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。

ポイント切替電気講座⑧KATOその2

前回の続きです。 今回はストレージオシロ波形は出ませんのでご安心を(笑)


1.KATOソレノイド実効電流の測定

KATOハイパーD出力電圧を可変し、ソレノイド電流を変化させて実効電流下限値を測定します。 TOMIX試験用には新品スイッチ調達しましたが、デジタルストレージオシロで散財したので、経年劣化がない中山平駅連動ポイントスイッチを流用しました。

試験結果は以上で、345mAで全く動かなかったのが、わずか2.9%多い360mAで完全動作するデジタル的結果になりました、TOMIXとは随分様子が違います。

TOMIXは0.9Aで全く動かず、完全動作の1.1Aまで22%電流を増やす必要がありました、その間は動作したりしなかったりの不安定領域です。 何でそんなに違うのか?、例え話で説明しますので両社ポイントスイッチON時間を思い出してください。

トラックに綱を結んで引っ張り動かすには1,000の力が必要です。 KATOチームは力が揃っており63-70(msec)なので14人では無理ですが16人なら確実に動きます。 一方TOMIXチームは力がバラバラ30-100(msec)です。 9人では無理、10-33人で動いたり動かなかったり、100%確実に動かすには理論上34人必要です。


2.確実動作ON時間の考察
2-1.露太本線使用実績について

実効電流測定結果と露太本線使用実績を電流グラフ上に表しました。 ON時間は中間値66msecを使いました。 ポイント切替動作時電圧10Vの露太本線は、パワーパック切替出力13.95Vに比較し40%の実効パワーで動作させていた事が解ります。


露太本線ではこれまで3ヶ所の4番ポイントを交換しています、故障モードはソレノイドが動作してもトングレールが完全に切り替わらない状態でした、つまり電気的故障でなく機械的故障です。 塗料侵入による切替抵抗増が原因と判断しましたが、駆動電圧を高くして切替パワーを上げれば改善した可能性があったと現在は考えています。

車の発進加速に例えれば、40%トルクで大幅に出遅れ、KATOポイント切替スイッチON時間設計マージンに助けられ、これまで切替不良を免れてきた事になります。 それでも動作してきた使用実績は、確実動作ON時間を考察する際の有用なヒントになります。

①たった1回の両渡り線43msec/9.6V切替実績を13.95V換算すると14.6msecです。
 ・・・これは実力余裕で動いたに過ぎず信頼性に欠け使えません。
②66msec/10Vの安定動作実績を13.95V換算すると26.5msecです。
 ・・・筆者ミスの使用実績で、KATOが100%保証できる条件かどうか疑問です。


このままでは先に進まないので、動作マージン設計手法から推察します。


2-2.設計者が考える動作マージン設計手法
筆者がKATO設計者だったら
設計前提条件は以下3点です。
①ポイントソレノイド確実動作ON時間Xmsec。
②ポイントスイッチ基本機構はON時間初期値が10%バラつく。
③耐久試験結果によると、経年劣化でON時間は長短双方に拡大し2倍バラつく。


ポイントスイッチON時間を短く設計すると、ソレノイド寿命は伸びるが経年劣化で確実に切り替わらないリスクが高くなる。 逆に長く設計すると動作確実性は高いが、ソレノイド寿命=ポイント寿命⇒ポイント交換になり、それは何としても避けたい。

中間にある最適解を求める公式はなく、良く言えば設計センス、有体はKKD(経験と勘と度胸)で決めます。 筆者ならエイヤッと2X、経年劣化しても1.3X~2.6X、実力余裕で0.5Xまで動くし、露太本線の様な電源電圧勘違いユーザーが居てもクレーム頻発や悪い評判が立つ事はあるまい、それよりポイント寿命を優先する、ってな具合です。


ここでは筆者の勘2X、33msecとして設計を進めます。 TOMIXは10msec、何でKATOは33msecなの?、筆者には答えられません。 最終的に確実動作を決めるのは磁力で、「電流」「巻線数」「巻線密度」「透磁率」で決まりますがデータ不足です。


