ブラスト音再現回路を試作パワーパックに組込み実験

 試作した2ハンドルPWM式パワーパックにブラスト音再現回路を組み込んでみました。一応、加速ボリュームを上げていくとブラスト音のピッチも上がっていくことを確認できました。機能的には当初の目標を達成できました。
 ちょっと遊ぶのにはいいですが、加速ボリュームと車速と音とのマッチを取るのが難しそうです。やはり出力電圧だけでブラスト音のピッチを上げていくのは乱暴だったようです。また、もともとホワイトノイズですからスタート時はいいのですが、定速になってからは音がうるさく耳障りにさえなります。

問題点
(1)車両がスタートしていないのにブラスト音がスタートしてしまう。
(2)車速にあったブラスト音のピッチを合わずリアル感がない

暫定対応策
(1)スタート電圧までブラスト音を切っておく
(2)スタート電圧から最高速までの変化に対応して、LED制限抵抗とオペアンプの帰還抵抗を最適値に変更する

改善すべきポイント
・スタートと同時にブラスト音がスタートすること
・車速にあったブラスト音のピッチになるように調整できること
・一定速度になったら給気時のブラスト音を切って惰行時の連結棒のみの音にできること

市販品でLEDとCDSのカプラーを見つけたので早速交換してテストして見ました。
LED-CDSカプラー

試作用パワーパックに組み込む
試作用パワーパック

 試作用パワーパックに組み込んでテスト


 車速にあったブラスト音のピッチになっていないようです。
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    SLのブラスト音を再現する回路を試作

     MK134をベースにいろいろと改良を加えて小型化して試作してみました。最初はホワイトノイズ源をツェナーDiで試みましたが、どうも音が小さくさらに少し高音寄りの音質がMK134と大きく違いましたので、MK134と同じようにトランジスターのEB間のノイズを利用するようにしたら、同じような音質になりました。やはりツェナーDiは使えませんでした。

    改良点
    ・汽笛用の発振回路(昇圧回路にも利用)は削除した。
    ・電源電圧はパワーパックと同じ電圧にしたので、ノイズ源には昇圧回路は省略して直結した。
    ・定電流の電流とノイズの関係がわからないので、VRで調整して最適値を調整できるようにした。
    ・発振回路の周波数を変化させる帰還抵抗をVRからCdSに変更した。
    ・パワーパックの出力電圧で周波数が変わるようにCdSとLEDのカプラーを利用する。
    ・最適なCdSとLEDのカプラーがないので自作する(まだテスト中)。定数は試行錯誤して決める。
    ・トランジスタは手持ちの適当なものを使用したので、擬似プッシュプル出力回路です。

    試作したブラスト音再現回路
    ブラスト再現回路
     なお、回路図に書き忘れました。トランジスタやオペアンプで音質がかわるので、MK134と同じLM324Nを使用しましたが、メーカーが違うので若干音質の違いがあります。型名の違いほどではありません。型名が違うとIC内部の回路構成が大きく違うためだと思います。

    MK134基板と試作した基板の比較
    試作した基板とMK134基板の比較
     これで製作済みのパワーパックに内蔵できるサイズまで小型化できました。 試作した基板は電源電圧15Vなので音量は十分でうるさいくらいです。発振回路はどうしても低い周波数で発振しており止めることができません。従って、蒸気機関車モデルが動きださないパワーパックの出力電圧では音を切るSWが必要です。すでに製作済みのパワーパックに組み込む時には、加速するVRをロータリースイッチに交換して加速時のみブラスト音が出力するようにし、加速時以外はOFFにする必要がある。

     ついでに、ブレーキレバーのロータリスイッチで1回路分余っているので、汽笛で利用しているAPR9600にブレーキの空気抜きの「プシュー」という音を追加で録音して、ブレーキレバーを戻したときに1回だけ鳴るように考えています。
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      SLのブラスト音を再現する方法を検討

