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PWM式鉄道模型コントローラ(パワーパック)の改良~さよなら中央線201系~ [模型]

2011年3月9日の日記

とうとう昨年10月14日にJR中央線から201系が引退しました。登場したときはブラックフェイスの精悍な顔立ちで,従来の103系のデザインからは大きく変貌し,扉や戸袋窓のHゴムを廃止し,すっきりした側面もとても好ましく思いました。台車も初めて空気ばねを使用し,乗心地もずいぶんと改善され,驚いたことを覚えています。ただ,私鉄の通勤電車は一段下降窓にするのが主流となりつつあるのに,いまだに田の字型のユニットサッシでしたし,顔もやっぱり私鉄とは違う,いかにも国鉄,という官僚的? な顔でいまいち,と言う気もしたのも事実です。車両番号もステンレスの切り抜き文字を通勤電車では初めて使用して,国鉄の意気込みがわかりました。残念ながら,総武線に入った201系からはコストダウンのためやめてしまって,ケチっぽくなりました。そういえば,新幹線も700系から切り抜き文字をやめちゃってて残念に思っています。

さて,前回,鉄コレの201系を動力化し,前照灯や種別表示装置を電照式にしたりしましたが,何か物足りない....。そう,音ですね!

実はいつも使っている,以前紹介した自作のPWM式コントローラはスイッチング周波数を10kHzにしてあり,ピーッと音を立てています。本来なら鉄コレ式制御器みたいにスイッチング周波数を19kHzなどにして,人間の耳に聞こえないようにするべきなのでしょうが,レールに電流が流れているかどうか確認する目的で,これくらいの周波数にしています。

そこで....。201系のスイッチング周波数に合わせて回路を修正します。

201系はIGBTが登場するずっと以前の,まだ,GTOですらない普通のサイリスタを使っています。そのため,スイッチング周波数が低く,300Hzです。それで,プーッと言う音を出しながら走っていました。スイッチング周波数が低くてリアクトルが重くなり,103系より重い,と言う事態になったのでしょう。

最近はVVVFインバータ電車もGTOからIGBTに移行しつつあり,スイッチング周波数も数kHzから10kHzくらいまでになり,ずいぶんと静かになりました。いずれ,20kHzなどでスイッチングして電磁音はまったくしない電車ができることでしょう。

さて,自作したPWM式コントローラを改造します。

スイッチング周波数を300Hzと20kHzの切替式にし,普段は20kHzにしておいて,201系のときだけ,300Hzにしようと思います。普段は20kHzなので音はしません。といって,これだとレールに電気が流れているか確認できなくなるので,音で確認できるよう,300Hzのモードを残しておきます。鉄コレとか,昔のGMのキットを組み立てたような車両の場合,室内灯も前照灯もつけていなければレールに電気が流れているか,テスターでも持ってこないと確認のしようがありませんから,音がするのは便利です。

PWM controller1.jpg 新たに周波数切替スイッチを設けました。

私が作った,PWMコントローラはタイマICの555を使っています。このIC,もう登場してから40年以上経つと思いますが,いまだに定番のICになっています。それだけ便利なICです。非常に周波数の可変範囲が広く,分単位の低い周波数から,MHzオーダーの周波数まで発振できます。ただ,惜しいのはデューティ比も変えられますが,0~100%という範囲では可変できませんし,発振周波数も一緒に変わってしまいますので,鉄道模型のPWM制御はできません。私は,三角波出力とコンパレータを使ってデューティ比を0~100%で可変しています。詳しくは前回のブログをご参照ください。

さて,回路の変更点です。スイッチング周波数はタイマIC 555の#6と#7ピンについている,CRで決まります。555の規格表によれば,発振周波数は1.44/(RA+2RB)Cで決まりますので,現状はRA=RB=4.7kΩで,C=0.01μFですから,f=10kHzとなっています。

schematic1.jpg555の無安定バイブレータ回路

まず,RB=220kΩに変更し,上記の式を使って,PWM周波数を323Hzにしました。ほかの車両のときはモータからスイッチング音がしないよう,周波数を可聴周波数帯域外にし,パラで1kΩを接続します。合成抵抗は995Ωですから,発振周波数は21.5kHzですね。

全回路図を示します。前回の回路のRBのところにスイッチを設け,RBを可変しています。

パワーパック1.jpg 全回路図 クリックすると拡大します

実際に波形を示します。パルスの幅を可変してスピードを変化させます。どうもノイズのせいなのか,でたらめな周波数が表示されていますが,時間軸の目盛りから判断すると300Hz程度の周波数です。

300Hz mode.jpg

さて,ここまできたら実際に走らせましょう。鉄コレの201系ですが,前照灯,種別表示装置,尾灯も点灯改造しています。

思わず自分でも笑ってしまうくらい,結構,リアルな音になりました。もう少し鉄コレの動力が静かだと電磁音が楽しめると思います。今度,KATOの201系で試してみましょう。

 


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コメント 1

you-kei(ゆーけい)

はじめまして。貴殿が今の状態に改良する前の回路で走行実験をして、「いい音」だったので、ブレッドボード仮組からICB-90の基板へ造りつける段取りに移ることにしたものです。

ちなみにテストしたものは鉄コレ動力とKATOの動力で両者ともいい音を奏でてくれます。
作ったら記事を書いて可能であればトラックバックを送ります。
by you-kei(ゆーけい) (2011-04-03 10:11) 

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