現在TOMIX腕木式信号機切替制御開発と湖南電源安全性保証回路設計見直し作業を並行して進めてます。　双方で秋月調達部品が発生するので、まとめて発注する算段です。　腕木式信号機の電気的解析は、若い頃の線区初訪問時の様な期待感でワクワクします。

【9割方稲刈りの終わった水田】
秋が深まり稲刈りもほぼ終わり、もう半月もすれば暦の上では冬です。

３．切替必要パワー下限値の計測　直流駆動編
開発目的①の基礎データ収集、従来線は直流駆動なので切替可能下限電圧の計測です。

【中山平駅下り方出発信号機】
実験用信号機を中山平駅出発信号機にしました。　レイアウト縁／SWボックスから近く確認が容易だからです。　また実験準備で半動作モードを発見したので、照明オンして色灯で切替確認する方法で計測します。

【過去記事掲載画像より】
試験前に静特性としてソレノイド抵抗値を比較します、TOMIXポイントは7.4Ωでした。

TOMIX腕木式信号機ソレノイド抵抗値は6.4Ωでした。　ソレノイド使用巻線が同じと仮定すると、腕木式信号機基部に収納する為ソレノイドを小型化し、巻線長が短くなり抵抗値が15％低くなったと考えられます。

信号機切替SW右側2個は2基連動、SW設置スペースがなく動画撮影用アクセサリーとして笠松信号所通過／出発信号機を連動にしました。　KATOポイント4個2ヶ所を連動配線して問題なく動作したので、信号機も動作確認した上で安易に連動配線を採用しました。

連動ソレノイド抵抗値は2個並列で半分の3.2Ωになるハズなのに何故か4.5Ω、再計測しても結果は同じです。　いくらTOMIXでもそれはないと思いながら一つだけ気になりました。

【TOMIX HPより】
気になったのは長～い信号機切替配線、中山平出発信号機はSWボックスに近く約1/4に短縮使用しました、配線抵抗が高く9Ωから6.4Ωに下がったと仮定すれば理屈に合います。

そこで配線短縮なしの単動笠松信号所引上線出発信号機を計測すると6.4Ω、配線抵抗は無罪でした。　これ以上調査するにも配線は風景の底に眠ってる、残念ですが原因不明です。　前回触れませんでしたが連動の存在も従来線直流電源駆動採用の理由です。

【単動腕木式信号機試験結果】
ポイントSWオン時間バラツキが大きいので、各試験電圧10回3セット計測しました、単動腕木式信号機試験結果は、4.6Vで0/10、4.8Vで10/10と作動/非作動が明確でした。　

【連動腕木式信号機試験結果】
理論的には電源容量とSW接点容量OKなら連動も同じになりますが、正体不明の抵抗値問題があり確認が必要です。　試験結果は単動より0.4V高電圧が必要でした、　この試験結果から多くの事実が読み取れます。　

まずTOMIX用法解説のポイントコントロールボックスN／パワーユニット（サイドコネクター）の組み合わせで十分な切替パワーを得られる事が確認できました。

ポイント切替波形に重ねて見れば明らかです。　動作確実性はOKですが、適正マージンかオーバーパワーかの信頼性はコンデンサ切替式試験結果が出ないと何とも言えません。

TOMIXポイントSWオン時間バラツキは4.65V-4.75V動作不安定領域切替可能回数差に表れてますが、電圧差は小さくデジタル的に作動／非作動が明確になってます。　この事実は、ポイント切替試験の広い不安定領域の大部分が、完全選択式SW付きスライダーを離れた場所から駆動する切替必要パワーが一定しない構造欠陥が原因だと証明してます。

従来線の直流12V切替用法は、単動の場合切替必要パワー下限電圧の2.5倍、切替パワー2.5ｘ2.5、6.25倍（パワーは電圧の自乗に比例する）で完全なオーバーパワー状態でした。　連動の場合2.3ｘ2.3の5.3倍で若干落ちますがオーバーパワーに変わりはありません。

