自作のパワーパックでもHOの車両は動かせる

 HOのC56を自作のパワーパックで動かしていますが、もともとACアダプターはロス分を考慮して、15V1.2Aを使用しています。KATOのパワーパックも公称出力電圧は12Vとなっていますが、実際は14Vも出ていることも考慮して選択しました。
 したがって、自作のパワーパックは回路図上は12Vとしていますが、実際は15Vで使用しています。その分、出力をボリュームで調整して下げています。そのボリュームを上げることでPWMの波高を上げて室内灯の明るさを調整できる機能にもなっています。
 HOでも制御回路はNゲージと全く共通でいいので、検討すべきは出力回路だけで、自作したパワーパックの出力素子はスイッチング電源用パワーMOS FETの2SK2232に統一して使用しています。耐圧や流せる電流はもちろん必要ですが、採用した理由は特に次の特性を重視しました。
.好ぅ奪船鵐飴間(tr、ton、tf、toff)
▲疋譽ぅ鵝Ε宗璽拘屮ン抵抗(RDS)
の2つの特性は重視しています。
また、今では当然ですが、パッケージ全体が絶縁されていることも重要かもしれません。放熱対策軽減のためにもMOSでない出力トランジスタの使用は論外ですね。

 2SK2232の電気的特性(データシートから抜粋)
2SK2232

 過電流保護で入れているポリスイッチ素子がNゲージ用に0.75A(実際は1.5Aで遮断)を入れているのでHO用に交換する必要かあります。モーター1台であれば、何も変更せずに使用できますが、重連+室内灯(30mA×16両)だと厳しくなるかもしれません。電流制限がかかったらポリスイッチ素子を交換すればいいでしょう。2SK2232の放熱はアルミケースに直接取り付けているのでケース全体が放熱してくれるので問題はありません。

 また、電流が足りない時には、ACアダプターは大電流タイプに交換すればよく、私は要らなくなったパソコン用の15V5AのACアダプターを再利用し、接続コネクターだけを変更して利用できるようにしました。

 15V5AのACアダプター(左)と15V1.2AのACアダプター(右)
ACアダプター
 このACアダプターは車のバッテリー上がってエンジンがかからなくなった時に、緊急に充電できるので便利でした。大きなワニ口クリップを用意しておくと便利です。
但し、過充電に注意して自己責任で行ってください。
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    PWM方式のパワーパックの波形チェック

     以前にArduinoを使ったPWM方式のパワーパックを試作したものをメンテナンスして、序に、波形チェックをしてみました。

     T型ワンハンドルのロータリーSWに取り付けたギアが滑るようになってしまい、3Dプリンタで製作した新品に交換しました。ロータリーSWの軸を少し加工して滑らないようにしてから押し込みました。その際に配線を1本取ってしまいLEDが点灯しなくなってしまい補修をしてメンテナンスを無事に終えました。

     大きめのギアに交換(入れるのに苦労した)


     メンテンスを完了し、動作問題なし


     波形チェック(無負荷)
     

     波形チェック(駆動車)
     
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      パワーパックの出力波形の比較

       PWM方式のパワーパックといってもかなり出力波形が違うので、比較の意味で調べてみた。特に、スマートコントローラ単体でのPWM出力波形。次にスマートコントロールとサウンドボックスを連結した時にサウンドボックスに内蔵しているPWM出力の出力波形。参考に、自作のPWM方式のパワーパックの単体はすでに調べたので、自作のパワーパックをサウンドボックスに繋いで、サウンドボックス内臓のPWM出力の出力波形をデジタルオシロで調べて比較してみた。どれもPWMの波形としてノイズみたいな汚い波形でした。

       スマートコントローラだけの出力波形(無負荷)
       

       スマートコントローラをサウンドボックスに連結した出力波形(無負荷)
       
       サウンドボックスのスタート電圧のVRを1/2にしてあるため、最初に波形が少し出ています。

       自作のパワーパックをサウンドボックスに連結した出力波形(無負荷)
       
       自作のパワーパック出力をはDCとかPWMかに切り替えることができるようになっていますが、今回はどちらもあまり差がなかったので、PWM出力をサウンドボックスに入力しました。
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        スマートコントローラの出力波形を見てびっくり!!

