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鉄道模型工作室  チラツキを防止したLED式室内灯 まとめ

 テープ式LEDを使った室内灯ユニットを工作してきたが、走行中のチラツキが激しく、レールや車輪のメンテナンスを実施するも充分ではなかった。 そこで、チラツキの原因を探るうちに、色々な知見を得ることが出来、その対策を図った室内灯を完成する事ができた。 しかし、後期高齢者の宿命として、その内容は時間が経つにつれて記憶が消えてゆき、ウロウロしてしまうザマとなっているのが現状である。

 そこで、まだ、なんとか記憶が残っているうちに、得られた知見を整理して要点をまとめておくことにした。

 

■ LED式室内灯ユニットの構成

 鉄道模型の工作を楽しむ者として、室内灯の工作は比較的容易な工作のひとつとして楽しんで来た。 最近は、安価で取り扱い容易なテープ式LEDなる部品が手軽に入手できるようになった。 それも DC12volt 仕様で、長さが 10cm と、まさにNゲージにピッタリである。 何よりも均一に光らせるための導光板を必要としないのが嬉しいですね。

 必要な部品を下にしめす。 発光体としてのテープLED、電極を一定にするブリッジダイード、蓄電させておくコンデンサ、LEDの電流を制限して明るさを調整する抵抗、が必要となります。 この他に、表面実装用の小さなブリッジダイードを使用した場合には、それを保持する基板が必要になりますし、配線のためのポリウレタン線も必要となります。

 

 そして、これらの部品を接続して下に示すような回路を構成します。

 この様な構成にした場合の重要なポイントは、

  1. ブリッジダイオードは、ショットキーバリアダイオードを使用すること。
  2. コンデンサは電解コンデンサとし、その容量は 100μF 程度とする。 セラミックコンデンサを使用するとその効果は1/5 程度に低下する。
  3. 室内灯の明るさは電流制限抵抗を用いて電流を抑えること。 標準は 1KΩにて3〜5mA 程度とする。
  4. コンデンサはブリッジダイードと電流制限抵抗の間に設置すること。

 このなかで、1番目のねらいは、コンデンサに貯めた電気を電源側に逆流しないようにし、電源側のPWM制御波形への影響を防止するためである。 そして、2〜4番目の項目は、コンデンサに貯めた電気を有効に使用するための方策である。

 また、電解コンデンサの容量や電流制限抵抗の値は、使用するLEDの特性に合わせて、適切な値の物を使用する必要があります。 消費電流の多いLEDの場合には、大きな容量のコンデンサが必要となります。

 なお、このモデルの最大の欠点は、電解コンデンサを使用するため、そのサイズが大きくなることですので、何らかの妥協と工夫が必要です。

 

● 実際に工作して室内灯ユニットの例

 装着しようとする車両に合わせて、いろいろな形状のユニットを工作して来た。 特に、電解コンデンサのサイズが少し大きいので、どこに収めるかが工夫のしどころである。 下に示すユニットは、表面実装用ショットキーバリアブリッジダイオードを使用してコンパクトに収めたものです。

 この他に、ポリウレタン線やハンダ等が必要となりますが、送料抜きで計算すると、1セット70 円弱で工作出来ます。 嬉しいですね!

 

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■ 知っておきたいキーワード

 室内灯のチラツキ防止対策を理解する上で、理解しておきたいキーワードを列挙します。

 

(1)目の残像効果

 時間残像について、人の目の時間分解能は 約 50ms から 100ms 程度であり、この時間よりも短い光の点滅は、連続点灯しているように知覚されるとのこと。 このため、映画では1秒間に24枚、テレビ放送では1秒間に30枚と一連の静止画を高速に切り替え表示して連続して動く動画として認識している。 即ち、20Hz以上の周波数の点滅は連続点灯として認識される。

 ひるがえって考えると、模型車両の室内灯がチラツキとして認識されると言う事は、この約 50ms から 100ms 以上の長い時間、照明が消えていることに他ならない。 従って、もしレール側や車両側のメンテナンス不良によって、照明電源が切れたとしても、これ以上の時間、照明を維持させなければならないことになる。

