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。

電源製作②三角波発生回路

電源製作2回目です、何回で完成する?、全く見当も付きません。


1-2.応用事例(cont.)
矩形波発振回路応用事例をもう一つ紹介します。

Nゲージ 踏切警報遮断機
【『親爺ぃさん』ブログより】
踏切警報機にLEDを仕込む方は多く、僚友『親爺ぃさん』はArduinoで自動踏切を開発しました。 警報機LED点滅回路には古典とも言えるフリップフロップを使った例が多く、『親爺ぃさん』はタイマーICを利用した発振回路を使ってました。

【『親爺ぃさん』ブログより】
で、改めて回路図見ると摩訶不思議なんです、点滅はするけどトランジスタ無駄遣い。 『親爺ぃさん』に聞いたネタ元見てビックリ、個人の「動いたよ~」公開なら笑って済ませても電気関連企業です、これじゃ『親爺ぃさん』が信用するの無理ありません。

【サンハヤト製品情報】
回路図3V表記の電池3本電圧は4.5V~2.7V、でもNE555P動作下限電圧は4.5Vですよサンハヤトさん!、トランジスタも不要、TOMIXにも驚いたけどこれもヒドイです。 でもサンハヤトに悪意があるとは思えません、知らないって恐ろしい、そして知らずに誤情報を撒き散らす、これがネット社会の実情なんでしょうね。


[追記]・・・『oomoriさん』から頂戴したコメントに基づき追記します。
このキット同梱タイマーICはCMOSタイプ互換品の可能性が高く、としたら電源電圧1.5Vまで動作可能です。 部品型番を明示しないのはユーザーに不親切です。

また仮に電源電圧仕様は満足してもLED点灯には電池4本が必要で、3本で点灯させる為の苦肉の策としてトランジスタを使う落第設計です。 新品電池では煌々と点灯し寿命末期は微点灯、電池4本ならトランジスタ不要、安定輝度点灯可能であり、教材価値としても疑問だらけ、正に《動けば良いじゃん》なのでしょう。[6/20 19:40]

『親爺ぃさん』に確認実験お願いしたら、電圧5Vトランジスタなしで点滅しました。 NE555Pの出力電流は±200mAあります、この回路なら片側千個のLED点灯可能です。 部品仕様外の用法で不要部品までお客様に売り付けるのは詐欺と同じです。

【踏切警報機LED点滅回路】
タイマーIC使わずオペアンプでも踏切警報機点滅回路ができます、R04で周波数調整可能です。 コストが下がり1回路余るオペアンプを別用途に使えるオマケ付きです。 以上偶然発見した問題報告です、筆者に個人ブログ誤りを指摘する意思はありません。


1-3.修正回路の確認
本題に戻ります、筆者自身が誤情報を撒き散らさぬ様に褌を締めてかかります。 部品代¥190、送料¥500の荷物が到着しました(笑)

R04を3kΩから2.7kΩに置き換えて実験再開です。

9Vは18.9kHzから19.6kHzへ周波数が高くなりました、でもたった4%(汗)

12Vは18.2kHzから19.2kHzへ周波数が高くなりました、5%上昇です。

16Vは17.5kHzから18.9kHzへ周波数が高くなりました、8%上昇です。 これなら耳鳴りするなんて言われなくて済むとホッと一息です、PWM周波数は聞こえなければ低い方が高性能化が容易です。 これで矩形波発振回路完成です。


2.三角波発生回路
2-1.回路設計
矩形波をオペアンプを使った積分回路で三角波に変換します。 本講座を参考に電源製作される方の為に、筆者は以下2件の挑戦をします。
①抵抗品種を減らす・・・秋月100本単位販売への配慮
ほぼ3倍毎の100kΩ/33kΩ/10kΩ/2.7kΩ(当初は3kΩ)/1kΩ/330Ω前後(未定)6品種に絞る設計です。 もちろん性能確保を優先します。
②対応電源電圧を広くする・・・理想は9V/12V/16V共通
KATOがパワーパックスタンダードSXで12V/16V共通なので、できるかもの期待です。 高機能化の速度計は電源電圧毎に要変更ですが、他は共通化を目指します。

