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。

今後の設計⑤TOMIXポイントはレイアウトに使えない!

好評連載中(笑)の『露太本線の良く解るポイント切替電気講座』はコンデンサポイント切替動作説明、設計手法と推奨回路が残っています。 警鐘を鳴らして不正確な情報拡散をする訳にいきません。 その為の手配ツールが届くまで『今後の設計』に戻ります。


Arduinoを採用し倉元駅スイッチバックのポイントを一括スローアクション制御し、更に腕木式信号機と連動制御する計画までお話しました、その続編です。

サーボ制御変更の基礎情報を収集する為、TOMIXポイントを分解調査しました。 図赤丸5本のビスを外します、目的は下記3点です。
①サーボを取り付けるトングレール裏の構造確認
②撤去するポイントマシンの構造と電気方式確認
 連載講座の3線⇒2線化、最初から2線開発するなら別法ありと考えた検証です。
③ショートさせて通電性確保を図る完全選択式スイッチの構造確認


1.トングレール裏構造確認

トングレール先端裏は成形部材に覆われており、加工してサーボ制御に変更するのはほぼ不可能と判断しました、トングレール切替は先端からかなり離れた位置の微小ストロークで行っています。 ここで調査終了でも良いのですが、分解ついでに②、③について調査しました。 分岐側レールスイッチ接点がここにある事を覚えておいてください。


2.ポイントマシン構造
電気講座では解り易く説明する為に16番用ポイントマシンを使いました。 3線⇒2線化手法としてダイオード4本の方式を紹介しました。 既存3線式の2線化なら一番良い方法ですが、ゼロから2線式で設計するならもっと良い方法があると考えていました。

設計技術者は同じ事を考える様で、筆者が考えた通りの設計でした、鉄芯の替わりに永久磁石を使います。 ポイント制御線に電磁石ABを直列接続し、AB巻線方向を逆にするとN極S極が逆になります。 N極S極は引力、同極は斥力、ポイント制御線±を逆転すると電磁石磁極が反転し永久磁石付きスライダーが動きポイントを切り替えます。

電磁石コイルにはKATOに入っているサーモスタットはありません、通電し続けると発熱して焼損します。 モジュール化され補修部品として販売する意味が不明です、切替不良対策なら分解しスライダー周辺掃除が有効、コイル交換は効果ゼロです。 また焼損対策ならスライダーが溶けポイント昇天です、同じくコイル交換の意味はありません。


3.完全選択式スイッチ
TOMIXポイントは誰でも使い易くする為に、レールを細かく分割しポイント切替に応じて通電レールを切り替えるスイッチを内蔵しています。 通電不良の根源がどんな構造でどんな設計しているのか確認しました。(サーボ駆動条件で使えないと結論済み)

目が点になりました、トングレール側1ヶ所を含め赤丸8ヶ所で4本のレールをON/OFFしています、6ヶ所はリン青銅バネ、2ヶ所は何とコイルバネ代用です。 更に黄丸4ヶ所の完全選択式スイッチがポイント切替スライダーと連動します、バネ圧10gあるかないかの弱いバネです。 12ヶ所の接点中1ヶ所でも接触不良になれば通電不良が発生します。

一方筆者従来線使用中のKATOポイントはフログレールと選択/非選択切替を0.5mm基板ギャップをネジ締めで選択する方式、半田を盛ればこの部分の通電不良ゼロです。 建設以来4年間、塗装に起因する切替不良は数度発生しましたが、通電不良は皆無です。

TOMIXポイント12ヶ所の接点に流れる電流は、重連や2M編成で約0.5A、3重連や3Mフル編成なら約0.8Aです。 TOMIXが発注した基板メーカーはプロの仕事をしています。 通常の18μm厚銅箔でなく大電流用35or70μm厚銅箔で1mm以上のパターン幅で設計しています。 大電流を流すには基板パターンでもそれだけの厚みと幅が必要なのです。

