スナバ回路の検証 [模型]
2015年1月15日の日記
本当だったら今日は "成人の日" ですね~。こっちの方がよかったと思います。私が子供の頃は今日が共通一次の試験でした。雪が降って寒い日だったな~。
さて,今日はスナバ回路のシミュレーションをしてみたいと思います。
Nゲージで遊んでいますが,どうしても停車中に電車や機関車の前照灯が点灯しないのが気に入らなくて,模型を購入するたびに改造しています。 ところが,簡単にやるには前照灯の基板についているコンデンサを撤去すればよいのですが,そのままだと反対側の前照灯や尾灯が点灯するようになってしまうので,スナバ回路を追加してそうならないように改造しています。
電子回路シミュレーションソフトSPICEを使って,今日はスナバ回路の効果を検証してみたいと思います。SPICEはいろいろバージョンがありますが,リニア・テクノロジー社が無償で提供しているLTspiceはタダで使えて便利です。
まずは模型のオリジナルの状態から.....。
私の逆向き点灯防止回路の解説にあるように,最近のNゲージ車両の前照灯回路は▼のようになっています。前照灯や尾灯は最近はLEDを使うのが普通になりました。
電車の場合は後ろのLEDは赤色LEDになっていて,尾灯を点灯します。また,LEDが1個の時(片運で尾灯がない場合)は普通のシリコンDiになっています。これは保護用のダイオードで,LEDは逆耐圧が低く5V程度なので,点灯しないとき(電流が逆向きの時)は保護するためにもう1個,LEDかダイオードが必要なためです。
ところがこの回路は問題があり,PWM式のコントローラを使って停車中に少しだけつまみを回したり,専用のコントローラで停車中にも点灯させるようにできるコントローラを使っても前照灯が点灯しません。 どちらも原理は同じで,停車中にモータが回転しない程度のごく小さなデューティでパルスを出力しています。
なお,レオスタット式やトランジスタ式などのパルス式じゃない連続式(アナログ式)のコントローラではもとから常点灯には対応していませんのでご注意下さい。これはLEDの点灯電圧(順方向電圧)が3V程度と高く,このくらいの電圧になるとすでにモータが回転してしまうためです。
そこで,この点の改良のため,私は下記のような回路を提案しています。 LEDにパラについているコンデンサCpを撤去するとともに,モータとパラにCとRを直列にしたスナバ回路を追加するものです。一見,複雑に見えますが,チップコンデンサやチップ抵抗を使うと簡単に改造できます。
このスナバ回路を挿入すると停車中にも前照灯を点灯させることができますし,反対側の前照灯や尾灯が点灯するという現象を抑えることができます。
オリジナルの回路(一番上)の問題はLEDにパラに入っているコンデンサCpです。
これがなぜ必要なのか,考えてみましょう。
まずはシミュレーションした回路です。全部描いちゃっているのでわかりにくいですが,適宜,スナバ回路や件のコンデンサを外してシミュレーションしました。
モータはコイルと抵抗を直列にしたもので代用しました。本来なら電機子が界磁の磁束を横切るときに発生する逆起電圧を模擬しないといけませんが,モータ起動前ということでそこはネグりました。インダクタンスは実測値じゃなく,過去の経験からの推測値です。
シミュレーションで使用したLEDはLTspiceに標準でついていた,日亜のNSPW500BSというφ5mmの白色のLEDです。ご存じの通り,白色や電球色のLEDというのはチップ自体は青色のチップを使っていて,樹脂に封入された蛍光物質で白く色を変えています。電気的な特性は青色LEDと同じです。
まずはスナバ回路(C2,R6) なし,LEDにパラに入っているコンデンサC1なしの状態です。コントローラはPWM制御でスイッチング周波数300Hzでシミュレートしました。
反対側のLEDがない場合 反対側のLEDがある場合 スナバ回路あり
反対側のLEDもない場合だと,このようにPWM波がoffになった瞬間にオーバーシュートしてかなり大きなマイナスの電圧が出ています。これはインダクタンスによる逆起電圧で,-L・di/dtになることは電子工学の教えるところです。過去の経験だと-12Vくらいにもなることがあります。
反対側のLEDや尾灯をつけると,そのダイオードの順方向電圧でクリップされます。よく,LEDが2~3VくらいのツェナーDiの代用として使われるのはこのためです。私も自動加減速コントローラなんかで使っていますし,両運の模型の場合,非点灯のLEDにかかる逆方向の電圧が抑えられ,LEDの保護として作用します。
ただし,この状態だと反対側のLEDに電流が流れていて,すなわち点灯してしまっています。これじゃダメですね~。
最後に,スナバ回路を取り付けると一番右の結果となり,逆起電圧は-0.6Vくらいに抑えられていることがわかります。この電圧だと反対側のLEDは点灯しません。
