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。

電源設計 予備講座

前回開発コンセプトで『誰でも簡単に作れる』と言う目標を掲げましたので、今回はそれを実現する為に予備知識を解説します。


1.延伸線用電源開発仕様
筆者自身用に製作する電源仕様を説明します。 この回路設計製作に合わせ、電源電圧12V/16V時の部品最適化、機能取捨選択、関連する応用技術実験と解説をします。

①電源電圧9V、フルスペック電流容量1.2Aの走行用を2CH製作します。
②補助電源としてボリューム制御1CHを追加製作し写真撮影等に使用します。
 力行/制動は実感的な反面面倒な場合があります、筆者は超せっかちです(笑)
③極スロー運転可能な低周波二重変調PWM切替機能搭載を検討します。
 モーター唸り音除去不可能なので推奨しません、採用は自己責任でお願いします。
 実験結果により二重変調を中止し、動画撮影限定機能とする場合もあります。


[註]補助出力は左右CH繋ぎ換え、Max2CH使用ですので電流容量2.5AでOKです。


2.用語解説
可能な限り専門用語を使わず平易な解説を心掛けますが、最小限必要な用語です。
2-1.波形の名称
PWM電源設計に登場する波形の名称を覚えてください。

①正弦波
交流基本波形のサインカーブ、家庭用100V電源はこの波形です。
②矩形波(kukeiha)
HとLだけのデジタル波形でPWMの基本波形になりです、方形波とも呼ばれますが本講座では矩形波を使います。 
③三角波
HとLの間を行ったり来たりする波形です、PWM制御に登場します。


2-2.デューティー比
PWMに使用する矩形波にはデューティー比という概念があります。

上記3波形は周期(=周波数)は同じですがHとLの時間比が違います、デューティーX%とは周期のX%がHで残りがLの意味です。 PWM電源出力はこの波形で、デューティー比が高まるに従って速度上昇し、数%から十数%は走行せず常点灯域になります。


とりあえず『矩形波』『三角波』『デューティー比』の三つを覚えていただければ本講座の落ちこぼれになりません(笑)、他は必要に応じ随時解説します。


3.守っていただきたい事
本講座により電源を製作される方は、以下3点を必ずお守りください。
3-1.半田付け作業は電源OFFで

回路部品半田付け及び半田修正を行う場合は必ず電源OFFで作業してください。 メインSW OFFでもOKですが、ウッカリミス防止にはコンセントから抜くのが確実です。


3-2.単一電源
電源電圧12V/16Vの場合は速度計電源9Vを三端子レギュレータで作成し、単一電源動作させます。 複数別電源で動作させると部品破損リスクが高いのでお止めください。


3-3.指定電源と保護素子のセット使用
電源電圧とCH数により指定電源と保護素子が異なります。 セットで使用しないと保護素子が正常に動作せず、安全性/運転機能に障害が発生しますのでお止めください。


4.その他
2項は『覚える事』、3項は『守る事』、4項は『知っとくだけで良い事です。
4-1.部品選定と調達先について
本講座では調達容易な秋月電子通商扱品から目標仕様達成に最適部品を選定して設計し、商品コード/単価を明示します。 指定外部品使用は性能保証できませんので、自己責任でお願いします。 ただし部品名/規格が同じであれば他の調達先でもOKです。

特に秋月の抵抗は100本単位販売なので、極力少品種設計しますが、使用数1本の抵抗もありますので、抵抗調達先は各自のご判断にお任せします。


4-2.ディレーティングについて
秋月の部品仕様、例えばトランジスタに40V/3A等と記載されています。 これは40V/3Aまで使えるという意味ではなく、どんな条件でも超えてはならない限界値です。 電圧/電流限界値の他に電力の限界値『許容損失』があります。 前項抵抗の1/6Wがそれで、この抵抗は1/6Wまでの損失にしか耐えられませんという意味です。

【『模型照明の電気講座②』より転載】
過去記事で3mm砲弾型LEDを推奨条件20mAでストラクチャ照明に使用し不良多発で痛い目に逢った失敗談を紹介しました。 狭い場所に押し込む温度条件のディレーティングができてなかったからです。 ほぼ全ての電子部品に許容損失が決められています。

周囲温度が高くなると許容損失はどんどん低くなっていきます。 ディレーティングとは部品の最大能力に対して安全マージンを確保して使用する事です。 特にトランジスタや三端子レギュレータなど大電流が流れる部品には重要で寿命に大きく影響します。
本講座電源は50℃/75%のディレーティングで設計します。


4-3.使用計測器について
PWM周波数は可聴周波数の上20kHz、高周波と言っても超音波域の低い周波数です。 しかしデューティー5%(12V電源なら0.6V)の常点灯パルス幅はわずか2.5μsec、周波数換算で400kHzです。 そのパルス立ち上がり、立ち下がりがシャープな広い常点灯特性を設計をするには、最低パルス幅の1/20以上、400kHzx20=8MHz帯域幅の計測が必要です。 たかが鉄道模型PWM走行電源でも高機能計測器がないと設計できません。

【筆者購入100MHzデジタルストレージオシロスコープ】
筆者が昨年コレを導入したのはPWM電源自作が目的でした。 最低必要帯域幅20MHz品が¥25,000、でも画面小さいし、帯域幅30MHz、60MHzと性能に応じ絶妙な価格設定、結局100MHzを選択しました。 30年前職場のオシロは10MHz/20MHzが普通、1台だけの100MHzは奪い合い、当時100万円近くした計測器が5万円なら納得です。


4-4.個別相談について
『コンデンサポイント切替電気講座』開講時と同様、情報公開責任として個別相談を受け付けます。(相談ありました) 『個別相談』と明記し連絡先メアド添付の上、拙ブログコメントへお寄せください。 非公開とし個別対応します、HNでOK、勿論無料です。 個別案件相談、こんな質問するの人に聞かれたら恥ずかしいでも結構です(笑)


ではまた。

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