またKATOとTOMIXはソレノイド構造が異なり、必要磁力も異なります。 ここは単純化して、技術的には正確ではありませんが、TOMIXの半分弱の電流で動かすKATOは長いON時間が必要と考えていただいて結構です。(突っ込まないでください)


3.KATO推奨回路の設計
3-1.使用電源選定
本講座⑤で解説した様に、コンデンサポイント切替を純正マシン電圧で行うと必ずパワー不足になります。 TOMIX推奨回路では13.3%高い13.6V電源を使いました、KATOでは14.7%高い16V電源を使います。

商品名: ACアダプター 16V/3.75A
商品コード: M-10664
価格: ¥1,700
秋月電子通商扱い16V仕様ACアダプターは選択肢が少なく推奨品はこれです、両渡り線ソレノイド4個入りでも余裕で切替可能です。 両渡り線を使用されない方は他の市販16V/1.6A以上が使えます、詳細は次項をご確認ください。


3-2.動作電流波形

16V/2200μFコンデンサ切替の電流波形はこの様になります。 純正ポイントスイッチとの関係はTOMIXとほぼ同じ、スタートダッシュターボで後半のトルク低下を補い、結果的に純正ポイント切替と同等の切替性能を発揮します。


KATOコンデンサポイント切替で注意すべき点があります、ポイントから出ている制御線が2本でもソレノイドが1個とは限りません。 両渡り線4個、片渡り線とダブルスリップは多分2個と推定されます、必ず制御線間の抵抗値をテスターで計測してください。
★20.4Ω・・・ソレノイド1個
★10.2Ω・・・ソレノイド2個
★5.1Ω・・・ソレノイド4個

ソレノイド4個入り両渡り線を16V/2200μF切替時の電流波形はこの様になり、例え切り替わったとしてもパワー不足で確実性が低くなります。 2200μF4本並列に接続すれば、上図と同じ波形になります。 ソレノイド1個につき2200μFとお考えください。


Pecoは『親爺ぃさん』『がおう☆さん』から提供を受けた実績データが揃ってますが、大電流可変電源が実験に必要でON時間計測が難しくどう進めるか思案中です。


★那珂湊おさかな市場:9月4日(月)

9月3日は法事で茨城へ、日帰り600kmドライブはしんどいので水戸で宿泊、翌4日那珂湊『おさかな市場』へ寄って帰る事にしました。 信州の山中に住んでいると年数回新鮮な海の幸が恋しくなります。 夏休み後の平日朝9時過ぎにしてはそこそこの人出です。

贈答用干物セットのクール便手配をしてからブラブラ、年2回の旬を迎えたアサリが目に止まりました。 上底なしの中盥に1杯、酒蒸しにして2人で4回分はあります、アサリは冷凍すると美味しくなる、という事でお買い上げ。


信州発買い出しツアー目的地、新潟寺泊、富山氷見、静岡焼津は新鮮だけどお値段高め、でもここ安い、浜でしかお目にかかれない魚や、珍しい干物に何度も引っ掛かる。

で結局今回目玉は、岩ガキに替わりシーズンインの生カキ、形の良いのが5-6個¥800、それが2パック¥1,000にクラっときました。 そろそろ11時、せっかくだから早お昼に海鮮丼食べて帰ろうと思ったが、8時半に朝食したばかりです。 ボリューム満点海鮮丼¥1,500は納得価格だけど半分食べられるかどうか・・・。

と、目に止まったのが「ランチ丼」の看板、浜の味ならそれも良かろうと注文し出てきたのがコレ、わたり蟹の味噌汁と丁度良いサイズの海鮮丼で¥800、十分海の幸を堪能できました。 北関東道、常磐道、中央道で4時間少々、陽のある内に帰着しました。