         先日購入したスマートコントローラの出力波形をデジタルオシロで見てびっくり!!
        一瞬、デジタルオシロを壊してしまったのかと思い違いするほど、ノイズだらけの酷い出力波形でした。さらに、無負荷状態での出力波形と、実際に駆動車を走行させている時の出力波形が余りにも違い過ぎるのにも驚きである。

         スマートコントローラの無負荷状態での出力波形
         
         スマートコントローラの駆動車走行での出力波形
         

         それに比べて、自作したPWM方式のパワーパックの出力波形のきれいなことにも驚きで、無負荷状態と実際に駆動車を走行させた状態での出力波形はほとんど変化がありません。パワーに余裕があるというかスマートコントローラのようなノイズがありません。
         自作のPWNMパワーパックの無負荷状態での出力波形
         
         自作のPWNMパワーパックの駆動車走行での出力波形
         
         自画自賛ですが、よっぽど自作のパワーパックの方がPWMを忠実に出力しています。スマートコントローラの波形を見てしまうと使う気にはなりませんね。もうちょっとちゃんと設計してほしいものです。
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          KATOのスマートコントロールの動作テスト

           KATOのスマートコントロールをサウンドボックスに連結しての動作テストです。

           スマホによる動作テスト
           
           PWMの周波数が32KHzと高いため、室内灯がかなり明るくなっています。私の自作したPWMの周波数は16KHzであり、かつ明るさ調整ができますが、このスマートコントロールではほとんど調整できません。

           スマホの画面
           

           通信ポートの接続せずにスマホとスマートコントロールとの無線接続していると、当然、サウンドボックス関係のスマホのボタンは機能しませんが、通信ポートを接続すると自動的に機能するようになります。何が言いたいかというと、通信ポートの接続を検知するようになっており、未接続の状態の時には常にソフトウェアでサーチしているようである。

          【追加】2018.7.23
           早くもスマートコントロールを分解して解析している方がいました。
          電器屋の毎日のブログのKATO スマートコントローラをTearDownで紹介されていました。
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            KATOのスマートコントローラー

             KATOのスマートコントローラーはACアダプター別売で、今回は本体のみを購入しました。電源コントロールにはあまり興味はなく、興味があるのは通信ポートでサウンドボックスをコントロールする動作です。

             スマートコントローラー特設サイトを参照ください。

             スマートコントローラー
            スマートコントローラー
            スマートコントローラー

             スマートコントローラーの裏面

             ところが電源プラグの規格が微妙に違い、5.5φ/2.1φの規格のサウンドボックスに対し、スマートコントローラーは5.5φ/2.5φの規格でした。どうして規格を統一しないでしょうか。強欲にも新たに購入させるためでしょうか?そのため、急いで5.5φ/2.5φを5.5φ/2.1φに変換するケーブル製作しました。

             通信ポートの電気的な規格は不明ですが、3.5φのジャックの先端が3.3Vでもう1つが0Vで、3.3V側から定期的の信号を出しており、接続確認のための信号ではないかと推測しています。メーカーが規格を公開しないので、Blurtoothを解析できるものがほしい。


             自己責任で、専用のACアダプターを使用せず別のACアダプターを使用しており、推奨してはいません。

             サウンドボックスと接続


             簡単な動作テスト
             
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              ついに禁断のBuetooth無線に手を出す?

               いろいろ調べるために禁断のBluetooth部品を安く購入しました。なぜ禁断かというとアナログ人間にとって無線が接続できないというトラブルの時にどこが悪いのか全く分からなくなるからです。配線で繋がっていれば、配線をたどったり、部品を交換したり、電圧を測ったりして不良箇所を探っていくことが出来ますが、無線はそれが出来ないので好きになれません。とは言っても、ワイヤレスが当然の社会になっていつまでも拘ってもいられませんから禁断の無線に手を出すわけです。

               まず、KATOから出てくるワイヤレスパワーパックに興味があり、サウンドボックスもスマホのBluetoothで操作できるということなので、その仕組みを解明してコントロールコードまで解析できれば。サウンドボックスを直接コントロールできることになります。どこまでコマンド用意されているかにもよりますが、仮に全てコントロールできるのであれば、1万円もするパワーパックは不要ということになります。最終手段として、サウンドボック内にスマートコントロールを内蔵させてしまうという荒療治もあるかもしれません。

               スマートコントロールとサウンドボックス
              スマートコントロール
               この解析がうまくいけば、サウンドボックスの仕様で明らかにしなかった通信ポートを自作パワーパックからコントロールできるかもしれません。

               通信ポートの推測仕様
              ・Φ3.5のプラグ(ステレオタイプだと思うが確認要)
              ・電圧は3.3V系で、端子はTX、RX、GND
               ではないかと思われます。よって、サウンドボックスにArduinoとBluetootを搭載して接続すれば通信ができるのではないかと考えて楽しみにしています。サウンドボックスを開腹したところではLSIから直接配線が伸びていたので、URATのTX,RXではないかと推測でき、少なくともRS232Cではなさそうである。