今回のシミュレーションではスナバ回路の定数はC=1μF,R=22Ωです。いつもはC=0.1μFでR=10~100Ωでいろいろ実際にテストして決めていますが,シミュレーションではC=1μFの方がよい結果が出ました。次に実際の模型でも効果を確認してみたいと思います。
スナバ回路を取り付けるとオーバーシュートした電圧は見事に小さくなり,-0.6Vくらいです。この電圧だと反対側のLEDは点灯しません。効果があることがわかりますね。いろいろRの値を変えてみるとこのオーバーシュートする電圧が変化することがわかりました。
次に,元に戻ってオリジナルの回路でシミュレーションしてみます。LEDにコンデンサCpをパラに入れ,スナバ回路がない状態だとこうなります。
ご覧いただいておわかりのように逆方向へのオーバーシュートが消え,プラス側のみになります。そのため,反対側のLEDは点灯しません。また,コンデンサに充電される時間は電圧がゆっくり立ち上がることがわかると思います。
このコンデンサの容量C1と,LEDの電流制限抵抗R2の積は時定数といい,電源電圧(12V)の約60%まで立ち上がる時間に等しくなります。 今回のシミュレーションでは時定数は560msです。
ただ,このようにデューティが低い状態だと最大の電圧は2Vちょっとで,これじゃ反対側のLEDが点灯しない代わり,正常な向きのLEDも点灯しません。
これはPWM波がデューティ5%でシミュレートした結果ですが,このときモータは回転するかどうか微妙なところです。
どちらにしろ,もっとデューティを大きくしないとLEDが点灯しないことがわかります。結局,モータが回転してから点灯することになります。これじゃいわゆる "常点灯" に対応しないことがわかりますね。
そこで,やはりこのコンデンサが邪魔をすることがわかったので,簡単に常点灯に対応させるためにはこのコンデンサを撤去するとよいのですが,こうすると一番上の結果の左2枚のグラフのようにインダクタンス分による逆起電圧が邪魔をして,反対側の前照灯や尾灯まで点灯してしまう,ということになります。
そこで,私はスナバ回路を使うことにし,ここ数年,模型を買うたびに改造しています。
スナバ回路はモータやリレー,ソレノイドなどインダクタンスを持ったコイルの電流を切るために挿入される回路で,接点の火花を抑制してスイッチやリレーの接点を保護するとともに,半導体でoffする場合は半導体の耐圧を超えないよう,保護する目的があります。それに,モータの場合だと電流がoffできなくてモータの速度制御ができなくなることを防ぐ目的があります。
直流用 交流用
直流を断続するときにこの問題が起こることが多いのでスナバ回路は直流回路でよく用いられます。その場合はダイオードと抵抗で構成しますが,鉄道模型の場合は直流を使っていても電源の極性が反転する訳なので,交流用のスナバ回路を使う,と言うのが私のアイデアです。
これでスナバ回路の効果についてご確認いただけたと思います。
さて,ほかの対策として,パラになっているコンデンサの容量を小さくすると効果があります。先ほどの図で,コンデンサの電圧が早く立ち上がればよいわけで,コンデンサの容量を小さくしてみます。
うまくいきました。コンデンサの電圧が早く立ち上がり,LEDがこれなら点灯します。ツェナーDiのように,約3Vで電圧がクリップされているのがわかりますね。マイナス方向へのオーバーシュートも小さく,これなら反対側のLEDも点灯しません。
ところが,これはうまくいくようなのですが,コントローラのスイッチング周波数が高くなるとうまくいきません。シミュレーションは300Hzで行いましたが,20kHzにしてみるとLEDが点灯しなくなってしまいます。
今度は周波数が上がるとともにパルスの継続時間が短くなるのでコンデンサの電圧が小さくなり,LEDが点灯しなくなってしまいます。
PWM式コントローラはモータから音がするので,周波数は高い方がよく,私は20kHzで設計しています。人間の可聴周波数は20Hz~20kHzと言われているので20kHzでスイッチングすると音が聞こえなくなります。
実車も同じで,チョッパ電車の201系がプーッと音を出していたのはスイッチング周波数が300Hzと低かったためです。実際,私も自作のコントローラはスイッチング周波数を切替式にして鉄コレの201系を運転するときなんか300Hzにして電磁音を楽しんでいます。
インバータ電車がヒュ~ン,ヒュ~ンと音を出すのも同じ原理で,スイッチング周波数が1kHz以下と低いためです。もっとも,最近のインバータ電車があまりこういう音がしなくなったのはIGBT(ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ)を使ってスイッチング周波数を高くしたためです。
と言う次第で,パラに接続するコンデンサの容量を小さくしてもコントローラの周波数が高い場合は効果が低い,と言うことがわかりました。やはりスナバ回路の方が効果があるように思います。
と言う次第で,最後にひと言。
"スナバ回路はあります!" (某美人科学者? の声で!)
