欠陥製品です』

TOMIXとKATOのポイント配線コードです。 目視はKATOが少し太い程度ですが、触感はかなり違いKATOは硬くTOMIXは柔らかです。 両社ソレノイド電流はTOMIXが1.52AでKATO 0.68Aの2.2倍です、当然電流容量を考慮した設計が必要ですが、両社コードは1A定格だと思います。 両社DCフィーダーコードも同仕様、これは問題ありません。


総体的にKATO電気設計は手堅く、部品選定、確実性、安全性、どれも納得できますが、TOMIX電気設計は動けば良しの手抜きです。 手抜きだけならオモチャで済ませますが、ユーザーを騙して迷惑を掛け負担を強いるやり方を筆者は糾弾しています。


2.装着できるのに使えない!ポイントスイッチN-W

ダブルクロスポイントは複線エンドレス相互乗り入れに良く利用され、TOMIXはソレノイド2個入りです。 KATO製と異なり中央菱型部線路が無電区間なので高速通過しないと停止する、半ば欠陥製品です。 この情報はぎっしゃさんから頂戴しました。

ダブルクロスポイント切替用の純正ポイントスイッチです、ポイント2個構成の片渡り線にも推奨しています、特徴注記にある様に別売専用電源が必要です。 2万円以上もする高級制御機器『ポイント用サイドコネクター』に装着可能なのに動作しないのです。


ポイント1個さえ満足に切替不能な『サイドコネクター』に2個同時切替などできる訳がありません。 筆者が『ダメな製品は基本設計からやり直さない限りダメ』と言ったのはこの事です。 電気が苦手でも使えるレールと機器を提供してあげたのだから、これ必要と言われた製品を買いなさいがTOMIXの経営姿勢の様です、ユーザーを舐めてます。

ユーザーを舐めている極みがコレです、TOMIX自身が延長コードで離れたポイント切替不確実を暗に認めています、ユーザークレームを数多く受けているハズです。


TOMIXは筆者が欠陥製品と断じた全制御機器サイドコネクター改善手段を複数持っています。 Tommyさんコメントの容量倍増も有効で、TOMIXが4700μF⇒10000μF変更する原価は10円程度です。 それをせずこんな製品売り付けるのがTOMIXのやり方です。


製品定価¥4,800、箱の中は多分コンデンサ・ダイオード・金属皮膜抵抗・ポリスイッチだけ、ACアダプタ込みのメーカー調達原価は500円以下です。 購入価格の大部分は、ケース金型代(約200万円)、開発人件費償却と宣伝広告費、全く馬鹿にした話です。


3.N-10010CL分解調査Part-1
ここまで明確にTOMIXにダメ出しをした以上、どんな設計をしているのかN-1001-CLを分解調査し設計検証する事にしました。 TOMIXもまさかストレージオシロを持ち出し設計解析する元電子回路設計者が現れるとは思ってなかったでしょう。

四隅のゴム足の下に上下ケース固定ネジが隠れています。 ここでムッ、法律で義務付けられた原産国表示はMADE IN CHINA、中国製が何でも悪いとは言いません、しかし。

HPの《企画、設計、生産、管理、販売、サービスに至るまで一貫したシステムで、日本製の高い精度を保った製品を仕上げています》、確かに国内生産とは書いてないけれど、そう受け取れる(受け取らせたい)表現です。 こんな所にも経営姿勢が現れます。

ゴム足を外して4本のネジを抜きケースを開けました、基板止めネジ3本と電源コネクタを抜いた状態です。 基板は速度調整ボリュームで表ケースに固定されています。


基板は部品実装密度スカスカのたったこれだけ、現代の電子回路技術は進んでおりKATOも同じです。 基板とケースサイズは人間工学的な操作性で決められています。

速度調整ダイヤルゴムカバーとダイヤルを取り外すと、速度調整ボリュームの軸が現われます。 穴底の六角ナット外しにはソケットレンチヘッドが必要かと思いましたが、大型ピンセットで回りました、基板と表ケースが分離します。

外した基板表面の実装部品は操作系とパイロットランプ程度です。 筆者コメント通り4700μFのアルミ電解コンデンサが現れました、電気の素養があれば放電特性から容易に想像できる事です。 次回電気的検証でTOMIX電気設計を解剖します。


ではまた。