その基板パターンに接する接点はパターン幅より狭い、しかも接触面は線に過ぎないリン青銅バネと通電部品ではないコイルバネです。 つまり1A近い電流を流せる電気的設計がされておらず、構造的にも非常に脆弱です。 以下問題点を列挙します。


①チリ・ホコリに弱い、バラスト粒などもっての外。
②狭い接点面積に大電流、しかも表面は決して平坦でなくスレッジが溜まり易い。
③水分が進入すれば接点に酸化膜が生成され通電不良原因になる。
④塗料?ボンド水?、そんなの耐えられる訳ないでしょ、自己責任で勝手にどうぞ。


筆者の結論:TOMIXポイントはレイアウトに使えない。

★レイアウトにTOMIXポイント使用中の皆様へ
筆者が元回路設計技術者であった事はブログで明かしてきました。 その後は商品企画・事業戦略・設計責任者を某メーカーで務めてきました。 経歴を誇るのではありません、元設計プロ、マーケティングプロ(今は只のオヤジです)としてお伝えします。

1.TOMIXの事業戦略
TOMIXは鉄道模型の敷居を下げ、言い換えればユーザーを『電気』から遠ざけ、誰でも簡単に楽しく遊べるレール/ポイントを発売して裾野を広げ市場を拡大しました。 その結果、初めて親に買ってもらった小学生でも、1電源リバース線なしなら複雑な線路配置でも楽しく遊べる環境を整えました、その恩恵を受けた皆さんも多いと思います。


事業拡大と利益追求する企業論理としてTOMIXの事業戦略は正鵠を得ており、功績も大きいと認めています。 しかし以下に述べる事はそれとは異なる顧客視点の話です。

2.TOMIXポイントの設計思想
TOMIXポイント設計思想は誰でも簡単に遊べる使い易さを最優先し、信頼性を確信犯的に犠牲にしています、オモチャに毛が生えた高級玩具的な御座敷運転用ポイントです。 欠陥商品とは言いません、他社とは商品開発コンセプトが全く異なるのです。 現役時代の筆者なら『お客様の事考えているのか!やり直せ!』と一喝する設計です。

3.TOMIXの社会的責任
現在のTOMIXにはレイアウト製作を推奨する資格がありません、大手メーカーとしての社会的責任を果していません。 現製品とは別にKATO/Peco並みの信頼性を備えたレイアウト組込専用ポイントを発売し、HP上で「電気区間の分け方」「絶縁ジョイナーの使い方」等のユーザー教育を行い、慢性的通電不良からお客様を解放すべきです。

それをこの様なエクスキューズでユーザーに擦り着けるのは、顧客軽視・利益優先の誹りを免れません。 これからの時代、顧客満足度を重視しない企業は生き残れません。


昨夜筆者ブログ掲示板にTOMIXからハイパワーポイント電源がリリースされたと情報がありました。(未確認です) 24Vで2倍の電流を流す仕様だそうです、切替不良対策にはなるでしょうが、ソレノイドは4倍の電力を消費します。 それだけの設計マージンがあるなら、最初から16Vなり19V駆動できた筈です。 ユーザークレームを信頼性を犠牲にして捩じ伏せる、ここにもTOMIXの企業姿勢が透けて見えます。

4.最後に
通電不良対策はレイアウト永遠の課題ではありません。 TOMIXポイント採用を決めた瞬間に通電不良に悩まされ続ける運命を背負い込んでいるのです。 TOMIX『完全選択式ポイント』をレイアウトに使用すると『通電不良完全保証ポイント』になります。


お断り:本日外出予定で頂戴したコメント開示と返信は夜になります。


ではまた。

露太本線の良く解るポイント切替電気講座④

今回筆者が【警鐘】を鳴らした最大の理由は安全性問題です。 失敗は表面に出てこないので、火事は起きてなくても、発煙程度はあって不思議ではなく、ポイントを昇天させた方はかなり居るのではないかと推定しています。