ではまた。

ポイント切替電気講座⑦KATO その1

前回投稿記事でTOMIXを批判しました、どんな会社なのか?、設計・製造・品質保証を全て外注に丸投げしているのでは?、という疑念を確認する為、調べて見ました。

するとかつては海外委託生産をしてた様ですが、現在はほぼ栃木の本社工場で国内生産、母体が玩具メーカーとは言え、企画から製品化まで一貫して行う『もの作りニッポン』の企業と知り再度ビックリしました。 《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》なんて良く言えますね、設計責任者の見解を聞きたい、製造業出身者として恥ずかしいです。


さて、KATO推奨回路設計ですが、先行事例公開情報がほとんどありません。 筆者自身がKATOユーザーなので、露太本線使用実績に基づいたデータ収集から始めます。


1.紺屋の白袴

【『露太本線の良く解るポイント切替電気講座⑤』より転載】
先に白状します、実はこの測定した時『アチャーッ』って思いました、KATOパイパーDはストラクチャ製作、電子工作用電源でポイント切替出力を始めて計りました。 走行用は9V入力自作電源、常点灯撮影用にTOMIX N-1001-CLを使ってます。 良く調べもせずN用制御電圧は12Vと信じて疑いませんでした、思い込みって恐ろしいです。

従来線走行系以外の電気設計は上図になっています、純正13.95Vを12V駆動、KATOポイントソレノイドを設計電流の86%で使っていたと気付き愕然としました。

塗料侵入による切替不良と判断し数ヶ所交換しましたが、切替パワー不足も関係していた様です。 「電気は得意」な筆者が「電気でミス」、正に紺屋の白袴です(汗)


2.ポイントスイッチON時間計測
KATOポイントは電気的信頼性が高く、サーモスタット入りで安全性も良好、ソレノイド電流を抑え、廉価版1Aパワーパックでポイントマシン駆動可能設計になっています。 ではTOMIXで3倍以上バラツキがあったポイントスイッチON時間はどうでしょうか?。

従来線基台下に潜り込み、写真左上に見えているポイントスイッチからコネクタを外し、矢印部絶縁テープを外してポイント配線にプローブを接続しました。 比較的使用頻度が低い生野機関支区の機関庫ポイントです。(前回記事使用TOMIXスイッチは新品)

10回計測した結果は63msec-70msecと非常に安定していました。


そしてここで2回目の『アチャーッ』、ポイント切替電圧10Vです。 ポイントスイッチ入力12Vは当然確認してます、大電流が流れるポイント切替時は電流計や配線抵抗で2Vも低下する事が、デジタルストレージオシロで始めて確認できました(滝汗)

せっかくプローブを繋いだので意地悪試験をしてみました。 ポイントスイッチレバーを非常にゆっくり操作しパチンと切り替えました、結果は約20%長い84msecでした。 KATOのメカ設計技術力は、TOMIXより相当高い事が解りました。


3.従来線の設計検証
機関庫ポイントは電源から近い場所にあります。 レイアウト半周先のポイントスイッチは大丈夫か?、大容量配線を使ったとは言え距離は約4m、非常に気になりました。

中山平駅連動ポイントと笠松信号所両渡り線ポイントスイッチは、反対側に腕木式信号機スイッチと共に縦付けしてあります。 確認測定した電圧は12.32V、OKでした。

縦付けでコネクタが下に出ており基台下へ潜り込む必要はありません。 右が両渡り線、左が連動ポイントスイッチで、中山平駅本線ポイント2個を同時切替しています。

中山平駅ポイントは非選択設定し、普段はスプリングポイントで使用しています。 ほぼ動画撮影用切替スイッチなので自己責任で並列接続しました。 従ってソレノイド抵抗値は半分10.2Ωになり、電流は2倍、配線抵抗の影響も2倍になります。

恐る恐る計測しました。 5回計測してON時間は63msec-70msecと生野駅機関庫ポイント同様に安定してました、長い配線でも電圧10.4V、ヤレヤレホッと一息です。