 このためには電気を貯めておくコンデンサが必要不可欠なのである。

 

(2)音の可聴域

 人間の耳の可聴域は、20H zから 20KHz の音を聞くことが出来るそうです。 音は空気などの振動で伝わるので、光とは異なり、ある程度の振動が無ければ認識出来ないのです。 この振動を感知する能力も年と共に衰えてきます。 一般に、60代以上の人では 〜10KHzまで、40代以上の人では 〜14KHzまで、20代以上の人では 〜16KHzまで、10代以上の人では 〜18KHzまでといわれています。

 音楽CDのサンプリング周波数は44.1KHzです。 この周波数に於いて、プラスとマイナスの波を作るとその半分の周波数しか表現できません。 従ってCDで再生できる音の周波数は20KHzまでとして、周辺機器の仕様が設定されています。 これは人の可聴域を考慮した仕様なのです。

 また、交流を使用した時、あるいはPWM制御されモータを運転した場合、その変化する電流によって、ブーンといったり、キーンといった音を発生します。 これを避けるためには、人の可聴域を外した周波数にする必要があります。

 

(3)LEDの応答性

 電球 ( 白熱電球 ) の場合、スイッチオンの瞬間から通常の明るさになるまで、0.2 秒ほどかかると言われている。 消える時も同様と思われます。 一方、LEDの応答速度は50〜100ナノ秒と言われており、桁違いの応答速度を持っている。 これは5MHzの周波数に応答する事になります。 言い換えれば、電源電流の瞬断にも、きっちりと反応してしまうのでチラツキとなってしまうのです。

 

(4)PWM制御

 PWM制御は、オンとオフの繰返しスイッチングを高速に行って電力を制御する方式であす。 そして、オンの時間幅を変化させる電力制御方式をPWM方式と言う。 早い周期でスイッチングを行うことで、オンのパルス幅に比例した任意の電圧が得られる。 また、パルス列のオンとオフの一定周期をキャリヤ周波数と言う。 高速でスイッチのON/OFFを実施するので半導体の使用が必須であるが、抵抗による発熱損失が大きいONとOFFの中間状態を使用しないため、消費電力が少なく、優れた制御性と高効率が特長で、インバーター回路などで広く使われている技術である。

 最近のパワーパック(または、パワーユニット)は、停車時でもヘッドライトやテールライト、あるいは室内灯といったライト類を点灯可能にしたり、スロー走行に対応させるため、この効率的な制御方式であるPWM制御が採用されている。 この場合、PWM制御のキャリア周波数は、人の可聴域を避けるために、約20KHz程度の高い周波数が採用されている。 しかし、この周波数では、LEDは充分に応答して点滅している筈であるが、人間の目には残像効果によって連続点灯として認識されるのだ。

 

(5)ダイオードの逆回復時間

 ダイオードの逆回復時間とは、スイッチングダイオードがオン状態から完全なオフ状態になるまでにかかる時間のことを指します。 ダイオードは順方向の電流は容易に流れるものの、逆方向には流さない逆流防止機能を持つ素子なのですが、この機能を切換えるには時間が掛かるのです。 即ち、逆流防止としての機能は働かず、逆方向に流れることを許している時間を示しています。 この逆回復時間は、通常のダイオードでは、μ秒(マイクロ秒)オーダー、ショットキーバリアダイオードや高速スイッチングダイオードでは、n 秒(ナノ秒)オーダーで、千倍の開きがあります。

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(6)コンデンサの直流電圧印加特性

 セラミックコンデンサには、材料に起因する直流電圧印加特性がある。 別名としDCバイアス特性とよばれる特性で、印加する直流電圧によって静電容量がガタンと低下する性質です。

 製品によってその容量変化率は変わるのでカタログによって確認する必要がありますが、自分が使用していた22μFのチップコンデンサに於いては、12voltの直流電圧時には、80%も低下してしまいます。