そう言えば破損した2基はいずれも単動腕木式信号機です、単動より少しストレスが軽い連動が生き延びてるのは偶然ではない様です。

筆者が設計者なら上記考え方で設計します、コストや標準化で10倍能力部品採用はしても、コストアップして無駄な能力アップする事は絶対にありません。　KATOは両渡線ポイントマシン4個切替が設計条件なので高電圧を採用し部品選定を適合させたに過ぎません。

４．従来線腕木式信号機制御改修仕様
TOMIXが切替必要パワー下限値7-10倍でOKの冗長設計なら破損は発生しませんでした。　実際に2基破損してる事から筆者もやるであろう常識的設計と推定されます。　未破損品は何とか持ち堪えてるだけでいつ破損しても不思議でなく改修が必須と判断しました。

従来線腕木式信号機制御は切替SW近傍に三端子レギュレータで電圧低下させて信頼性向上します。　単動／連動試験結果から7Vで切替パワーを現状の1/3、切替必要パワー下限値の単動は2.1倍、連動は1.8倍への改修を決定しました。

現行12V配線を外して上図2部品をユニバーサル基板実装し、絶縁テープでグルグル巻きにして空きスペースに押し込む改修工事で、7V三端子レギュレータ到着後に実施します。

ではまた。

筆者はTOMIXの工業製品にはほど遠いオモチャレベル電気設計品質と、お客様の声に真摯に向き合わない企業姿勢を批判してます。　なのでストラクチャでお世話になっても、TOMIX車両の入線は今後あり得ません。

１．プロローグ
当社想定は昭和40年代国鉄ローカル亜幹線で腕木式信号機が必須です、ダミーで満足できず電動点灯式が必要で、全く信用してないTOMIXの腕木式信号機を仕方なく採用してます。

【TOMIX HPより】
信頼性を別にすればTOMIX腕木式信号機は造形も良くできており、点灯時後方の光漏れが気になりますが遮光塗装で対策可能です。

【TOMIX HPより】
『特徴』に用法解説があり、信号機切替はポイントコントロールボックスN／パワーユニットの組み合わせ、照明は変換コード／パワーユニットの組み合わせ使用と説明してます。

【生野駅下り方1・2番線出発信号機】
電動切替点灯式はTOMIXしかないのが採用理由で、従来線に12基使用中、延伸線にも設置予定です。

【倉元駅信号機配置図】
通常列車交換駅信号機は4基ですが、スイッチバック駅は8基必要です。　引上線先端のS3b中継信号機入れると9基ですが、これは自作灯火式なので今回テーマから除外します。

【TOMIX HPより】
本線出発3基、副本線出発1基、本線／副本線場内各2基の8基で、精巧な部品なので高いとは思いませんが調達価格は約3万円に達します。

【笠松信号所引上線出発信号機】

ポイント同様ソレノイド駆動腕木式信号機だけは素晴らしい設計何てあるハズもなく、動画撮影など限定使用にも係らず従来線設置12基中2基が電気的不良で非電動になってます。　これは製品低信頼性に加え筆者用法にも問題があり、100％TOMIX責任ではありません。

【笠松信号所場内信号機】･･･スペース制約で通過信号機代用
延伸線はポイント／信号機連動制御で動作頻度が高く、交換困難な高額部品が頻繁に壊れては非常に困ります。　そこでTOMIX腕木式信号機の電気特性を解析調査し、設計はヘボでも使い方工夫で長持ちさせる制御法を開発し、従来線／延伸線に適用する事にしました。

２．筆者用法問題点と開発目的
レイアウト建設当時は、TOMIXポイント／信号機がコンデンサ切替式とは仕様説明一切なしで知りませんでした、知ったのは信号機設置4年後、ポイント／電源の分解調査時です。

従って12V電源からポイント／信号機はそれぞれKATO／TOMIX切替SWで、照明系はオン／オフSWを介して配線し、ポイント切替講座で電源仕様違いに気付き、ポイント切替のみKATOポイント電源の改修の様に15V仕様に変更しました。（12Vでの切替不良未発生）