続いて両渡り線の計測を行うと5回中2回ON時間約80msec、様子が違います。 改めて10回計測すると、6回は63msec-70msecでしたが3回は80msec-86msec、1回は逆に短く43msecとスイッチON時間が2倍バラツキました、何が違うのでしょうか?。

これが6/10回の標準的計測結果、ON時間67msec、電圧9.8Vです。 両渡り線はスイッチバック用なので、前の2ヶ所に比べ操作回数が格段に多く、機械的ヘタリや接点摩耗の経年劣化によるON時間バラツキが発生していると考えられます。

そしてこれが1回だけ発生した計測結果、ON時間43msec、電圧9.6Vです。 アレッ、9.8Vと9.6Vは何か変、何で連動ポイントより電圧低いの?、もしかして・・・。

確認する為ソレノイド抵抗値を計ると5.1Ω、予感的中、KATO両渡り線はポイント配線は1本でもソレノイド4個入りです。 すると切替電流2.74A、ON時間バラツキは操作回数x接点電流4倍による経年劣化と推定できます。 劣化して『2倍もバラついた』と考えるべきか『2倍に収まっている』と考えるべきか難しいところです。


ここで重要なのはKATOパワーパックポイント切替出力で両渡り線を切替できるのか?、製品カタログに注記はありません。 切替できなければ、KATOよお前もか!です。

手持ちのKATOハイパーDポイント切替出力に部品リード線を半田付けし、ポイント切替スイッチ電源線を外して接続しました。 これで両渡り線切替電圧波形を計測します。

結果はこの通り、ON時間64msec、電圧10.2Vで切替できました。 波形はハイパーDの電流制限回路により、ON直後の12.6Vが2Aに電流制限されて10.2V、つまり5.1Ωx2A(V=IR、オームの法則、ここだけ数式です)になった様子を表しています。

それでは廉価版1A仕様のスタンダードSで切替できるのでしょうか?、現品が手元にないので確認できませんが、切替できると考えています。 有力な傍証があります。

【傍証1】
生産中止になった0.5A仕様旧モデルです。 このパワーパック最大出力電圧14.4VでPecoポイントマシンPL-10コンデンサ切替が10/10動作します。 Peco実績データ収集の為『がおう☆さん』にお願いした実験結果です。 4.8Ωで動くなら5.1Ωも動く筈です。


【傍証2】
高信頼性設計のKATOは、性能評価試験結果で動作保証できない場合、ユーザーサービスとクレーム防止観点から必ず『両渡り線ポイント切替には・・・』と注記する筈です、それがないのは動作保証できると考えられます。 スタンダードSで両渡り線ポイント切替した読者がいらっしゃいましたら、当ブログへ結果コメントを頂戴できれば幸いです。


4.従来線ポイント切替の改修予定
当講座を開講したお陰で、筆者自身の勘違いミスと、ポイントマシン動作電圧が電源電圧から2V低下している事実を発見できました。 追加確認を行った上でポイント切替電源を12Vから分離し、15Vもしくは16V/3A電源を新設して置き換える事を決めました。


おいおい、KATOコンデンサポイント切替推奨回路はどうした?、と言われそうですが、転んでもタダでは起きない、筆者の失敗が貴重な設計データになりました。(続く)


★こぼればなし・・・PVポイントって良く解らん
ブログアクセス数とPVポイントはアルゴリズムの違いでリンクしないと理解してます、大体OUTの2倍で推移してきました。 7月下旬からPVが急降下、ブログアクセスは変化ないのにと思いながら何かと忙しく放置してきました。 気になって「村長さん」に質問したところ「ブログパーツがSSL化対応になってない」との事、9/1貼り変えました。


★お断り
本日、明日と法事により留守にします、頂戴したコメントの開示と回答は9/4夜以降になりますので、予めご了承ください。


ではまた。

TOMIXの電気設計は出鱈目です!

