HOME >> 鉄道模型実験室 > 電源供給ラインの改善

鉄道模型実験室  電源供給ラインの改善

■ はじめに

 走行する動力車から有線通信によってデータを収集しようとするプロジェクトも、それなりの目途が立ってきたが、まだ大きな課題が残っている。 それは電源供給ラインの電圧降下の問題である。 その改善を進めてきたが、改善なのか改悪なのかの狭間に落ち込み、四苦八苦している状況である。 その足取りを記録して置く事にしよう。

 

■ 電源供給ラインの問題

 このプロジェクトで改良してきたシステムには、電源供給ラインにおいて、電圧降下の問題が発生している。 その様子は、「試験走行のための準備」で述べている。 レール面の電圧と、電圧測定点での電圧差が、無視できる値とは言い難い結果となっていた。

 100〜200mA の時に 0.15volt の電圧降下が発生しているということは、約1Ωの抵抗が有ったという事であり、抵抗としては僅かであるが測定の目的からすると影響度合いは無視できないと判断する。 この供給電圧の測定誤差については、改善課題としておいて、システム検討を進めたが、その目途が立ったので、この改善課題に取り組んだ。

 まず、問題点を整理しておこう。

 課題1) 測定ゲートのレールと測定ポイントとの間に介在物が多い
今回のシステム変更によってレールへの給電ポイントが測定ゲートから離れた場所に設置することになった。 さらに、給電ポイントと測定ゲート間のレールには、分岐用のポイントが介在し、レールをつなぐジョイントをいくつか通過する羽目になってしまった。 さらに、供給電圧を測定する電圧測定点と給電ポイントの間には、レールの極性を変更するリレーも存在し、配線も長くなっている。 このため、計測中に走行しているレール面と電圧を測定する測定点の間には、大きな抵抗が介在するようになったのである。
 課題2) レールの極性が反転する
さらに厄介なのは、旋回方向を逆転させるので、レールの極性が反転するのである。 ご存知のように、Arduino のアナログ入力はマイナス電圧を測定出来ないので、レールの両側を単に接続するだけでは対応できない。 何らかの回路の工夫が必要であるが、自分にはその対応技術を持ち合わせていない。
 課題3) ゲート1とゲート2の極性が反対になる場合がある
リバース走行時には、ゲート1とゲート2の極性が反対になるので、話はさらにややこしくなる。

  .

 

● ブリッジダイオードを使って極性をそろえる方法は?

 まず最初に発想したのは、測定ゲートの近くに設置した測定点から電圧を計測し、レールの極性変化をブリッジダイオードで極性をそろえて測定する方法である。 でもこのアイディアはブリッジダイオードのカタログを見て、すぐに諦めざるを得なかった。

 右に、ブリッジダイオードDIP型DI1510 のカタログを示す。  その電圧と電流のグラフであるが、100mA 時には 0.8volt の電圧降下が発生していることを示している。 電圧降下量が分かっているのなら、電流値から修正できるとも考えられるが、電圧降下の防止対策には相反する要素であるので、このアイディアを破棄した。

 

● 回路の改善

 設定してきた線路の走行状態を分析していた結果、ゲート1の線路とゲート2の線路を直接接続しても問題の無いパターンが有ることに気が付いた。 そのアイディアを煮詰めて下記のようなパターンを採用することにした。

  .

 分岐ポイントの近くに新たにギャップを2ヶ所設置し、右半分の線路をすべて接続する。 勿論リバース線には従来のギャップは設定したままである。 このような配線にすると、ゲート1とゲート2の線路をダイレクトに接続出来るので、ゲート1とゲート2の極性が反対になる問題は解消されるのである。 課題3への対応。

 次に、レール電圧の測定には、左の図のように測定点AとBを設け、ここの電圧を直接測定するのである。 そして、レール電圧としては、(A−B)を計算しその絶対値を計算するのである。 すると、レールの電圧極性が変化しても、対応出来るのである。 課題2への対応。

 また、測定点とレールの間は、抵抗の少ない太い電線で配線しておけば、その間の電圧降下は少ないはずである。 課題1への対応。

 幸いにもArduino のアナログ入力端子はまだ残っているのでこれらのアイディアの対応は可能である。 そして修正した回路図を下に示す。

 電圧測定点AとBは、電圧が12ボルトまで測定できるようにするために、今まで使用して電圧測定(検知)部と同様に、10KΩと5.1KΩの抵抗を使用して分圧する回路として、Arduino のA4とA5 ポートに入力させる。 また、メインシールド上にあった測定状態を示す3個のLEDをサブシールドに移動させることにした。 サブシールドをメインシールドの上に重ねるので、LEDが見えなくなっていたからである。 さらに不要となったステージ信号用の配線も撤去した。

 

■ 回路の修正工作

 上記の修正回路を工作した。 サブシールドの状態を下に示す。 一度半田付けした部品を撤去する作業は、なかんか面倒ですね。 特にスルーホールのある両面基板は、穴の中までしっかりと半田が回っているので四苦八苦です。 丁度うまい具合に開いていたスペースに4個の抵抗を収め、3個のLEDもすっきりと収めることが出来ました。 下の写真。

 次に、自動運転ユニット(下左の写真)もステージ信号が不用になったしまったのですが、旋回モードに入った場合のシグナルとして、青と黄色のLEDを点灯させる回路を追加しました。 また、メインシールドは不要な回路を撤去してすっきりとさせました。 下右の写真。

 レールへの配線は、0.6mm のスズメッキ線を使って配線し、レールの側面に半田付けした。 配線は、ELPA製のスピーカーコード RA-035H 、0.18mm×30芯 0.75mm2 の太めのコードを使用した。

 そして、コードの反対側には手製の端子を半田付けした。 下左の写真。 この端子は、ジャンク箱の中から探してきたものであり、形状を見てその本体がピンと来られる方は鉄道模型のプロですね。 KATO製の固定線路用ジョイント (品番:24-810) のジョイントを切り取った後のフレームの部分です。 リン青銅製の部品で、フレキシブルレールのジョイントに使っているため、その通電性と強さは保証されていると考えています。

 工作が完了した配線を試しに通電抵抗を測定してみました。 上右の写真。 コードの抵抗は 0.2Ωを示していましたが、テスターの両方のワニグチ部分を接触させて計ってみると、同じ 0.2Ωでした。 と言うことは、コードの抵抗は測定限界以下であると言えるでしょう。

 レールを測定台に取り付けた状態を上に示す。 また、装置全体の配線状態を下に示す。

  .

 測定点AとBには、電源から自動運転ユニットを通して給電される線と、二つのゲート部にあるレールに給電する線と、右側の曲線路レールに給電する線と、サブシールドの電圧測定部に接続する線の、5本×2セットが集結します。 どれぞの線には手製の端子を半田付けしており、右の写真に示す様に、端子を重ねてネジで固定しれ連結しています。

 

 次回は、これらの新しく工作した電圧測定部の校正とテスト走行結果を報告することにしよう。