 即ち、4.4μF程度のコンデンサ容量に低下する、即ち、効果が1/5になると言うことです。 この特性は、使用する材質が異なる電解コンデンサには見られない特性なので、電解コンデンサを使用すれば問題ありません

(7) テープLEDの電気特性

 使用するテープLEDの特性も把握しておきましょう。 「室内灯のチラツキを低減したい -- テープLEDの特性」(2020/7/3)から抜粋しました。 テープLEDは、白ベース 5m 300連SMD 正面発光 12V 電球色を 10cm に切断して使用しています。 この製品は、途中に100Ωの抵抗を挟んでチップLEDを直列に3個配置し、これを2列並列に並べています。 合計6個のチップLEDが点灯します。 定格動作電圧は DC12volt です。

 DC12volt の電圧を直接かけると明る過ぎるので、電流制限抵抗を使って 5mA 程度の電流に制限します。 なお、このテープLEDを使う場合には、電流の立上りは7.5volt ですので、これ以上の電圧を掛けないと点灯しません。 即ち、PWM制御のコントローラの使用が必須です。 また、5mAの定電流ダイオード E-562 を使用した場合との比較を上右のグラフに示しましたが、抵抗を使った場合と効果は同じなので、安価である抵抗を多用しています。

 

  **************  ここから本論です。 ***************************************************************************************

 

■ コンデンサの必要性

 何故、コンデンサが必要なのでしょうか? コンデンサを付けると悪影響があるので付けない方が良い、レールや台車のメンテナンスを充分に自慰しし綺麗な状態にしておけば、チラツキは発生しないとおっしゃる方も多い。 でも、いつも綺麗にしておくことは、なかなか困難ですよね。

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 左のイラストのように集電機構が常に導通しておればチラツキは発生しませんが、レールと車輪、車軸と集電子、集電子と集電板の間など、接触点が多く、もし、この電気回路のどこかで瞬間的に回路が切れてしまうと、LEDはその応答性故に瞬時に消えてしまいます。

 この集電機構の瞬断に対してもLEDが消えないようにするためには、コンデンサによって電気を貯めて置く必要があるのです。 いわば、天災に対応する防災対策と同じなのです。

 しからば、どのくらいの備えをしておけばよいのでしょうか? そこで、LEDの点灯時間とコンデンサ容量の関係を実験してみましょう。

 

● 確保すべき必要時間は?

 まず最初に、どれくらいの時間が必要なのかを考えましょう。 上記の(1)目の残像効果で述べたように、チラツキが見えたと言うことは、 0.05sec 〜 0.1sec 以上の時間、LED が消えている状態が発生していることになります。 この状態を補完するには、これ以上の保持時間を確保する必要があります。 状態によって変化しますが、目標は2倍の 0.2sec 以上としましょう。

 

● コンデンサの設置位置

  
    

 まず最初に、コンデンサをどこに置くのが良いのか実験しました。 その実験結果は、「室内灯のチラツキを低減したい -- テープLEDの特性」(2020/7/3)から抜粋しました。 電源を遮断後にコンデンサから流れる電流を10Ωのシャント抵抗で検出し、その両端の電圧をオシロで観察しました。 このような時、一般的には時定数なる数値を計算すべきですが、ここでは簡易的にLEDがほのかに光っている 1mA の状態まで落ちこむ時間を読み取ることにしました。

 測定対象は、5.6mAのCRD E-562 と750Ωの抵抗を使用し、750Ωの場合は、抵抗の下流、即ち、抵抗とテープLEDの間にコンデンサを置いた、三つのケースで実験しました。 その結果を上左のグラフに示します。 サフィックのFが上流にコンデンサを設置した場合、Bが下流に置いた場合です。

 結果は一目瞭然です。 コンデンサは電流制限抵抗、あるいは定電流ダイオードの上流側に設置する必要があります。 理由は良く説明できないのですが、何だかわかるような気がします。