       KATOのサウンドボックスに刺激されてSLのブラスト音の再現方法を検討してみました。音源はホワイトノイズにしてこれを間隔を置いて出力することでブラスト音に似せているようです。試しにMK134というキットを購入してみて回路を検討してみることにしました。
       回路動作としてツェナーDiを利用してホワイトノイズ発生回路で音を発生させて、それを100倍(=20dB)にアンプで増幅して、その音をある周波数で間欠に出力する回路を通して、最終出力回路でスピーカーを駆動してブラスト音に類似した音にします。キットはアナログ回路でオペアンプを利用してできます。
       MK134キットでは間欠に出力する回路のVRで速度を変えていますが、ここは一工夫が必要で今のところ3案あります。
      .ットの回路を使って速度VRと連動したVRで変化させるようにする案
      LMC555で間欠波形を作り、その定数を連動VRで変化させて間欠間隔を変化させる案
      PICマイコンで出力電圧値か出力電流値などを読み取りその値から間欠間隔を変化させる案
      どうもキットの音はホワイトノイズ以外のノイズで、きれいに「シュッ、無音、シュッ、無音、・・」とならず、「シュッ、シー、シュッ、シー、・・」というように余分なノイズが多すぎて聞きづらいようです。
      【確認した動画にリンク】

       回路的にはかなり改良が必要なようで、全面的に見直す予定です。なお、汽笛はKATOのサウンドボックスもMK134も日本のSLの音ではなくリアル感がないので、すでに搭載しているAPR9600の音声モジュールをそのままに使用します。従って、キットの中の汽笛関係の回路は除く予定です。
       MK134キットのSPEEDボリュームを最小にしても音が出るので回路を変更が必要があり、かつ余計なノイズの発生をどのように抑えるかも問題である。
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        KATOのサウンドボックス(SOUNDBOX 仮称)いいですね。

         DC制御でも利用できて車両には何も加工しないKATO製(USA)のサウンドボックス(SOUNDBOX 仮称)はなかなかいいですね。私のやりたいことが実現できているようです。車両を動かす時の負荷(電流?)を検出して、車両の速度に合わせて音の調子を変化させています。

        試作品の説明紹介


         SLのブラスト音もリアルに再現していて最高ですね。もちろんコンテナという部品を交換すればいろいろな車両に変更できるようです。問題は価格でしょうけど自作できるものであれば自作してみたい。私がチャレンジしてもいいのですがかなり難しそうです。最大の課題は負荷の検出でしょう。どなたかチャレンジしてみませんか?

         この機能が私のパワーパックに搭載できれば完璧ですね。

         まずは発売されて購入してみて分解して考えるしかないようですね。そうすれば自作できるかどうかわかります。
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          鉄道模型用の2ハンドルPWM式パワーパック3

           2ハンドルのDCとPWMの切替できるパワーパック試作した結果、加速と減速のボリュームを統一するためには回路変更が必要でした。最終版の回路図を下記に載せます。
          DC/PWM切替パワーパック回路図
           回路図は動力制御のみで、独立している音声モジュールとポイント制御はそのままで変更はないので、省きました。なお、出力VRは個別にした方が良さそうですが、製作済みのパワーパックなので連動VRをそのまま利用しました。定数等は自己責任でお好みに合わせて変更や設定をしてください。

           テストしていたら急に動作がおかしくなりました。調べた結果、ACアダプターの出力電圧は規定通り出ているのですが、出力電流が取れずすぐに電圧がダウンしてしまうという症状でした。壊れたとあきらめて保証外の開封をしてよく調べたら電解コンデンサーのリードの半田付けでルーズコンタクトを見つけて半田付けをやり直したら、見事に直りました。中国製の安物はこれだからやですね。でも買わずに済んだのでラッキーでした。

           検討用に試作した簡易パワーパックはなかなかよい出来なので、机上用にPWM専用パワーパックとして利用することにしました。ポイント制御は交換したSWとコンデンサーで1回路だけ追加しておこうと思います。

          【注意事項】
           PWM方式とDC方式を切替える時には方向切替SWをOFFにして一旦減速VRのレバーを最大にしてから車両の動作に入ってください。理由は両方式のC2のコンデンサーの電圧が違うため、車両を走行させながら切替えると暴走します。