動作解説は省略しこんな回路に落ち着きました。 矩形波発振回路出力と三角波発生回路を繋ぐ抵抗は1kΩでは小さ過ぎ、上記考え方に従い2.7kΩ並列の1.35kΩにしました、単品1.3kΩ/1.5kΩでも近い特性になると思いますが確認してません。


2-2.性能確認
前項回路の特性確認です、今後の設計に大きく係るので実験時の電源電圧も計測します、ACアダプタ出力電圧は一定ではなく、負荷により変動します。

9Vの矩形波出力と三角波出力の2CH表示です、1.3V~6.7Vの三角波が出力されています、電圧は9.39V、三角波の両頂点が歪んでない事がPWM電源性能には非常に重要です。

12Vでは1.8V~9.1Vの綺麗な三角波が出力されています、電圧は12.25Vでした。

16Vで周波数が若干高く変化し12Vと同じ19.2kHzになりました。 2.5V~12.7Vの三角波が出力され電圧は16.59V、3電源全てで歪みがない綺麗な三角波を得られました。

【『TOMIX電気設計の検証その7』より転載】
PWM電源の動作原理です、三角波と比較電圧(Vcomp)をコンパレータ(電圧比較器)で比較した結果でデューティー比(覚えてますか?)が変化する出力を得ます。 従って三角波の頂点が歪んでると常点灯や速度制御が不連続になり使いにくくなります。

電源電圧と三角波H/L電圧の関係を表にしました、注目していただきたいのはH/L電圧の電源電圧比です、この比が揃ってると速度調整回路の共通化が容易になります。 H電圧の差が少し大きいですが最高速側の遊びで調整可能と希望的観測をしています。


今回はここまでにします。


★『パパ何してるの?』

我家には3本の梅の木があります、本梅と小梅とゆすら梅、ゆすら梅はルビー色に熟し甘い実を付けます。 梅雨晴れの父の日、青空をバックに写真撮ってると、

庭に出てたハナちゃんが『パパ何してるの?』と木の上まで登ってきました。

ついでに匂いを嗅いでペロリ、穏やかな父の日でした。


ではまた。

電源製作①最初の一歩

電源製作を始めます。 実験で性能確認しながらの設計製作ですのでNGならやり直し、進展のある都度更新しますので長いシリーズになると思います。


回路各部の動作解説は省略しIN/OUTに留めますので、興味のある方は電子工作関連公開情報をご参照ください。 その替わりと言っては何ですが、こう使えばこんな事ができるというレイアウト関連お役立ち応用例を掲載したいと考えています。


序章:準備あれこれ
1.部品調達

一括手配した電源講座開設用部品が届きました、約30品種で¥8,000です。 最高値の12V/3Aアダプタ¥1,500を含め、実験専用部品/余裕在庫用がかなり含まれるので筆者用電源部品原価は¥6,000弱だと思います。(最終的に仕様別にまとめます)

ぞろっと出してみました、高額部品は速度計用マルチメーター¥1,000x2(左上)と9V/2.5Aアダプタ¥900(右上)だけで他は¥150が最高です。 って、ポチッとしてからポリスイッチ忘れたと気付きました(笑)、送料勿体ないので次の機会にします。


2.使用電源
9V/12V/16Vで設計しますので実験使用電源及び製作時の推奨電源をまとめます。
2-1.電源電圧9V・・・超高速走行不要な場合

【秋月:M-10877 9V/2.5A ¥900】
筆者延伸線用です、9V/2CH電源を製作される方はこれをお使いください。 1CHの場合はM-08309 9V/2A ¥700が推奨です。 M-07772 9V/1.3A ¥620は電流容量はOKですが保護素子作動電流(1.3A)供給能力不足の懸念があり推奨できません。