 また、このグラフより、自分が使おうとしているテープLEDについて、10μFや20μFのコンデンサでは 10msec程度しか持ちませんので、コンデンサ追加の効果を期待出来ない事を示しています。 スペースが許すなら、100μF程度のコンデンサを使いたいのですが、100μFのコンデンサでも目標の 0.2sec 以上には達していませんな。

 

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● コンデンサ容量とLEDの点灯時間

 電流制限抵抗が、750Ωの場合、まだ明る過ぎたので抵抗を 1000Ωまで上げて、消費電流をさらに小さくして実験を実施しました。 「新室内灯ユニットの保持時間の違いを探る」(2020/7/29)からの抜粋。

 この実験は、電解コンデンサとセラミック製のチップコンデンサで、電源遮断時の保持時間に差があるようでしたので実験を行ったものですが、二つの重要な知見を得ることが出来ました。

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 実験結果を右のグラフに示します。 ここで示した消灯時間は、電流制限抵抗 1KΩの抵抗による電圧降下が、 ON時の電圧 3.2 volt からLEDの点灯が確認出来る 0.5voltまで落ちる時間を読み取りました。 

 結果として、目標とする 0.2sec 以上を確保するには、100μF以上の容量が必要であることが分かります。  それも電解コンデンサで! 

 エー!?と驚かれるかも知れませんがセラミックコンデンサ( チップ式のコンデンサなど ) では効果が無いのです。 これは、上記に述べたコンデンサの直流電圧印加特性によるもので、結果は電気容量が1/4〜1/5 に減少していることと合致しています。

10μF程度のセラミックコンデンサでは、雀の涙にもなりませんね!                                    

 多くの方々がチラツキ対策の効果は認められなかったとの報告が有りましたが、これで納得です。

 

■ PWM制御とコンデンサの関係

 最初に、何が問題なのかを認識するために、取りあえず、現象を観察することにします。 PWM制御とダイオード、およびコンデンサの関係を観察しました。 「室内灯のチラツキを低減したい -- 問題点はどこか?」(2020/7/2)からの抜粋です。

 この実験で使用したコンデンサは、写真から判断すると、0.1μFと10μFがセラミックコンデンサで、1μFのみが電解コンデンサでした。 コンデンサの直流電圧印加特性については後から気が付いたので、このあたりでは呼称値を信じて実験しています・・・・・・・・・・・!

 この実験より、コンデンサを付けると上流のPWMパルス波形が変形することが分かります。 キャリア周波数が20KHz のPWM制御に於いて、パルスの周期は 50 μ秒です。 ここに、10 μ秒の遅れが生じたとすると、10/50 = 20%のデューティ比が変化したことになります。 小さなコンデンサでも影響が大きい事が分かります。

 

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● モータへの影響は?

 このパルス波形の変形、即ち、コンデンサによるPWM制御に与える影響を調べるために、右のような回路を組んで電圧波形を観察しました。 「室内灯のチラツキを低減したい -- コアレスモータへの影響」(2020/7/6)より抜粋する。

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 DCモータは回転中は逆起電力が発生するので、モータ上流側の端子にはPWMパルスがOFFの時でも何らかの電圧が発生しています。

 また、パルスが瞬間に遮断した時は、モータのコイルの誘電作用(?)により、フリーホイール電流が流れ、パワーコントローラのGND端子側に瞬間的に電流が流れます。 このため、パワーコントローラ内部にはフリーホイールダイオードが設置されています。 このため、今回の現象には関係無いようですのでパスすることにしましょう。

 観察したオシロ画面を下に示します。 上記の逆起電圧とフリーホイール電流による波形変化が観察されますが、狙いはコンデンサの挿入による波形の変化です。 パルス幅が大きくなっていることに注目してください。 これによってモータの逆起電圧が高くなっています。 これは即ち、モータの回転数が高くなったことを意味します。

 たった10μFのコンデンサ( 実験中の写真を確認するとアキシャルコンデンサですので、直流電圧印加特性により実質は 2μF程度だったと思われる )でも、モータにはかなりの影響があるようです。

 

● 原因は何でしょうか?