               さらに、うまくいけばターンテーブルのコントロールも無線化できるかもしれません。まずは、スマホを使ってペアリングと親機、子機などの設定方法などからやり始めていますが、まだうまくいかず苦戦中です。調査は安物のBluetooth部品を使って、解明後に組み込む場合には正式に認定されたBluetooth部品に切替えるつもりです。

               悪戦苦闘の末、いろいろな方の情報を見ながらなんとか接続できました。それらを自分が忘れた時に思い出せるようにメモにしてみました。
              Bluetooth部品(HC-06)で接続する方法
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                自作したPWMパワーパックに汽笛を追加

                 先日のリニュアルで、複線用の2ハンドルPWMパワーパックが2台になりました。しかし、どちらも汽笛のボタンは取り付けてありましたが、サウンド回路が接続されていないのでAPR9600の再生専用モジュールを追加製作して、ケースに取付けて配線して、評価ツールで録音してから組込みんで、汽笛が鳴るようにしました。

                 録音する評価ツール(左)と再生専用モジュール
                サウンド基板

                詳細は下記をご覧ください。
                録音再生APR9600の試作
                鉄道模型用の多機能パワーパックの改造(汽笛サウンド搭載)

                 パワーパックへの内蔵場所
                内蔵場所
                 パワーパック製作する時に格納場所は予定していたので問題はありません。汽笛は4種類録音しましたが、切替SWを設けておらず汽笛の押しボタンSW1つだけなので1種類しか汽笛はなりません。

                 今回の汽笛(動画)
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                  Arduinoを利用したPWMパワーパックの完成

                   Arduinoを利用したPWMパワーパックで、ノッチ式で10段の加減速、常点灯機能付 VVVF音もするというので試作してみました。ただ、ノッチ式がダイヤルで操作するのに違和感があり、小型のT型ワンハンドルの試作にもチャレンジしてみました。Nゲージの電車を所有していないので、試しに試作するつもりがかなりの深追いしてしまったようです。

                   改善したギア(左)と改善前のギア(右)
                  改善したギア
                   ギアは形状変更しガタツキを減るようにし、3Dプリンタで製作するときの条件を密度100%にして耐久性を高めました。

                   完成したPWMパワーパック(VVVF音あり、T型ワンハンドル)
                  完成したPWMパワーパック
                   右利きにとって、左手でケースを抑えてT型ハンドルを操作するので、中央より右に寄っている方が操作しやすい。

                   このパワーパックを使うのはハイブリッド車両や四季島の電車モードの時ぐらいでしょう。本格的に利用する場合には、パネルを貼って見た目は飾ります(パネル印刷は高くつく)。

                   でも、一応完成させることができましたので大満足です。Arduinoのソフトウェア開発のいい教材にはなりました。

                   総合テストを追加
                   
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                    小型のT型ワンハンドルの試作

                     先日、製作したArduinoを活用したパワーパックのロータリーSWがどうも気に入らないので、製作した小型のパワーパックに入るような小型のT型ワンハンドルのマスコンを試作してみました。ギア比、操作性(動作の硬さ)、耐久性などよくわからないので、まずは作ってみてどうなのかを見てみようと思いました。ただ、私が製作してきたパワーパックは気に入っているので、交換することはなく、あくまで試作までです。

                     出来上がった小型のT型ワンハンド
                    T型ワンハンドル
                    T型ワンハンドル

                     操作性の確認
                     
                     なかなかいい感じの操作性です。パワーパックに取り付けてちゃんとした動作確認はできていません。暫く操作しているとロータリーSWに取り付けたギアが滑るようになったので、接着剤で固定しました。

                     そこで配線を取り出して動作確認
                     
                     ギアのサイズの制限とレバーの傾きの制限があり、その影響で非常停止の位置が入りにくくなりました。非常停止は進行方向のSWでできるので大きな問題ではありません。グリスを塗布することにより一応直りましたが、走行パターン1が選択できなくなる可能性があるのでソフトウェアを変更する必要があるかもしれません。→ネジの締め付けの誤差で生じていることが分かり正常な動作になりました。

                     この後、少し改善してギアの形状を変更して作り直し、3Dプリンタで出力する際に密度を100%にして耐久性のあるものにしました。暫く、操作して耐久性を見てみようと思います。
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                      カレンダ

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