前回信頼性設計で解説した技法を使えば、アルミ電解コンデンサの信頼性は大幅に向上しヘビーユーザーでない限りレイアウト寿命を上回ると思います。 しかし、それでも部品は壊れます、安全性設計は最後の砦、生命保険の様な物とお考えください。


第五章:安全性設計
5-1.電解コンデンサの寿命が尽きた時

最初にショッキングな情報、アルミ電解コンデンサは寿命が尽きるとショートします。

【KATO電源ハイパーD ACアダプターシール】
これは電源回路やアナログ回路設計技術者の常識です。 従ってACアダプターは出力のアルミ電解コンデンサがショートしても絶対に『異臭』『発煙』『発火』しない様に設計されています。 そうしないと世界各国の安全規格を取得できず販売もできません。

安全性設計をしないコンデンサポイント切替回路のアルミ電解コンデンサ寿命が尽きて、ショートした時どうなるでしょうか?
①おかしいな壊れたかな?とパチパチやって充電側で止める確率は50%です。
②電磁石Aソレノイドに電流が流れ続け発熱します。

③この時点では目で見ても解りません、ソレノイドは更に加熱します。
④ソレノイド巻線間の絶縁層が熱破戒ショートすると抵抗が下がり電流が増えます。
⑤焦げ臭い匂いがした時にはポイントは昇天、煙が出るかもしれません。
⑥電源容量が大きいと最悪発火の可能性もゼロではありません。


【参考情報】KATOポイントはサーモスタット付き
『親爺ぃさん』がブログで実験しています。 KATOは誤使用や想定外使用時の最悪事態を避ける為、ポイント内にサーモスタットを入れています。 TOMIXは?、TOMIX腕木式信号機は?、道床なしPecoは?、ない前提で考えるべきです。 またサーモスタットを作動させる実験はソレノイドにダメージを与えるのでお止めください。


5-2.大規模レイアウトほど安全性設計が重要
ポイント数8個の小型レイアウトと32個の大規模レイアウト、安全性リスク(故障率)は何倍違うと思いますか?。 ポイント数4倍だから4倍は不正解です、安全性と信頼性は表裏一体の関係です、具体的に説明するので電卓をご用意ください。

コンデンサポイント切替採用レイアウトで設置5年経過後の各ポイント信頼性を99.5%と仮定します、故障率0.5%です。


①電卓に0.995と入力しX=を3回繰り返してください、答えは0.961、これがポイント8個レイアウトの信頼性、故障率3.9%です。(2の3乗は8)
②更にX=を3回繰り返してください、答えは0.726、これがポイント32個レイアウトの信頼性、故障率27.4%です。(2の6乗は32)
4倍ではなく7倍になっています。 前回信頼性設計で部品選定や用法で信頼性が5-10倍異なると説明しました、以下に信頼性が低い場合の故障率試算結果を示します。


①信頼性99%の場合:ポイント8個故障率7.7%、ポイント32個故障率47.7%
②信頼性97%の場合:ポイント8個故障率21.6%、ポイント32個故障率85.8%
③信頼性95%の場合:ポイント8個故障率33.7%、ポイント32個故障率96.2%
システム全体の信頼性は構成要素個々の信頼性の掛け算になります。 


寿命が尽きるとショートするアルミ電解コンデンサポイント切替の安全性向上には、信頼性向上が必要不可欠であり、大規模レイアウトほどその重要性が高まります。


5-3.最低限やっていただきたい事
万一の場合に備え最低限やっていただきたい安全性設計です。

筆者が25年前息子と遊ぶ為に「仕様を決め」「設計し」「製作した」現在露太本線従来線で使用している2ch走行電源です。 ブレーキ操作性向上と速度計追加の修正で順調に動いています。 赤丸出力部を拡大します。