          【動画追加】
           製作したパワーパックの動作を携帯電話のカメラで撮った動画なので解像度が低いですが、汽笛とスロー動作がわかります。スロー動作は模型に搭載されているモーターに大きく依存します(新製品のSLでテスト)。この時点では加速レバーの方もVRからロータリーSWに変更しています。


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            鉄道模型用の2ハンドルPWM式パワーパック2

             2ハンドルPWM式パワーパックの試作がうまくいったので、さらに、アイデアを発展させてみました。今まで利用している多機能パワーパックのPWM回路は発振音が少しするので、SL走行には使えないのでスロー発進時に利用する程度でした。今回の試作でうまくいったので、製作済みの多機能パワーパック改造して2ハンドルのパワーパックで、完全にDC方式とPWM方式を切替えできるようにできないか検討してみました。

             検討したDC/PWM方式切替の駆動回路
            DC/PWM方式切替え駆動回路
             多機能パワーパックの汽笛の音声モジュール回路とポイント切替回路はそのままで変更しません。駆動回路のみを改造します。回路を分かりやすくするためコンパレータの入力(2ピン⇔3ピン)を変更して、加速VRと減速VRの充放電回路を統一しました。改造には3回路のON-ONのトグルSWが必要で手元にないので、製作はまだしておりません。
             なお、製作済みの多機能パワーパックの充放電回路はそのまま利用しますから減速はVRではなくロータリーSWのままで利用します。これで多機能パワーパックはさらにパワーアップします。最終回路図は製作して確認してからアップします。

             周波数は計算上14.59KHz(Duty52%)で次のようになっていますが、R4は適当な抵抗値だったかもしれずテスターの実測は16.27KHzでした。
            周波数計算
            【注意】製作される方は自己責任でお願いします。
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              鉄道模型用の2ハンドルPWM式パワーパック

               明けましておめでとうございます。本年もよろしくお願いします。

               ロボザックの更新をほとんどしなくなりましたが、今も当サイトを参考にされる方が大勢いるようで有難うございます。
               年末年始に少し時間ができたので、手持ちの部品を使って簡単な回路を組んでみてテストしてみました。555とコンパレータを利用したPWM回路によるパワーパックで2ハンドルに拘り調べてみましたが、ないようなので回路を検討してみました。

               検討した回路で試作した回路図
              PWM方式の回路図

               この回路の特徴はSLでも利用できるように
              ・PWM回路では発振周波数を16KHz前後に高くして音が聞こえなくした
              ・コンパレータを使用してPWMを0VからVccまで完全動作させる
              ・2ハンドルはDC方式の充放電回路をそのまま利用して2ハンドルで操作する
               (減速だけロータリーSWに切り替えて外したVRをそのまま再利用)
              ・充放電回路は1/3Vccと2/3Vccの間で動作させる(10KRで3分割に)
              ・超スロー動作を目指し充放電回路の容量を2倍にする
              ・LM393の出力はオープンコレクターなので負荷抵抗R8は必須
              ・電源の自由度を上げるため最大速度調整のVRを追加する(15VACアダプターでも可)
               後にこの機能がPWMモードで室内灯の調光機能にもなる。

              なお、PWM回路はどの回路でもよいのですが、2ハンドルにするためにはコンパレータは必須になります。たまたま手元にLMC555がたくさんあったので、このような回路にしました。周波数は音が聞こえないことを確認して決めてテスターで周波数を測定しました。

               ケースは100円ショップでTS-1のサイズに近いハガキケースを利用しました。その他では2SK2232と進行方向切替SWのみ購入してほとんどは手持ち部品で試作しました。コンパレータのスレショールド電圧を逆にしてフルスピードになって焦りましたが、修正して無事に超スロー動作するようになりました。どこにもないPWM方式の2ハンドルパワーパックができました。
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                鉄道模型用の多機能パワーパックの改造4(減速)

                 鉄道模型用の多機能パワーパックをちょこっと改造してみました。以前からブレーキハンドルの回転方向がスイッチ付き可変ボリューム(VR)を使用していたので、逆になっていたのが気になっていました。とりあえず安く仕上げることを目標にしていたので良かったのですが、どうしても正しい回転方向にしたくなり、今回が改造してみました。

