遊園電子工房ブログ　枡形山の麓から

世間がコロナで仕事も少々暇だった時期に久しぶりに鉄道模型をいじり始め、それに合わせてパワーコントローラ（パワーパック）の製作に手をつけました。どうせ作るのなら、今の時代に合わせてワンハンドルのマスコンを使ったコントローラを作ってみようと、できるだけ市販されている部品を使って試作したメカ部分がこれ。側板とカム、一部の板金部品は特注品です。これにAVRマイコンを使ったPWM制御基板を設計して組み合わせました。

鉄道模型（ここではNゲージ）で停止時にも車両のライトを点灯させる、いわゆる常点灯を実現しようとすると高周波のPWMを使うのが常道です。およそ20キロヘルツ以上の幅の狭いパルスであればモータを回すことなくLEDのみを点灯させることができます。但し最近使われ始めたコアレスモータ（スロットレスモータとも言います）の場合は、そうでは無いこともあるようですが、手元にコアレスで照明付きの車両が無いので、ここのところは検証していません。

この高周波のパルスのデューティ比を上げていけば（周波数はそのままでパルス幅を広げる）車両は走り出します。ところが従来型のモータであると、突然走り出す、いわゆるロケットスタートになってしまいます。もし、実際の車両でこのような起動をしたら乗客は全員転倒し大けがです。そこで、起動をゆっくりとさせるためには高周波ではなく低周波の信号が必要となるのですが、常点灯も成立させるため、低周波と高周波を重ね合わせた信号を使うということになります。低周波はおよそ50ヘルツ前後、高周波は20キロヘルツ以上ですが、この50ヘルツがくせ者で人間の可聴帯域であるので、ある程度回転が早くなるまでジーという音が。ある程度広い部屋や騒音のある場所ではそれほど気にならないかもしれませんが静かな場所では邪魔な音。気分的にイヤなので開発作戦をスタート。

なぜ音がするかを考えてみると、50ヘルツという低い周波数であるとモータは動いたり止まったりを繰り返しているからということなんですね。特にPWMでは、オンとオフの繰り返しなのでその影響か顕著に表れてしまいます。昔ながらの直流制御のコントローラであれば、モータに印可されるのは直流電圧、即ち電流が途切れることが無いので静かです。ところが直流電圧であると、ある電圧超えたところでいきなり回り出す、先にも述べたロケットスタートで走り出してしまいます。結局、ゆっくり起動するには低周波が必要ということに。でもPWMではだめ。さてどうするかということなのですが、電流をなるべく切らなければ良いということをヒントに初めに試したのが全波整流した正弦波。50ヘルツ程度の正弦波を用意して、これを絶対値回路を使って全波整流（正弦波のプラス側にマイナス側を反転したものを加算した信号）し、これを元に高周波の常点灯用のPWM波と合成しトランジスタまたはMOSFETで出力。これで静かに回せました。

波形を見ると分かりますが、オフ（＝0）になっている時間が短いんですね。結果、ジーとかブーとかいう耳障りな音は聞こえません。おまけに上品にゆっくり起動させることができます。まあ、これでも良いのですが綺麗な正弦波をワンチップで出せる安価なICが現時点ではないこと。だいぶ前だとICL8038といった便利なICがありました。何か無いかと探していたら、XR-2206というICを見つけて海外から送ってもらったのですが、メーカーでは既に製造中止。オペアンプで正負両電源を使って作るのもどうかなと考えていたところ閃きました。三角波でどう？三角波であれば比較的簡単なオペアンプ回路、おまけに単電源で作れそうだということで早速試作。ただ、当たり前の話しですが正弦波にせよ三角波にせよデューティを100％（ハイベタ）には出来ないんですよね。でも、実際のところ必要としているのは最高速ではなく「上品で静かな起動と加速」なので、ここは割り切ろうということで、三角波と高周波のPWMの合成で動作検証を進めました。

検証中に「リバースエンジニアリング」で他社製品を試してみたときに気がついたのですが、常点灯用の高周波パルスは連続で出さなくても良いのだと。（さすが専業メーカーだけあって、うまく工夫されています。）そこで早速、低周波の三角波を基準にしてコンパレータで三角波の一定区間を取り出して、その区間のみ高周波を合成したところ超低速な部分がさらに下げられました。この起動と低速性能であれば「お召し列車」を引いても文句は出ないのではないでしょうか。

高周波の幅の狭いパルスは従来型のモータでは回転力にはならないと考えていましたが、実のところは回す力になっているということですね。点灯に必要なだけのパルスを合成することで不要な駆動力を減らせるので、結果として低速性能が更に良くなるということだと思います。この検証の終わった回路でプリント板の設計が終わったので、近日正式なものを組んで再度動作を検証します。