 回路の瞬断による影響を防ぐために挿入したコンデンサは、上流にあるモータのパルス制御に影響を与えないように、逆流防止のダイオードが必須です。 それなのに何故という疑問には、ダイオードの逆回復時間を考えればすべてが理解できます。 ダイオードでは、或る時間は逆流防止が出来ていないのです。 この逆回復時間中は、コンデンサに貯めた電気が逆流してPWM制御が必要な回路側に流れてしまい、パルス波形を乱しているのです。

 そして、その時間は通常のダイオードで 10μ秒程度ですが、この10μ秒の影響は20KHzで作動しているPWM制御にとっては、デューティ比で20%にもなる大影響なのです。 低速制御状態でのコアレスモータでは、暴走状態(?)になってしまうのです・・・・・・・・・。

     その対策は簡単です。 ダイオードの種類を変えることです。

 この逆回復時間が極めた短いショットキーバリアダイオード高速スイッチングダイオードに取り換えましょう! こうすると、コンデンサに貯めた電気の逆流が防止でき、大容量のコンデンサでも上流のコアレスモータには影響しないのです。 実験でも確認しておりますので、下記のリストを参照ください。

 

■ ブリッジダイオードの必要性

 電球(麦球)式の室内灯であれば、2本の電線のプラス側もマイナス側もありませんので、その極性は問題にはなりません。 しかし、LEDはプラス側とマイナス側がありますので、その極性を一定にしておく必要があります。 電車や客車の進行方向が一定であれば、このような心配は無いのですが、線路の極性が変わるNゲージにおいては、このブリッジダイードを使って、電極の極性を合せています。

 この機能が第1の目的ですが、コンデンサ使用とPWM制御の組合せでは、コンデンサに蓄えてた電気の逆流防止という大事な機能を追加しておく必要があります。 このために、逆流性能がバッチリのショットキーバリアダイオードタイプのブリッジダイードを使用する必要があります。

 

■ 最大の欠点・・・・・・電解コンデンサが大きい

 チラツキを防止した室内灯ユニットの構成は決まったが、最大の欠点である大きな電解コンデンサをどう車体の中に収めるか、工夫のしどころでした。

 ● 自分が実施してきた例が参考になれば幸いです。

No 名称 室内灯ユニット 使用状態 内容等の説明
試作品第1号

DIP型素子と電解コンデンサ使用した試作品。

  • DIP型 SDI260
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 750Ω 1/4W

新室内灯ユニットの工作」(2020/7/8)

電解コンデンサ使用の改良1号品

スペースに余裕があったので電解コンデンサを使用する。

  • DIP型 SDI260
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 750Ω 1/4W

改良型室内灯ユニットの工作」(2020/7/27)

電解コンデンサ使用の改良2号品  なし

表面実装用素子と電解コンデンサを16ホール基板の上にまとめ、よりコンパクトにする。

  • 表面実装用 TS260S
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W 小型化する
  • 16ホールユニバーサル基板

改良型室内灯ユニットの工作」(2020/7/27)

電解コンデンサ使用の改良3号品

表面実装用素子と電解コンデンサを16ホール基板の表と裏側に配置した。 基盤には接続用電極をハンダ付けする。 取付けは差込み方式

  • 表面実装用 TS260S
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W
  • 16ホールユニバーサル基板
新室内灯ユニットの工作を続ける」(2020/7/31)
電解コンデンサ使用の改良4号品

表面実装用素子と電解コンデンサを16ホール基板の表と裏側に配置した。 工作が容易で確実な導線配線方式とする。

  • 表面実装用 TS260S
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W
  • 16ホールユニバーサル基板

新室内灯ユニットの工作を続ける」(2020/7/31)

電解コンデンサ使用の改良5号品

表面実装用素子と電解コンデンサを16ホール基板の表と裏側に配置したスタイルで、抵抗の足を移動したもの。 工作が容易で確実な導線配線方式とする。

  • 表面実装用 TS260S
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W
  • 16ホールユニバーサル基板