さてTOMIXポイントと腕木式信号機、金属製トングと完全選択式SW2個切り替えるポイントと軽い矢羽根をリンク動作させるだけの腕木式信号機で必要パワーは相当（10倍？）違います。　KATOならそれぞれ最適設計するでしょうがTOMIXにはその期待ゼロです。

【TOMIXポイントの内部構造】
つまりTOMIX制御機器サイドコネクターは、切替必要パワーが一定しない構造欠陥ポイントには、配線伸ばしたりゴミ侵入したら動作は神頼みのアンダーパワーですが、腕木式信号機にはかなりオーバーパワーと推定されます。（今後の実験データで科学的に証明します）

またポイントコントロールボックスNは新品オン時間が30-100msecに3倍以上バラツク粗悪品で、コンデンサ切替式では影響なしでも筆者12V用法では更にオーバーパワーになり、コレが当社破損原因と推定してます。　今回の開発には様々な目的があります。

①まず電気的解析調査から切替必要パワーを明確にします。　コレがないと次項以降に進めませんし確実動作保証できないからです。
②従来線はSW設置／配線完了なのでコンデンサ切替式への変更はできません、切替時間が3倍以上バラツクSWを我慢して使うしかなく、駆動電圧12Vを適正値に下げる予定です。
③延伸線は切替パワーが常に一定になるコンデンサ切替式を採用します、電源電圧12VのままでTOMIXサイドコネクター4700μFを小容量に変更して信頼性向上する予定です。
④TOMIX腕木式信号機使用中及び使用予定の皆様にTOMIX推奨用法の実態と、高信頼性で長持ちさせるにはどうすべきかの情報を提供します。

★ポイント切替電気講座のおさらい
今回の開発内容理解を容易にする為、ポイント切替電気講座の関連部分をピックアップしてより解り易くまとめました。

【ポイント電気講座記事より転載】
電気を磁力に変えて動作するモーターとソレノイド（ポイントマシン）相違点の説明図で、モーターは電圧に応じて回転数が変化するアナログ動作デバイスですが、ソレノイドは一定磁力以上か以下かで作動／非作動が決まるデジタル動作デバイスの違いがあります。

またソレノイドは作動すれば仕事完了なので、ポイント切替SWは操作中一瞬だけオンする特殊SWと解説しました。　講座では磁力に関係する電流を使いましたが、説明の便宜上感覚に馴染み易い電圧に置き換えて各社ポイント純正SW切替時の特性を見て行きます。

Pecoは12.0Vで10/10切替、9％低い10.9Vで0/10の切替不能とデジタル的に作動／非作動が明確です、12Vはマージンなし下限値なので、ポイント配線抵抗による電圧低下等を考慮し推奨電圧を1.33倍の16Vにしてます。

KATOも7.7Vで10/10切替、5.5％低い7.38Vで0/10の切替不能と作動／非作動が明確になってます。　KATO制御機器ポイント切替端子電圧は13.95Vで、下限値の1.81倍とPecoよりかなり高くなってます。　これはポイントマシン4個入り両渡線切替可能にする為です。

TOMIXは8.58Vで10/10切替、18.2％低い7.02Vで0/10の切替不能と作動／非作動が不安定な領域がKATOの3倍以上になってます。　その要因は二つあります。
◆要因１：ポイント構造欠陥
スライダー抵抗と離れた場所から操作するモーメントで切替必要パワーが一定しません。
◆要因２：切替SWオン時間のバラツキ
オン時間が長ければ少し低い電圧で切り替わりバラツキ原因になります。（コンデンサ切替式にはこの要因は無関係です）

以上は直流電源条件で3社比較しましたが、実際はTOMIXのみコンデンサ切替式で、更に悲惨な実態になってます。

直流電源試験は上図黄色網掛け（50msec表示）波形ですが、コンデンサ切替式サイドコネクター出力は切替可能下限値8.58V以上がわずか6msecのヒゲ先です。　ピーク電圧10.7Vは配線を長くしても運転列車速度上げても下がり上がる事は絶対ありません。