試作中のNゲージ用パワーユニットはこんな感じです・・ということがわかるようにTOMIXのEF210（従来型のモータ車）を走らせて動画に撮ってみました。（音はありません）
先ずは発進と停止。

次に超低速走行。（1分35秒くらいから更に速度を2段階にわたって下げています。）

パンタグラフを上げていませんが、気にしないこと！

次はブレッドボードによる試作回路の様子。きれいな加減速をさせるため、撮影用にマイコン制御でボリューム部分を数値制御しています。基本回路自体はボリュームのダイヤルを回して制御します。
なお、ワンハンドルのマスコンユニットで制御というときはマイコンによる制御になるので、ボリュームとマイコン、どちらにも対応出来るように考えてあります。

ライトは高周波のPWM制御ですが、モータ駆動はPWMではないので低周波のPWMにありがちなノイズはありません。（但し車両によっては若干聞こえることがあるようです。動画で使ったEF210ではPWMによるノイズはありません。）

Nゲージ用のパワーユニット（パワーパック）を動作検討中です。「静粛性と超低速」が今回の開発目的なんですが、TOMIXのEF210を使って1センチ進むのに50秒程度という低速性能が出せました。よく見ないと動いているのがわかならい・・・というレベル。起動加速もスムースになったし、これで回路設計完了。問題は部品コストで、量産メーカーと桁が違う。軽自動車と超高級車って感じ。

前回の続きです。
動作波形をキャプチャしました。ネットでも見かけましたが、モータを接続した状態で取得すると何だか分からない波形になってしまうのでMOSFETのゲートの信号です。上がゲートの信号、下はトリガに使った低周波側の信号です。先ずはダイヤル位置が0。（左いっぱい）

次に25％位置。

次は50％。

次は75％。

そして100％。

少し拡大してみましょう。
25％では、

トリガ信号のHighの間では、全くパルスが出ていません。
そして50％。

25％では無かった低周波のHighの部分にもパルスが出てきます。そして、Lowの部分とHighの部分でパルス幅が違います。
次に75％。

50％と同じく、HighとLowの部分にパルスが出ていますが、50％と比べると明らかにパルス幅が広くなっています。
部品点数も少なく（＝コストも安く）簡単な回路ですが、うまく考えていますね。

動かす車両（モータ）によって違いはありますが、PWMなのでどうしても低周波側の耳障りなノイズが出てしまいます。かなり抑えられていますが、どうもこのノイズが不快なのでPWM以外の方法で実験中です。

某社製の鉄道模型用の電源ユニットの回路解析をしました。自動車用のECUの解析をいくつもやった思い出がありますが、久しぶりの回路解析です。

全回路の解析をしましたがモータを動かす部分はこれだけ。材料費は400円もかかってないかな・・と思います。市販品なので当然保護回路もありますが、上の回路図では省略。あくまでモータを動かすところだけ。この回路図を元にブレッドボード上で回路を組んで動作を確認しましたから、この通り組めば動くはずです。2個使っているシュミットインバータは表面実装品ではなくDIP品の74HC14で問題ありません。但しDIP品だと6個のインバータが入っているので未使用の入力は処理しておくことが必要です。また、MOSFETはNチャネルのTO-220パッケージの2SK2232（100円程度です）などで構いません。インバータの入力にある152（高周波パルス用）と224（低周波パルス用）のコンデンサは値を変えれば周波数が変わります。ここでは、低周波側を下げたかった（50Hz位)ので224としましたが、実際の製品ではもう少し周波数が高く、104程度かと思います。（表面実装部品の場合、コンデンサは値が記されていないので正確な値が読み取れません。外して測るという方法はありますが・・。）

起動時に（モータによっては）若干唸りますが、スロースタートもできるので、電源別で3千円程度にしては総じて良く出来ていると思います。

この電源ユニットですが、電源投入時に保護動作に入ってしまうことがありますね。保護回路はコンパレータを使った「かなり凝った回路」で、こちらも動作解析をしてみようと思います。IC1個で実現できるものもあるのですが、コスト面でこの回路を採用されたのでしょう。

オシロスコープのキャプチャ画面はモータの駆動波形です。

以前製作した電子負荷基板にCPUを載せて、RS232Cでも制御できるように改良。

手前左のロータリーエンコーダでも制御できるし、通信でも設定できる。

放熱の具合を検証した結果が以下。

13.8Vで5A流したところ、
一般的な安価な絶縁シートでは、あっという間にドレインのリードが100℃を超え、
少し高価な白い絶縁シート（たぶん信越のTC-30BGだと思う)では同じくドレインのリードが90℃で平衡。
絶縁シートを使用せずにグリスのみでは54℃で平衡と、その差歴然。（このときの室温は20℃）

