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。

高機能電源⑨速度計の設計

高機能電源目玉の速度計設計がようやく完了しました。

【地平線近くから昇る初日の出】・・・この季節以外は八ヶ岳山陰から

【元日の八ヶ岳連峰主系列】


1.速度計の設計
1-1.回路方式
最初に復習を兼ねて回路方式を解説します。

【2018.02.12更新】
従来線速度計設計の考え方と回路方式は紹介済みですが、非PWM、常点灯非対応、ゼロ表示ズレの問題があり、高機能電源速度計は100%新規開発でかつ低コストです。

【『高機能電源②』より転載】
常点灯時ゼロ表示、走行電圧と速度計表示を同時に上昇させる為に、電圧計GNDと測定マイナス端子が独立した電圧計を使った走行電圧と常点灯電圧分圧方式が原理です。

【最終回路ブロック図】
実際に回路設計した結果、速度計表示を安定させるには走行電圧でなくVcompと常点灯電圧分圧方式が必要と解り変更しました。


1-2.速度計用電圧計
速度計は最大表示199.9mV(km/h)の電圧計で筆者は1台壊した経験があります。 多分電源切らずに半田作業した際の過大入力が原因と推定してます。

【開梱した速度計用電圧計】
一番厳しい条件は常点灯未調整でマスコンON、速度計上昇しても停車、HL点灯してから走行開始の操作パターンで、通常操作ではありませんが、どうなるか検証が必要です。

【B5サイズの取説】
電圧計の詳細仕様書がありません。 測定端子絶対最大定格(超えると破損)はどこにも書いてありません。 200mV以上入力時は『オーバーレンジ表示「1」』と記載されてるので、+10%、220mV程度なら表示「1」になるだけで破損しないと考えられます。


1-3.回路設計

【『高機能電源③』より転載】
この実験結果で実速換算と感覚速度の関係は1:0.8でした、筆者従来線は設計ポカミスで1:0.92になってますが特に違和感ありません。 最大表示199.9mVについては、ノッチ4/9Vの筆者仕様は問題ありませんが、ノッチ4/12Vのお薦め仕様A/Bは上側余裕が不足しました。 そこで以下2点により設計条件をクリアする事にしました。


ゼロ調整1.6V⇒1.7V変更
三角波下限1.9Vからの余裕を0.3V⇒0.2Vに詰めて設計マージンを増やします。

この変更により常点灯制御特性も変化します。 立ち上がりが更に早くなり30度回転で点灯開始、調整上限電圧も2.85V⇒3.0Vに若干高くなります。


車種速度比0.7を遵守し、実速/感覚速度比0.8の幅を許容する
常点灯調整に係らず実速/感覚速度比一定にするには、A/D、D/Aを含むプログラマブルシステム、例えばArduinoを使わないと無理です。 車種速度比は物理量ギア比で決まるので重視しますが、実速/感覚速度比は1:0.75-0.9の雰囲気重視設計にします。

【速度計分圧回路】
Vcompと常点灯電源間をR74/R75合計102.7kΩとR76/R77合計3.17kΩで分圧し、測定端子プラスに接続します。 分圧比は0.0299倍(3.17/3.17+102.7)になります。


C53/0.1μFはノイズ除去パスコン、応答遅れ0.06秒は実用上問題ありません。 車種選択スイッチでR78/R79を並列接続すると速度計表示が常に0.71倍になります。 R80/10kΩは常点灯電源ラインを安定させるプルダウン抵抗です。

【速度計回路図】
速度計分圧回路をVcompにそのまま接続すると、分圧回路抵抗でC51/330μFが放電し、加速度制御/惰行/制動回路が正常動作しなくなります。 そこでタップ回路と速度制御回路を分離した様に、オペアンプバッファで速度制御回路と速度計回路を分離します。


1-4.速度計表示シミュレーション
常点灯調整1.5V、1.0V、非調整の3条件での速度計表示をシミュレーションしました。

常点灯1.5V調整時の各タップ最高実速換算と表示速度です。 走行開始電圧2Vとすると速度計9km/hで発車します。 タップA-Fは78%-82%と安定してます、タップGで83%と少し高くなり、速度が下がるに従い更に実速換算に近付きます。

常点灯1.0V調整時です。 走行開始電圧2Vとすると速度計18km/hで発車し、タイミング遅れ違和感が出ると思います。 タップA-Dは82%-86%と安定してますが、タップE-Gで高くなりGでは96%、下側不感帯の影響で低速域では実速換算を超えます。


以上から、常点灯を高目に調整するとマスコンONで即発車、速度計表示精度も高くなる事が解りました。 常点灯1.0V調整が実用的な下限条件だと思います。

常点灯未調整でマスコンONした場合です、EC/DCのタップAは107%のオーバーレンジで「1」表示になります。 タップA-Cは100%未満ですが、タップD-Gは速度計表示が実速換算を上回り実用になりません。 ちなみに走行開始電圧2Vとすると速度計42km/hまで発車しません。 常点灯未調整は速度計実用外ですが壊れる事はありません。

【高機能電源速度計表示特性】・・・通常モーターEC/DC
特性図にするとイメージが掴み易いと思います。 通常モーターEL/DL/SLは縦軸が約0.7倍になります。 この理論設計結果の基板実装と実証実験が次のステップになります。

【『がおう☆』さん2018..12.28更新】
コアレスモーター車については湖南工場にお願いした委託整備終了後に常点灯性能評価と速度計表示シミュレーションを行う予定です。


ではまた。

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