しかも他社に比べ動作マージンがほとんどないにも係らず、ACアダプタ付属で不要な逆極性保護ダイオードやコンデンサ逆流防止に損失が大きいシリコンダイオード使い、双方で0.6Vドブに捨ててます。　ポイント切替への0.6V影響の大きさは図から解ると思います。　併せて筆者がTOMIXの電気設計は出鱈目と言う根拠をご理解いただければ幸いです。

さて話を戻し、ポイント切替にはアンダーパワーのこの駆動波形は腕木式信号機にはどうなるか興味津々です。　切替可能下限値が7V前後なら丁度良いのですがはてさて。

ではまた。

設計意図通り動作せず見直しが必要になった安全性保証回路記事に対し『おじさんK』さんからコメントを頂戴しました。

素人考えと謙遜されてますが、コメント内容から安全性保証回路の設計意図と動作を100％理解されてる事が解ります。　しかも上手く動作しない推定原因として、筆者が疑った起動コンデンサのトランジスタオン抵抗時定数に目を付けるのはタダモノではない証拠です。

URL添付がなく、ネット検索でも引っ掛からず解りませんが、熟練のハイアマチュアか電気で飯を食った元プロと推定してます。　ブログでこれまで片手で数えられるくらいしか電気的素養をお持ちの方に出会っておらず、嬉しいと共に気が引き締まる思いです。

【始発列車】
少々専門的になりますが、筆者自身備忘録、頂戴したコメントへの回答、『がおう☆』さんへの「進めてますよサイン」の目的で経過報告します。

【前回記事終了時の試験回路】
コメント指摘を受けた起動コンデンサC91は、手持ち部品がなく10μFを使いました。　R94との微分パルスでラッチ回路オンには十分過ぎで、過電流時TR93でラッチ回路オフ、青丸TR92ベースを0Vにする際は0.7V余分に充電する必要があります。

トランジスタが抵抗ゼロのSWなら問題ありませんが、C91が大容量だと狭いパルスでオフするのは難しいのでは？と指摘され、ここから見直そうと考えてた図星を指されました。　とりあえず動けばOK選択（TOMIXみたい･･･爆）の10μF適正化からスタートしました。

①C91のTR92ベース側半田付けを外しました、起動パルスがないラッチ回路はオフのまま、パイロットランプ赤点灯で電源入りません、実験と言うより動作確認です。
②1μF前後の小容量コンデンサがないので、TOMIX  N-1001-CL  PWM改造時の残材、0.22μFフィルムコンデンサ試すと問題なく起動します。（電源系には信頼性問題でフィルムコンデンサは使えません）　ならばと0.1μF（104Z）にするとこれもOKでした。
③動作マージン確認の為、0.1μF2個直列で0.05μFを確認しOK、C91を0.1μF変更に決定しました、ちなみにTR92をオンさせる起動パルス幅は1/10秒から1/1000秒になりました。

前回実験時に赤丸R91に触りアチッとなりました。　ラッチ回路損失を減らすには十分なベース電流が必要でこの選択しましたが、設計値100ｍAに対し実測値107ｍAでした。　損失1.14Wで3W定格抵抗はOKですが、推定60-65℃発熱で別の問題発生が懸念されます。

一つは右上TR92、絶対最大定格150ｍAで常時71％負荷、近くのヒーター（金属皮膜抵抗）で加熱されては信頼性余裕がありません、TR91ベース電流減らしてマージン確保したい処です。　もう一つは左下ポリスイッチ、熱動作部品が加熱されては具合が悪いのです。

そこでTR91損失を確認した上、R92を100Ωから150Ωにへ変更する事にしました。　基板部品配置への配慮も必要なので、この基板は実験用とし本番用再製作を決定しました。