市販走行用電源には過電流保護回路が内蔵されており脱線ショート事故を起こしても電源が壊れる事はありません。 自作電源なので当初青丸部ヒューズホルダーに1Aヒューズを差して使用しました。 線路敷設と試運転段階で次々と切れ在庫の10本はアッと言う間に底を尽き、こりゃたまらんと基板裏に直付けしたのが赤丸ポリスイッチです。

上記電源に設置したポリスイッチ特性図を示しました。 定格電流0.65A、蒸機重連運転でも余裕がある仕様を選びました。 定格電流の2倍で「トリップ」、文字通りブッ飛んで高抵抗値になり回路を遮断します。 電流値が下がれば0Ωに復帰する自動復帰型保護素子で、図の様なヒステリシス特性を持っています。

ポリスイッチを電源に挿入すれば最悪の事態を防げます。 ポイント昇天を防ぐかは微妙ですが発煙発火は確実に防げます。 筆者推奨秋月電子通商掲載品は以下の通りです。 KATO、Pecoの測定データがないので念の為2品種例示しました。
①ポリスイッチRXEF110・・・より安全です。
・商品コード:P-01356
・仕様:1.1A トリップ電流 2.2A 耐圧 60V
・価格:30円/個
②ポリスイッチRUEF135・・・万一通常切替で①がトリップする場合。
・商品コード:P-00771
・仕様:1.35A トリップ電流 2.7A 耐圧 30V
・価格:30円/個


★用法1・・・ポイント電源出力に1個挿入
これで安全性が保たれます。 ただしポリスイッチが作動した時、全ポイントが動かなくなります。 故障ポイント特定にはテスターでショートしているアルミ電解コンデンサを探し、交換する必要があります。
★用法2・・・各ポイントに1個挿入
安全性は用法1と同じ、動かなくなったのが故障ポイント、特定が容易です。
★用法1.5・・・モジュールに1個挿入
用法2の応用としてモジュール毎に1個挿入する用法も可能です。 故障ポイント特定はモジュール内だけで済みます。


★重要なご注意
トグルスイッチ1個で渡り線など2個のポイントを連動制御する場合は、必ず用法2を採用してください、通常切替電流でポリスイッチが作動し(あるいはしかかり)、切替確実性を損ないます。 それを避ける為の大容量ポリスイッチでは安全性を確保できません。


ではまた。

露太本線の良く解るポイント切替電気講座③

前回までポイントマシンと純正ポイントスイッチ使用時の電流波形を解説してきました、ご理解いただけた前提で進めます。 ネット情報に動作原理や工作記事は数多くあれど、信頼性・安全性・設計手法の解説は見当りません。 どうせ始めた講座なら、今後の標準技法になる物にしたいと欲も出てきました、設計手法にはデータがまだ不足しています、今回は信頼性設計を中心に説明します。


第三章:コンデンサポイント切替の動作原理とメリット
3-1.動作原理

動作原理は皆さんご存知だと思いますが、これから採用する方の為におさらいします。

説明図はスライドスイッチになっていますが、実際は2Pトグルスイッチを使います。 この状態にスイッチを切り替えると、電源から電磁石Aソレノイドを通してコンデンサが充電され、その充電電流でポイントマシンを作動させます。 充電完了すると電流が流れなくなるので、トグルスイッチでもソレノイドが過熱する事はありません。

トグルスイッチを切り替えるとコンデンサに充電された電気(正しくは電荷)が電磁石Bソレノイドを通して放電され、放電電流でポイントマシンを作動させます。 電気的には皆さんが理解している動作原理は正しく非の打ちどころがありません。 でも大切な事が抜けているのです、それが今回のメインテーマ信頼性設計です。


3-2.メリット
コンデンサポイント切替の公開情報には2つのメリットが書かれています。
①Pecoポイントを2線で制御でき配線の負荷を軽くできる。
②トグルスイッチでポイント開通方向を表示できる。
①はPecoユーザーだけのメリットです、②は純正スイッチも開通方向を表示します。