放熱器は絶縁してあるのでMOSとは絶縁しなくても電気的には問題無い。入力側にいれてある（写真右）逆接保護用のダイオードは絶縁。こちらはカソードのリードで5A時に34℃なので全く問題なし。
以上から、POWERMOSはグリスのみの使用とすることに。電流をもう少し上げて13.8Vで10A流すと、ドレインリードで87℃で平衡。計算上ではジャンクションの温度はもう少し高いはずで、最大定格ギリギリのようにも思えるので、次回は定格のもう少し高いPOWERMOS(TJMAX 175℃)に変更しようと思う。

今回は入力電圧をAVRマイコンのADCで読ませたのだが、残念ながらバラツキが大きく使い物にならず。なので次回はADCをI2Cの16ビット外付けに変更。別基板に載せているADCとつないで実験した結果、とても安定しており問題なし。写真の右へ出ている細いリード線がその検証に使ったもの。
また、放熱器の温度測定用に温度センサを置いてみたけれども、この型だと放熱器に固定してもあまり意味無いかなとも思うので、ネジ留め式のサーミスタに変更するか、あえて載せるのをやめるか。

他にも変更の必要があるところがいくつかあったので、近日中にもう1回変更したもので実験予定（最終確認）ということにしました。因みに放熱器は強制空冷の0.16℃/Wという、結構良い物を使っています。
（実は風量調整できるようにPWM制御ポートにトランジスタを入れて駆動しています。今のところはオンオフ制御だけですが。）

3chのハイサイドスイッチ+1chのローサイドスイッチを組み合わせた基板ユニットの動作検討。
ハイサイドスイッチに13.2V 9.5Aを30分連続通電。室温22℃に対して放熱器上部の表面温度は35℃でした。もう少し小さめの放熱器でも良かったかな？
MOSFETをバックツーバックで使っているので両面使える放熱器を探した結果、これが適当でした。ビスによる固定ではなくクリップ留めで放熱効率も良いはず。

電流を上げていくと10.5Aで過電流検出し停止。コネクタの定格が10Aだから、もう少し下げるか、またはコネクタを一回り大きいものか端子台にするか要検討。

相手をさせた電子負荷ユニットは、MOSFETのドレインリードが62℃。空冷のフィンが42℃。（MOSFETは2パラです）
120W程度なら余裕の動作でした。

　相変わらず半導体不足が続いており、使いたいと思う部品が入手しづらいなか、電子ヒューズ（パワーリミッタ）を試作しました。通常、検査装置ではリレーを使って電源を制御することが多いのですが、検査する製品に短絡などの異常があって想定外の電流が流れた場合、検査装置を壊すことが希にあります。ガラス管ヒューズでは状況によっては切れなかったり、リセッタブルヒューズでは保持電流が流れっぱなしになるといった状況があるので何か良い方法が無いかなと思っていたところ、パワーリミッタなるICを見つけました。簡単に言うと、過電流検出の付いたパワーMOSの半導体スイッチです。ディスクリートで組むよりも小型で信頼性も有りそう、かつ低電圧、過電圧での遮断もできるというなかなかの優れものです。今回の試作での検証で大きな問題は無かったので、少しの修正を入れてVer.2へと進む予定です。

今まで米麹を使って甘酒をつくるときは、ご飯をおかゆ状にして乾燥米麹と合わせていましたが、お正月のお餅用に購入した餅米の残りがあるので餅米でつくってみました。餅米（乾燥状態）で200グラムを洗米後に一晩水に浸漬し、おかゆに炊きます。温度が60℃程に下がったら乾燥米麹を150グラム混ぜ、状態に応じて少し水を足し、殺菌した瓶に移してヨーグルトメーカーに入れ、60℃で8時間。これで出来上がり。これを好みの濃さに（お湯で）薄めて飲みます。お米の粒が残った状態なので、飲みにくければブレンダーで細かくして。うるち米でつくるよりも甘い甘酒ができあがります。甘酒は「飲む点滴」とも言われているそうで栄養満点。ヨーグルトメーカーがなければ魔法瓶でも。番外編でした。

鉄道模型用のストラクチャーの照明用に作ったプリント基板です。LEDを2個載せてあり、電源は12V。電球色と白色の2種類。商業施設やビル用は白色。飲食店店舗や個人住宅では電球色が似合います。ビルの場合は最上階のみ電球色、その他の階は白色という使い方も面白いですね。市販のストラクチャーの場合、組み合わせ部分の隙間が結構あるので光漏れを防ぐのが手間ですが、これも工作としては面白いのではないかと思います。