2-2.電源電圧12V・・・N用標準電源

【秋月:M-10661 12V/3A ¥1,500】
12V/2CH電源を製作される方はこれをお使いください。 1CHの場合はM-08331 12V/1.5A ¥700が推奨です。

【従来線用12V/5Aアダプタ】
実は実験に使える12V電源持ってます。 プラグを切って照明/腕木式信号機電源として組込んでしまったので、仕方なく講座開設用に購入しました。


2-3.電源電圧16V・・・16番用標準電源

【筆者ノートPC用 16V/3.75A】
16Vは不用品購入を避け実験にはノートPC用アダプタを流用します。 16V/2CH電源を設計される方はM-10664 16V/3.75A ¥1,700が推奨です。 1CHの場合も同じです、秋月には16V/1.5A~2.5AクラスACアダプタがラインナップされてません。


16番モーター消費電流など最新状況に詳しくありません。 作業量を節減したいので、目標仕様に掲げた電流容量2Aへの拡張は16番用16V/1CHに限定させていただきます。 (N用12V/2Aの必要性がある場合はお知らせください、12V/1CHも加えます)


3.実験環境整備
レイアウトルーム入口付近で実験を行います、基台間隔75cm長手方向1mほどの狭い空間です。 部品/工具置場との関係、その他の事情から他に選択肢がなく、必要機材配置を工夫しないと効率良く実験を進められません。

一番場所を取るストレージオシロは工具箱に乗せて基台下に収めました。 生野駅機関庫地下の位置になります。 右端に見えるのが換気扇送風ダクトです。

ノートPCや部品はループ線下のメンテエリアに押し込み作業エリアを確保しました。

電源ケース取付用DCジャックを流用して実験基板に接続し、ADアダプタ抜き差しだけで簡単に電源切替可能にしました。 じゃ実験するスペースは?、恥ずかしくてお見せできません(汗)、でも設計内容は大丈夫ですのでご安心ください。


第一章:PWM電源基本回路の設計
1.矩形波発振回路
1-1.理論設計の検証
まず、オペアンプを使ってPWMの元になる矩形波発振回路を設計しました。 理論設計して実験で現物確認し必要な修正加える進め方です。

使用するオペアンプはLM358N一番安い汎用品です。 オペアンプは電圧両極性/片極性両用タイプが多いですが、単一電源(片極性)や両極性専用タイプもあります。 手持ち品を流用される場合は、両極性専用タイプは使えませんのでご注意ください。 

【理論設計回路】
理論設計回路実験装置を組みました。 発振周波数を決めるのは主にR04とC01の時定数です、またR03を小さくすると周波数が低くなり、大きくすると高くなります。

さてどうなるかと9Vでスイッチオン、1V-8.6Vの矩形波が出力されてます。 狙いの周期より若干長い53μsec、周波数は少し低い18.9kHzでした。 KATOハイパーDも出力電圧によりこの程度の周波数でしたし、筆者の世代ならまず聞こえません(笑)

電源を12Vに差し替えました、周期55μsec、周波数18.2kHzでした。 理論上は電源電圧を変えても変化しませんが、実際は部品応答速度等により変化します。 だからこそ実験での確認が重要になります。 じゃ16Vはもっと周波数低くなる?

16Vは心配通り周期57μsec、周波数17.5kHzでした。 このまま進めても良いけど『露太本線の電源は耳鳴りがする』なんて言われたくないので修正するしかありません。 でもどうやって?、R04 3kΩを2.7kΩに変えて10%時定数小さくするのが確実です。 結局、2.7kΩと発注忘れポリスイッチをポチッ、2度目の送料¥500負担になりました(涙)


1-2.応用事例
本編が部品待ちになったので応用事例を一つ紹介します。 矩形波発振回路は当ブログで過去に登場しており、R04/C01の値を大きくすれば低い周波数でも発振します。