露太本線コントールパネルは、左右2chコントーラ中央に本線x3、構内線x7のフィーダーセレクタを設置し、2P&3Pトグルスイッチで左右chまたはオフを選択する方式です。 その間にポイント・腕木式信号機スイッチを一部連動化して置いてますが、ポイント数20以上のレイアウトでは、スイッチスペースと操作性でこの方式は使えません。

本講座開始までコンデンサポイント切替に興味がなく気付きませんでしが(鈍っ)、採用者が多いのはこの例の様にコントロールパネルにポイント切替トグルスイッチを配置し、小型化と操作性向上を両立する事が最大のメリットだと思います。


第四章:信頼性設計
4-1.信頼性への筆者懸念
コンデンサポイント切替に使用されるコンデンサはアルミ電解コンデンサです、低価格、小型で大容量実現可能だからです。 特に1000μF以上の大容量コンデンサは、AC/DC、DC/DC電源出力に使用される事が多いので、その用途向けに設計されています。


★筆者懸念 その1 急速放電特性は大丈夫か?
一番身近な電源ACアダプターを例に説明します。 ACコンセントに差した瞬間から出力に含まれるリップル(直流に重畳された交流分)を吸収する役割のアルミ電解コンデンサは急速充電に非常に強い部品です、その様に設計されているからです。


一方、急速放電で使うカメラフラッシュ用コンデンサは用途に合わせた専用設計です。 アルミ電解コンデンサの急速放電耐性は、製造メーカー向け納入仕様書に記載されているハズですが公開資料には載っていません。 部品保証範囲外の使用ならば信頼性を損ないます。 筆者経験からすると多分大丈夫、しかし確認できないので注記しました。


★筆者の懸念 その2 最初に壊れるのはコンデンサ
トグルスイッチをへし折る力で操作したり、ポイントマシンをとんでもない高電圧で作動させない限り、最初に寿命を迎え壊れるのはアルミ電解コンデンサです。 ポイント切替システムの寿命を決めるアルミ電解コンデンサの信頼性を高くするべきだと思います。


4-2.アルミ電解コンデンサ信頼性向上策
★部品選定で可能な信頼性向上
一番使われそうな2200μF/35Vを例に秋月電子通商リストから2種例示します。
①(通常型)アルミ電解コンデンサ・・・皆さんが選ぶ部品、安いですから。
・商品コード:P-08427
・仕様:2200μF 35V 105℃
信頼性保証時間:2000H
・価格:60円/個
②電源用アルミ電解コンデンサ・・・筆者お薦め
・商品コード:P-02723
・仕様:2200μF 35V 105℃
信頼性保証時間:10000H
・価格:100円/個
信頼性保証時間とは、この時間経過後の初期値からの劣化を示す仕様で、それ自体が寿命ではありませんが、価格は1.7倍、寿命は5倍と考えて良いと思います。 ACアダプター出力用として使用頻度が低い安物は①、そうでない物は②を使用しています。


★配線法で信頼性が大きく変わる
ヘビーユーザーが1時間/日レイアウトに通電(運転ではありません)する仮定で約6年で2000H、実力余裕を加えても10年前後で寿命リスクが高まります。 でも、チョットした工夫で信頼性を大きく向上する秘策があります。

上記の良くある線路配置、本線と待避線のある駅です。 左右のポイント配線を信頼性に配慮して行う人はまず居ないと思います。 筆者がコンデンサポイント切替を使うなら、本線定位側が放電側になる様に配線します、放電時は寿命カウンター停止だからです。


設置後でも定位が充電側なら、マシン配線を入れ替え、トグルスイッチを180度回転させれば放電側に変わります。 通電時常に寿命カウンターが進むか、待避列車で反位に切り替えた時だけ進むか、その差は10倍以上あるのではないでしょうか? これをやるだけで電解コンデンサとレイアウト、どっちが先にくたばるか(笑)になると思います。
 
解り易く、かつ正確で役立つ情報発信を優先すると手間がかかります。 今回はここまでとし、安全性は次回にします。 コメントお待ちします。


ではまた。