TR91損失確認を補足するとトランジスタデータシートで行います。　ベース電流減で最大出力1.2Ax2CHの損失が0.25Vから0.3Vに増えます。

R92変更用150Ωがなく470Ω/0.5W抵抗3本並列にし、発熱影響が及ばぬ様浮かせて実装し、ベース電流実測値は72ｍAになりました。

以上2件の見直しで気になってた部分が解消しましたので、ショート時の1/100万秒単位の時間に何が起きてるか波形観察します。

出力電圧1.2V通常状態の0.47Ω金属皮膜抵抗＝TR93ベースと、過電流時TR93がオフするTR92ベース波形です。　前者はPWM出力H時のみ0.15V、後者はTR91ベース電流を流し常時オンなので0.8V弱一定です。

同条件ショート試験時、『おじさんK』さんご指摘の確認項目です。　0.47Ω金属皮膜抵抗両端電圧は前回0.88Vより高く1V強、瞬時電流は2.1Aを越えてます。　パルス期間でTR93が黄丸の様に瞬時オンし、コレクタ＝TR92ベースは飽和電圧0.07Vに低下してます。

しかしラッチ回路はオフしておらずベース電圧は一旦マイナスに振り込んだ後、定常時の0.79Vに復帰してます。　徐々に復帰するのはC91の充電が抜ける時定数の影響です。

R92ベースプローブをコレクタに繋ぎ電圧レンジを10倍にしました。　TR92オフでTR91ベース電流が遮断されればTR91がオフしラッチ回路はオフ状態を保持するハズです。　しかしTR92コレクタ12VでオフしてもTR91はオフしてない様です。　TR92はC91放電でベースが0.79Vに上昇するタイミングでオンしTR91のベース電流を流してます。

困りました、筆者は元電気設計技術者でも専門はTV関連、電源は30年前の従来線電源製作とHyper-G開発経験しかありません。　電源プロなら「アーアレね」とすぐ答えが解るでしょう。　まっ、言い訳は役立たず結果が肝心、波形観察結果から以下の推論をしました。

①起動コンデンサC91はこの問題に関係ない様です、外せば解ります。
②常点灯域の狭いパルス幅も直接原因ではない様です。　破損防止で実験できませんが、フル出力12Vでやっと動作と推定してます。
③ラッチ回路予備実験時に1.3Aポリスイッチ、出力電圧3Vで動作、1.2Vで非動作でした、何が違う？と考えて辿り着いた仮説がコレです。

トランジスタのオンは一瞬、オフは少し時間（Toff）がかかります、ベース電流増やしオーバードライブすると更にオフし難くなります。　Hyper-G出力回路設計ではシャープな出力得る為にベース電流絞りました。

ラッチ回路予備実験はスイッチング速度が速い（ft＝100MHz）Hyper-G出力用2SA1359をベース電流40ｍAで使いましたが、本番用は遅い（ft＝10MHz）2SB1018でベース電流が多いのが結果相違原因と考えました。

★推論の検証-1
C91をラッチ回路が起動し通電後に外しショート試験しました。

この波形観察時間軸で問題となる時定数がなくなりましたので、TR93ベースとコレクタ＝TR92ベース波形は1：1で応答してます。

TR92のベースとコレクタも1：1応答、C91はTR92オン時間を長くし、安全性保証回路を動作し易くする働きがあると解ります。　100倍の10μFでも動作しなかった事実と合わせパルス幅が主因でないと物語ってます。

★推論の検証-2
さてTR91がオフし難い推論の検証です。　これまでTR93をパルスでオンしても安全性保証回路が動作しなかったので、オン状態保持でラッチ回路がオフ＝安全性保証回路動作までの応答時間をTR94で計測します。

ここまで1CH試験でしたのでTR94ベースは接地してました、ここにスイッチを付けオフするとR96でTR94がオン状態保持します。

驚くべき結果！でした、TR94オンからラッチ回路がオフして電源遮断しPWM出力波が出なくなるまで22msec、1/45秒も掛かってます。　デジタルサンプリングの結果でPWM出力波表示は正しくなく、実際は横軸1目盛りに100パルス発生してます。

この応答速度では動作するハズありません。　でもこれでネズミの尻尾捕まえ原因特定できました、後はどう料理するかです。

ではまた。