当初『露太本線の良く解るポイント切替電気講座⑥TOMIX』のタイトル予定でしたが、計測結果から、TOMIXのユーザーを馬鹿にした出鱈目な電気設計が判明しましたので、記事タイトルを変更しました。 筆者は本講座開講後にレイアウト関連調査結果を、

として、信頼性の低さを指摘しました。 しかし使い易いのは事実でTOMIXに頼るしかない方、塗装やバラスト撒布せず組立レイアウトに使用される方も多いと思いますので、今回調査で判明した『電気設計の出鱈目さ』と共に推奨回路を設計し公開します。

先日のJAM会場でもTOMIX設計の不味さを補完する「涙ぐましいユーザー努力」が展示されていました。 何をしてるのか調べたところ、以下の機能でした。
①慢性的通電不良の根源、内部接点を外部へ引き出しリレー切替に変更する。
②コンデンサポイント切替採用、公開動画からかなり高電圧、信頼性に疑問符二つ。


さて、新兵器デジタルストレージオシロの操作を確認し、TOMIXポイント切替スイッチON時間計測実験を行いました。

TOMIXパワーパックN-1001-CLに純正ポイントスイッチをドッキング、ポイントマシンソレノイドコイルを接続して実験準備完了、まずは常点灯出力波形を計測しました。

セオリー通り12Vの幅が狭いパルスが出ています、LEDが応答して点灯消灯を繰り返し、モーターは高周波に鈍感な機器なので止まったまま、常点灯の原理です。 パルス周期は50μsec、つまり20KHzでKATOと全く同じ、コピペじゃないの?、TOMIXさん。


いよいよ本番純正ポイントスイッチON時間計測、ところが測する度に結果が異なり、30msec~100msecまで3倍以上もバラツキました。 KATO・Peco未計測なので断定的な事は言えませんが、3倍以上は精度が低くメカ設計も相当にお粗末です。

ポイントスイッチ切替時の電圧波形を計測しました、電流波形も同じになります。 平均的な計測結果です、スイッチON時間は48msec、約1/20秒です。 11.28Vの切替電圧は最高10.7Vから急降下、ON期間最後は4Vまで低下するコンデンサ切替波形の様です。


何故こうなるのか?、何と驚くなかれ純正パワーパックが純正ポイント切替に必要な電流を供給できない!のです。 ソレノイドをポイントに組み切替試験したところ9/100切替不良発生、その時のスイッチON時間は30msecより短いと推定されます、するとバラツキは4-5倍です。 そして車両走行中は確実にこれより切替不良発生率が高くなります。

【お詫びと訂正】・・・9/15
その後の調査で以下2件の事実が判明しましたので、当記事の一部を打ち消し線で訂正します、ただし、
TOMIX電気設計は出鱈目です!という筆者結論に変更はありません。

詳しくは9/15投稿記事『TOMIX電気設計の検証 その1』をご確認下さい。 筆者の調査不足によりご迷惑おかけし申し訳けございませんでした、お詫び致します。 
★その後判明した事実
1.TOMIX製品に2Aクラスパワーパックは存在せず、全て1.2A仕様でした。
2.TOMIXポイント用サイドコネクターは全機種コンデンサポイント切替方式です。


なお当記事掲載のTOMIXコンデンサポイント切替推奨回路に変更はありません。

確認の為、2A仕様KATOハイパーDを11.28Vに設定し再計測しました、PWM出力なので平均値11.28V が波高値12.2VになりますがスイッチON期間電圧は一定です。 ON時間は68msec、約1/16秒、以降の検証は代表値50msecを用います。 この条件のポイント切替は百発百中、TOMIX2Aクラスパワーパックでも同じ結果になる筈です。

電圧波形計測結果を電流グラフ上にプロットします。 1Aと2Aパワーパックで安定動作領域の面積=実効パワー比は約20倍です、不安定動作領域込みでも10倍です。 筆者は協力者提供の実績データから、1.52A/10msecで十分切替可能と判断しています、その背景説明は省きます。(技術論は目的外なので質問にはお答えできません)


