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鉄道模型実験室 No.148 ポイント駆動回路の検討 その１
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■ はじめに
先日、登山鉄道の新自動運転システムにおいて、運行不具合の対応状況を報告した。 しかし、問題となったポイント駆動回路について、自分としてはまだ理解が不充分であることを知った。 そこで、自分なりに納得できるようにいろいろ実験をしてみることにした。
■ シャント抵抗の準備
今回の問題は、この駆動回路を流れる電流についての理解を深めることであると考えているので、電流が直接測定出来るようにシャント抵抗を準備することにした。 今までも何度かつかってきたのであるが、残っていたストック品の 0.2Ωの低抵抗の正確な抵抗値を今回も事前に測定しておくことにする。 これだけの低抵抗の場合は手持ちでのテスタでは精度ふそくのため、電圧と電流の関係より求めることにした。
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その実験状態を上に示す。 シャント抵抗と負荷抵抗を直列に接続して電圧を掛け、その時の電流値とシャント抵抗の両側の電圧差を測定した。 その結果のグラフを右に示す。
プロット点の直線近似式を求め、その勾配の値が抵抗値である。 その結果、シャント抵抗の抵抗値は
R = 0.227 Ω
である。
■ ブレッドボード上に構成した回路
使用していたポイント駆動回路をブレッドボード上に構成した。 コンデンサは2200μF、リレーは945H-1C-12D を使用し、ポイントはKATO製、ACアダプタはTOMIX のパワーユニッチでしようしていた12V 1.25A の物を使用した。
下左にそのセットを、右に回路構成を示す。
オシロとその測定子の接続状況を上に示す。
しかし、この状態で測定を始めたものの、ポイントがたびたび作動しない状態が発生した。 原因を探したが、どうやら回路の接続抵抗が怪しいと睨んだ。 そこで、確実な回路構成が可能なように、専用の回路を作ることにした。
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■ 実験用専用回路を使う
安定した実験結果が得られるようにしっかりとハンダ付けされた回路を構成し、接触不良による影響を排除するようにした。 回路構成を右に示す。 電流測定用のシャント抵抗 R1と R2 を２ヶ所設けている。
回路の切替は、確実な作動を期待してELPA のトグルスイッチ HK-TGS01H 定格はAC125V 6A のON/OFF スイッチで実施する。 ポイントとの接続はKATO の配線の端部を切断して直接ハンダ付けしている。 使用した実験台は、何かで使用したベニヤ製の台を活用し、表に書いてあった文字を絵の具を塗って消している。
その測定回路の表側と裏側を下に示す。 コンデンサは2200μFのみ接続している状態である。
電源として、色々な電圧のACアダプタをかき集めて来た。 下左の写真。 そしてオシロを使った測定状態を下右に示す。
■ 作動実験の結果
この実験装置を使ってオシロ波形を観察した結果を下に示す。 なお、測定子の位置とその写真を下に示す。
最初から失敗続きであった。 測定子のGND端子の位置を間違えていたので、CH1で示すシャント抵抗の電圧差は電流の流れている方向と逆に出ている。 また、測定途中でゼロ点も変更しているので注意してください。 CH1の電圧差より電流値を計算したものをコメント欄に示す。
| ACアダプタ | 定位から反位へ | 反位から定位へ | コメント |
|---|---|---|---|
| TOMIX 12V 1.25A E = 12.27volt |
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ON時： CH1=130mV I=0.57A OFF時： CH1=120mV I=0.52A |
| BUFFALO DC5.5V 900mA E = 10.11volt |
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ON時： CH1=100mV I=0.43A OFF時： CH1=105mV I=0.46A |
| WF-09065 DC9V 0.65A E = 9.02volt |
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ON時： CH1=90mV I=0.39A OFF時： CH1=90mV I=0.39A |
| GEO101JA-0520 DC5V 2A E = 5.22volt |
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ON時：CH1=50mV I=0.22A
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なお、BUFFALO製のACアダプタは、ハブ用の電源として用いていた物を活用したが、実際に計測して電圧は、表示部分と異なっていた。
■ コンデンサの容量を増やしてみる
次に、3300μFのコンデンサを結線させて、合計5500μFにして同様に観察した。 今度は、GNDの位置も本来の位置に変更した。
| ACアダプタ | 定位から反位へ | 反位から定位へ | コメント |
|---|---|---|---|
| TOMIX 12V 1.25A E = 12.27volt |
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ON時： CH1=130mV I=0.57A OFF時： CH1=134mV I=0.58A |
| BUFFALO DC5.5V 900mA E = 10.11volt |
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ON時： CH1=102mV I=0.44A OFF時： CH1=108mV I=0.47A |
| WF-09065 DC9V 0.65A E = 9.02volt |
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ON時： CH1=96mV I=0.42A OFF時： CH1=98mV I=0.43A |
| GEO101JA-0520 DC5V 2A E = 5.22volt |
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ON時： CH1=60mV I=0.26A OFF時： CH1=66mV I=0.29A ポイントは作動せず |
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■ まとめ
二つの測定データをまとめたのが右のグラフである。 ポイントが作動しなかった 5volt 時のデータを別表示にし、2200μFと5500μFとのプロット点を直線近似させたが、その時の近似式も表示させた。 近似式はほぼ原点を通り、かつ不作動であった点も乗っかって来るのである。 これは、まさにオームの法則に従うようであり、ちなみに抵抗値として換算すると、21.0と22.4オームとなる。 原点を通る比例式とすれば22オームとなると推察され、まさにソレノイド単品でのコイル抵抗値19.9Ωと合致するのである。 さらに今回の調査用回路ではシャント抵抗が入っているので、まさにぴったではないか！
また、ソレノイドを作動させるにはおよそ350ｍA以上が必要なようであることも判明した。
自分としては、意外な結果であったのだが、専門家から見ると当然の結果なのだろう。 ソレノイドを流れる電流は、コンデンサの容量には関係ないのだ。 2200μFだろうが、5500μFだろうが電流値は同じであるという結論なのだ。
では、どうしてなのか？ コンデンサ容量が異なると何が違うのか？、リレーが故障した理由は過大な電流が流れた訳では無いと言えるのか？ 等々・・・・・・・・・・。 新たな疑問がわきだしてくるのである。
そこで、何時も愛読している「Nゲージレイアウト国鉄露太本線建設記」さんの、2017/09/05のブログ、「ポイント切替電気講座⑧KATOその２」を読み直してみた。 この件に関してはすでに調査済みであり、やっとその内容に一部納得できるようになった。
- 電流値の計算はコイル抵抗値と電圧から計算できること。
- KATO製ソレノイドの場合は、ソレノイドを作動させるためには、 360mA 以上の電流値が必要なこと。 自分の実験とぴったりだ！
でも疑問点だらけなのだ。 コンデンサの前後で流れる電流はおなじなのか？ コンデンサとコイルなどは、単なるオームの法則だけでは計算できないのではないのか、ややこしい位相ズレなどが発生するのでは？ 電気に対してまさに素人であることが丸見えになってしまったのだ。
次回は、素朴な疑問点に対して、実験で確かめることにしよう。
2019/1/24 作成