                 改造は簡単でVRをロータリスイッチに置き換えれば、回転方向を自由にできます。ロータリスイッチは1段2回路6接点のもの使いました。しかし、回転軸が問題で、ギザギザの形状をしたローレット軸を指定して購入したのですが、VRとは長さが違うのでヤスリで削って可能な限りVRに合わせました。

                 VRとロータリスイッチの軸の比較
                VRとロータリスイッチの軸の比較

                 ロータリスイッチの抵抗の切り替えは階段状に切り替わりますが、回路の後段の放電回路のよりスムーズに減速していきます。第1接点はOFF、第2接点は少し減速から段々減速速度が速くなり、第6接点は緊急停止に設定しました。やはりあると車庫入れに便利です。

                 改造した回路図
                改造した回路図

                 改造後の2つのハンドルのOFF位置です。改造後のレバー位置

                 本当はSL風にしたいのですが、2ハンドルの電車と同じようになっています。駅に停車するようにイメージて操作するとなかなかいい感じで減速します。VRとは一味違いますね。
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                  鉄道模型用の多機能パワーパックのパネル

                   最終型になった多機能パワーパックのハネルをどのように作製するか、いろいろ悩んでしました。失敗しても大丈夫な方法を試すことにしました。
                  ・文字はインクッジェットプリンタで印刷できること
                  ・保護膜シートでかすれにくくできること
                  ・失敗したら剥がせること
                  以上の条件でA-oneの手作りステッカー(透明タイプ)#28873(3枚入り)を購入しました。

                   次にどのように作製するかの検討で、パネル全面(前、上、後)を1枚で貼ることにしました。そのために、文字の配置を決めなければならないので、ツールは文字のレアウトの自由度の高いPowerPointを使いました。実寸法を考えながらデータを作って、5〜6回ぐらい紙に印刷して最終調整は試行錯誤で調整しました。最終確認は残っていたOHPシートに印刷して確認しました。

                  1.OHPシートに印刷して文字のレイアウトを確認
                  OHPシートに試し

                  2.本番シートに印刷
                  本番シート

                   貼った後の穴はカッターナイフで切り取り、パネルの外側に出て余ったシートもカッターナイフできれいに切り取りました。

                  3.シートを貼り付けて完成
                  シート貼り完成

                   保護膜シートを貼るときには気泡ができず成功しましたが、パネルに貼る場合には折り曲げがあったり凹凸が多少あったりで気泡ができやすい。選んだシートは透明タイプなので気泡が見えてしまいムラに見えるので、透明タイプでない方が良かったかもしれません。一部、配線のやり直しをしたので動作確認して完成です。
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                    鉄道模型用の多機能パワーパックの改造3(汽笛切替)

                     音声モジュールには、蒸気機関車、ディーゼル機関車、電気機関車などの汽笛を録音してありますが、切替をどのようにするか検討していました。しかし、2つ以上を切り替えるのは外観も含めて加工も難しいので諦めて2つにしました。結局、汽笛が極端に違う蒸気機関車とほかの汽笛にしてホーンの汽笛であるディーゼル機関車か電気機関車にしました。聞いただけではディーゼル機関車と電気機関車との区別はつきにくいいので良しとしました。
                     ではパワーパックのどこに取り付けるかですが、やはり、汽笛を鳴らすときに片手で操作できる方がよいので押しボタンの近くの手前にスライドSWを付けることにしました。でも邪魔にならないようにツマミは出来る限り飛び出さないように引っ込めました。

                    多機能パワーパックの改造3

                     すでに使用している2台の多機能パワーパックとも慎重に穴加工して傷をつけることもなく無事に改造できました。ツマミも自作のツマミからKATO製のツマミに変更できました。これで多機能パワーパックは完成形になりました。ACアダプター(PC用をプラグ変更した改造)に3Aも追加して室内灯や重連など多彩な編成にも対応でき、1年間で200両を超える車両が集まりいろいろな編成で走行させて楽しめます。後はパネルシールを貼るだけである。
                     最後に、多機能パワーパックが鉄道模型ファンの方々に参考になれば幸いです。但し、動作保証するものでなく自己責任でお願いします。

                     最終的な回路図
                    最終形回路図
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                      カレンダ

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