新室内灯ユニットの工作を続ける」(2020/7/31)

電解コンデンサ使用の変形1号品

電解コンデンサの設置場所を確保するため、細長い標準的な電解コンデンサを使用する。各要素間は空中配線とする。

  • DIP型 SDI260
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W

旧形客車オハ35系用の新室内灯ユニットの工作」(2020/8/3)

電解コンデンサ使用の変形2号品

細長い標準的な電解コンデンサを使用した上記のタイプの変形。

  • DIP型 SDI260
  • 電解コンデンサ 100μF 16V
  • 抵抗は1KΩ、1/6W

旧形客車オハ35系用の新室内灯ユニットの工作」(2020/8/3)

 

 ● 使用した部品は下記のような部品を使用しました。

部品 商品名 品番 仕様
テープLED 白ベース 5m 300連SMD 正面発光 12V 電球色 SMDタイプ: 3528 SMD個数: 60個/m、 動作電圧: DC12V、 消費電力: 4.8W/m、  カット可能間隔: 100mm、 発光色: 電球色(ウォームホワイト)
白ベース 5m 300連SMD 正面発光 12V ホワイト SMDタイプ: 3528 SMD個数: 60個/m、 動作電圧: DC12V、 消費電力: 4.8W/m、  カット可能間隔: 100mm、 発光色: 昼光色(クールホワイト)
ダイオード
ブリッジ
ショットキーバリアダイオードブリッジ SDI260 60V2A 逆電圧:60V、 平均順電流:2A、 ピーク順電流:50A、 順電圧:0.68V、 端子間容量:130pF、 パッケージ:DIP4
表面実装用ショットキーバリアダイオードブリッジ TS260S 60V2A 逆電圧:60V 平均順電流:2A 順電圧:0.7V(IF=2A) パッケージ:MICRO DIP
コンデンサ アルミ電解コンデンサー100μF ルビコンMH5 100μF16V105℃ 低背アルミ電解コンデンサ(105℃品)、シリーズ名:MH5、 特徴:105℃、高さ5mm、 静電容量:100μF、 耐圧:DC16V、 サイズ(ΦDxL):6.3Φx5mm、 カテゴリ温度範囲:-40~+105℃、 耐久性:105℃、1000時間
導電性高分子アルミ電解コンデンサ OS-COM 100μF16V105℃

サイズコードC6: φ6.3×6mm、静電容量:100μF、 耐圧:DC16V、ケースNo 948

(注記)この商品を選択したのは、外観が白色であったという単純な理由からです!

電解コンデンサー ルビコンPK 100μF25V85℃ 100μF25V、85℃、φ5×11mm、標準的な細長タイプである。
基板 16ホールユニバーサル基板   材質:FR-4、穴仕上げ:スルーホール ランドピッチ:2.54mm 板厚:1mm 外形:10mm×10mm
抵抗 カーボン抵抗750Ω 750Ω 1/4W テープLEDの特性より、約6mAになるように選定
カーボン抵抗1KΩ 1KΩ 1/6W テープLEDの特性より、約4mAになるように選定、明るさをおさえる。

 

■ まとめ

 チラツキを防止した室内灯について、自分でも納得できるモデルを作ることが出来ました。

 願わくば、効果のあるコンデンサの小型化が進むと嬉しいのですが・・・・・・・。 セラミックコンデンサの材料革新、電解コンデンサの小型化など・・・・・・。

 

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■ 報告書のリスト

 今回実施した室内灯のチラツキ対策の実験と改良工作について、関係した報告を整理しました。 日記風に報告してきたため、あちこちに散らばっていた関係する報告を時系列にてまとめておきます。

● きっかけとなった工作と貴重な情報

● ダイオードの逆回復時間の把握と対策

● 消灯時間の違いに気が付く・・・・・セラミックコンデンサの欠点を知る

● 色々な車両への組込のための工夫・・・・・・ユニットの変形工作

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 2020/12/7 作成