周期10秒(周波数0.1Hz)と0.6秒の発振回路を組み合わせた、古くなった蛍光灯がチラチラする野小屋の奥に回路を収納した応用例です。

Nゲージレイアウト国鉄露太本線12「野小屋」
【『野小屋の製作⑤』より】


ではまた。

機関庫の製作②側壁を作る

大屋根ができたので煙出し屋根を乗せて完成させたいところですが、まだ解決すべき課題があり、工程設計に従い先に側壁を作ります。

使用材料と工法から設計を部分修正をしました、主な変更点は以下の通りです。
①土台高さを2mmから2.5mmに変更。
②窓幅を12mmから13mmに変更。(定尺にこだわるより見た目バランス優先)
③大屋根深さを14mmから15mmに変更。(完成大屋根に現物合わせ)
④入口幅を1mm縮小。(補強材目隠し余裕確保)
⑤全高50mmが+1mmの51mmになりましたがバランス的に良いのでOKとします。

ラップサイディング4061の裏に側壁をケガキました、雪崩覆いや県道洞門の様に傾いてないから楽?、いやいやどっちが材料の上か拡大鏡で確認が必要でした(笑)

初加工ラップサイディングの切り難さに閉口、ほぼ同厚メタルサイディングの比ではなくタミヤ1.2t板以上の労力、硬くはないが粘りがあって剪断応力が大きい印象です。 1枚目は窓抜きしたけどボツ、各窓にカッター刃2枚使ってようやく1枚できました。 外寸33x145mm、仕上げ前にもう1枚壁を作り直しです、腕が痛い(泣)

ケガキからやり直し壁製作、仕上げて2枚揃いました。 プラ鋸は切り口汚いし真っ直ぐ切るの難しい、24枚必要なリブのカッター切り出しが思いやられます。

次は工程設計でしんどいだろうな~と思ってた工作です。 1mmプラ角棒を窓枠として裏から接着します、コーナーは45度にします。

目をショボショボさせて、やっとの事で8ヶ所の窓に32本の窓枠を接着しました。

側壁内側上下に長さ138mm 3mmプラH材を接着します、雪崩覆い製作時の木製ブロック治具で位置決めしました。 両端は妻板補強材と組み合わせる為に空けてあります。

同じく治具にスペーサーを入れ27mmを10本切り出します。

切断面を仕上げて突っ張らない長さにし、おおよそリブ位置の壁面と上下補強材に接着、これで側壁が非常にガッシリした構造になりました。

次にリブを作ります、初代カッティングマットがまだまだ活躍します。
①最初に側壁2枚取った長手方向残りにリブ板をケガキました、上下注意です(笑)
②ラップサイディング表面がマットに食い付き、こんな小片から切り出せました。 ボツになった側壁にもケガいて各2枚試し切り、窓抜きより楽に使える部材ができました。
③ボツ側壁の廃物利用で各6枚片側分が取れました、妻板切り欠き部からも材料取りできるので一旦ここで止めます。
④リブを切り出したボツ側壁余材を両面テープで貼り治具にします。

リブ厚さ3mm、1t板サンドイッチ構造ですが平板でなく2mm幅材を使います、雪崩覆いに使用したエバーグリーン材の残りです。 タミヤ1.2t材はあるけど1tはなし、0.5t貼り合わすの面倒だし位置合わせが楽だからです。

両側壁中央各5本、妻板4ヶ所で必要数14本を切り出しました。

①リブ下部がスカスカでは拙いのでアンコにこんなの用意しときます。
②リブ斜辺外側基準でサンドイッチ材を貼り付けます。
③アンコ材をはみ出さない様に貼り付け、余分をリブ下面基準でカットします。
④で、反対テーパー材でサンドイッチ、部材のあるリブ6個分組み立てました。

リブはまだ完成ではありません。 最終工程で1tx2.5mm材で土台を付けます、その際に裾に傾斜があると具合が悪いのです。 また上部は妻板に合わせ斜めカットしないと大屋根に干渉します。 今回工程設計が上手く機能してここまで順調です。 


ではまた。