TOMIXは安物パワーパックを買う客は、10回に1回ポイントが切り替わらなくても文句を言わないと高を括っているのでしょうか?、N-1001-CLは欠陥製品です
★一方高級パワーパック使用または別電源でポイント駆動するユーザーは、切替必要時間の数倍も電流を流し続ける
粗悪な『純正スイッチ』によりソレノイド損耗を強いられます。

設計不良をカバーする為に、こんなオプション部品(¥900)を用意しています。

更に、こんな物(¥4,800)を切替不良に悩むユーザーに買わせようとしています。

ダメな製品は基本設計からやり直さない限りダメなのです。
これらの部品を買わされた皆さんは、TOMIXの被害者です。

電気は嘘をつきません、計測結果を基に元電子回路設計技術者の筆者が、自信を持って断言します。
TOMIXさん、御社の電気設計は出鱈目です!


★推奨回路公開
以上述べた様にTOMIXの電気設計は出鱈目で、こんな設計が通用する業界は他に見当りません。 しかし既にTOMIXポイントを使用されている方も多数居ると思いますので、TOMIX用コンデンサポイント切替推奨回路を設計し公開します。


開講時に推奨しないと書きましたが訂正します、TOMIXポイントはコンデンサ切替の方が確実に動作し信頼性が向上します、粗悪な純正ポイントスイッチで毎回必要以上の電流を流す事なく、ポイント切替電流波形が常に一定になるからです。

最初に確実動作必要時間10msecに対して、多くのTOMIXコンデンサポイント切替採用者仕様、12V/2200μFの電流波形を眺めてみます。 ピークは少し高いですが安定動作領域面積=実効パワーは約1/3です。 動作が渋くなれば切替不良が発生します。

推奨回路はポイント切替電源の変更です、12Vから13.6Vに13.3%上昇させます。 13.6V電源は15Vアダプターと整流ダイオードで構成します。 ポイント連動及びソレノイド2個入り両渡り線使用時には2倍の電流が流れます。 整流ダイオードはサージ電流に耐える設計がされており数msecであれば定格2Aを超えても壊れる心配はありません。


秋月電子扱い15VACアダプターは3.34A仕様が最大、その下は1.6A仕様で役不足です。 連動、両渡り線使用時は3.68A、定格の110%電流を必要とします。 この仕様でも動作すると筆者は推定してますが、万全を期すには別途15V/4A電源をご用意ください。

推奨回路13.6V/2200μFの電流波形です、安定動作領域面積=実効パワーは約2/3と2倍になっています。 20%高いピーク電流がスタートダッシュターボとして作用します。

車の発進加速に例えるとこんな感じです、途中経過は違いますがソレノイドを作動させ、ポイント切替完了するまでの確実性は1.52A/10msecとほぼ同等だと考えます。


なお、推奨回路を使用される際は、本講座で解説した信頼性・安全性向上策を併せて採用される様お薦めします。 引き続きKATO推奨回路の設計を開始しますが、実績データ、基礎データ共に全くありません。 少々時間がかかります、予めご了承ください。


★最後に
筆者は鉄道模型メーカーに一切係りありません、またTOMIX製品で痛い目に逢った経験もありません。 業界を代表する歴史あるメーカーは、ユーザーの事を考え製品設計している筈だと皆さん考えるでしょう、筆者もそう考えていました。 ここでは、
お客様に買っていただく商品(≠製品)は、どうあるべきかの観点で論評しています。
TOMIXはまともに動かない製品を販売し、お客様を騙し続けています。


TOMIXカタログを様々な電子機器が飾っています、一事が万事どんな設計なのでしょうか、メーカーを信じ被害に逢う同好の士を思うと心が痛みます。 TOMIXには電気回路設計技術者も製品評価技術者も居ない様です、100%外注丸投げなのでしょうか。


電気知識を必要とせず、誰でも簡単に楽しく遊べる製品開発で市場拡大を牽引してきたTOMIX自身が電気が苦手ではシャレにもなりません


ではまた。