なんか,スナバ回路って,例のニセ細胞と名前も似てますしね......。
本ブログでは実験データの改ざん,写真の切り貼り,虚偽報告,研究費の横領などは一切しておりません。
こんばんわ。
スナバの検証まで、あのソフトでできるとは…。
触れるように、勉強してみます。
というか、スナバ入れなくても余りちらつかない車両もあるのが、この回路の悩みですね。
感覚的に、最近のtomixはよくちらつきますが、古いtomix(LED化してるもの)はあまりちらつかない気がします。
ほんと、一概に言えない厄介な問題です。
シミュレーション時は、モーター代わりに、リアクトルと抵抗ですね。
覚えておきます。
スナバの回路は、ありますから(笑)
by ぼち吉鉄道 (2015-01-17 21:13)
どうもコメントありがとうございます。
実は大型モータやソレノイドのシミュレーションをしているサイトがあって試してみたのが本当のところです。うまくシミュレーションできるものです。
また,Tomixにスナバ回路を試していないので何とも言えません。今度,調べてみます。
それと,さらに実はですが,コントローラの制御素子の接続法についても大きな影響があることがわかりました。エミッタ出力の場合とコレクタ出力の場合で大きく差が出るようです。またこれについてもまとめてみたいと思っています。
by iruchan (2015-01-17 23:48)
はじめまして。以前から拝見させてもらっていました。出戻りモデラーゆえ分からないことばかりで、いろいろと勉強させてもらっています。
どうぞよろしくお願いいたします。
by たこちゃん (2015-01-18 23:29)
たこちゃんさん。どうもいつもご覧いただきありがとうございます。
もし,わからないことがありましたら,ご遠慮なくご質問ください。私が答えられることでしたらお答えします。
これからもよろしくお願いします。
by iruchan (2015-01-19 10:29)
こんにちは。以前DD51のスナバ回路でご指南いただいた者です。その節はお世話になりました。
EF30の記事も改めて参考にさせていただいたりしつつ、スナバの抵抗値の試行錯誤の勘所も分かってまいりました。スナバ回路を搭載してもまだチラツキがる場合は、スナバ回路側に電流が逃げきれずLED側に流れてチラチラしてしまうんですね。
どの記事も興味深く、これからも楽しみにさせていただきます。
by ハマカゼ (2015-02-03 15:11)
ハマカゼさん。どうもコメントをありがとうございます。
スナバ回路は抵抗は小さくすると効果が出ます。もし,うまくいかない場合は10Ωくらいまで小さくしてみてください。逆にコンデンサは1μFくらいまで大きくしてもOKです。
また,パワーパックの出力回路の影響もあることがわかりました。PICやarduinoなどのマイコンを使っている場合,MOS-FETのドレイン出力となっていることが多いと思います。このときは効果が出にくい(逆起電力が大きいため)ようです。
これからもよろしくお願いします。
by iruchan (2015-02-03 18:34)
はじめまして、なべなべと言います。
先日、こちらのページを拝見し、本日、無事にスナバ回路が完成しました。ちらつきなしの常点灯に感激です。
どうもありがとうございました。
by なべなべ (2016-06-14 23:11)
なべなべさん,どうもコメントをありがとうございます。また,スナバ回路をご利用いただき,ありがとうございます。
また,本ブログをリンクでご紹介いただけるとうれしいです。
スナバ回路の定数はメーカや車両によって多少異なりますので,ボディを載せる前に実験して決めてください。抵抗値は小さいほど効果があります。ただ,スナバ損失という熱が発生しますので,20Ωくらいが限度だと思います。
またよろしくお願いします。
by iruchan (2016-06-15 08:05)
はじめまして。
HOナローを主に鉄道模型を楽しんでおります。
スナバ回路をいくつか作成して点灯化に励んでおりますが、R-470Ω、Rs-22Ω、Cs-1㎌wで作成しましたが、この1回路で前後のライトを点滅させております。超低速ではチラつきはおきにくいですが、通常走行ではチラつきはおさまりません。
わたしの知識では遠く及びませんので、メールさせて頂きました。
是非ご教授のほど、よろしくお願い致します。
by ヒポ鉄 (2020-07-09 17:50)
ヒポ鉄さん,どうもご覧いただきましてありがとうございます。
スナバ回路の抵抗は小さい方がよいのですが,小さくすると損失が増えるのであまり小さくできません。
今のところ,Rs=22~100Ω,Cs=0.1~1μFくらいがいいかと思っていますが,モータにより差がありますし,これはNゲージの場合です。KATOやTOMIXなどのモータはこれくらいのようです。
だいたい,Rsはモータの直流抵抗(モータの端子をテスターで測ってみてください)くらいとし,Csは0.1~1μFくらいで変化させて調べてみてください。
あと,コントローラのスイッチング周波数にもよります。何をお使いでしょうか。
by iruchan (2020-07-09 21:49)
こんにちは。
早々のお返事ありがとうございます。
ワールド工芸はマイクロモーター、あとはIMONのミニモーター等HOナローで使用するモーターはNゲージと同じようなものと思います。
コントローラーはいろいろ使いますが、主にTOMIXのN-1001-CLを使っています。
森林鉄道の車両は実速が遅いので、車両によっては実速に近い速度ではちらつきは感じなくても、速度を上げるとちらつくというのが現状です。
10㎌も試してみましたが、スローが効かなくなってしまいボツ。
モーターの直流抵抗を測ろうとしたところ、テスターが見えなくなってしまい捜索中です。
いろいろ試してみたいと思いますが、難しいですね。
by ヒポ鉄 (2020-07-12 11:48)
ご連絡ありがとうございます。
ただ,ちらつく,と書いておられる意味が少しわかりませんので,ご教示ください。
スナバ回路は,本来必要としない方向のLEDを点灯させない回路です。
つまり,前進時は,正面の尾灯と後ろ側の前照灯を点灯させないための回路です。
高速時にちらつく,というのは本来の前照灯が点滅する,と言うことでしょうか。
残念ながら,この現象はスナバ回路は無関係です。通常の走行時に,正常な向きの前照灯が明滅しないようにするには,集電をよくするとか,レールを清掃するとか,あるいはもっと別の工夫が必要です。
by iruchan (2020-07-12 12:44)
こんばんは。夜分遅くに恐縮です。
ワールド工芸の「岩手富士産業T62-JH型」の前照灯点灯仕様と格闘しておりました。
素人の私ごときにまめなご回答をありがとうございます。
電子回路は全くのど素人です。
2番目のスナハ回路をそのまま作成して、1回路で前LEDと後LEDを前進時の前照灯、後退時の前照灯として配線してあります。
前進時に前照灯は点灯し、後退時の前照灯は消灯しますが、消灯している後退時の前照灯がちらつきます。
後退時も同様に、前進時の前照灯がちらつくという事です。
鉄道模型は中1の時からかれこれ50年余になりますが、この間スロットカー、ラジコンと浮気をしており、鉄道模型においてはN、HO、16番、HOナローと盛沢山所有しております。
技術はそれなりにあるつもりですが、電気関係の知識はからきしありませんので、今後もよろしくお願い致します。
失礼致します。おやすみなさい。
by ヒポ鉄 (2020-07-12 23:45)
どうも失礼しました。反対側の前照灯が点灯する対策はスナバ回路しかありません。
定数としては,抵抗を小さくするしかありません。コンデンサはさすがに10μFはオーバーで,これはパルスを平滑化してしまうので,普通の電圧式のコントローラと同じになってしまい,常点灯しなくなります。常点灯とは,瞬間的にLEDの点灯電圧より高い電圧を加えて点灯させるもので,パルスとして12Vを印加しています。コンデンサが大きすぎると,パルスが平滑化されてしまいます。
なお,車両側の抵抗を小さくすることのほか,パワーパックの出力端子にスナバ回路をつけてしまう,と言うのも手です。私が自作するコントローラには最近は必ずつけています。22Ω+0.1μFをつけています。詳しくはKC-1改の記事などをご覧ください。
by iruchan (2020-07-13 19:33)
こんばんは。レスポンスが早いので助かります。
前進後進とも進行方向反対側のライトがちらつくんです。
HOの銚子電鉄デハ501を電飾化しようとおもいますので、前進側に1回路、後進側に1回路と2回路つくってみました。
双方とも単独で制御したらどうなるのか試してみます。
いつもありがとうございます。
今後もよろしくお願い致します。
失礼致します。
by ヒポ鉄 (2020-07-13 21:21)