鉄道模型のコントローラ（パワーパック）の出力回路について [模型]
2015年2月9日の日記
鉄道模型のコントローラを作っています。 日本ではパワーパックと呼ばれることが多いですね。市販品を買うのが一番手っ取り早いし，性能もよいのですが工作マニアなので自作するのを楽しんでいます。
以前，コントローラの歴史についてちょっと書きましたが，今日は出力回路およびモータの逆起電圧についてまとめます。
鉄道模型では昔はレオスタットと呼ばれる大型の巻線抵抗器を使って電流を制御する方式でしたが，その後，トランジスタを使ってモータを電圧で制御するようになり，さらに出力電圧は最大値（12V）で固定のまま，パルスの幅を変えて制御するPWM式も出るようになりました。最近ではPWM制御にマイコンを用いるものが増えてきました。
これらの半導体を用いたコントローラの出力回路は大体，次の5種類くらいあります。
コレクタ出力 エミッタ出力 ドレイン出力 ソース出力 Hブリッジドライバ
Hブリッジドライバは2組の半導体を組み合わせて対角線のペアを同時にon，offさせることによりモータの回転と，向きの制御ができる優れものですが，あまり鉄道模型では使われないと思います。私もTomixの5001パワーユニットをPWM化したときに使ったくらいです。それに，Hブリッジドライバはon，off制御のみにして速度制御をしないか，PWM制御で速度制御をするかのどちらかで，昔の鉄道模型のように電圧制御で使用することはありません。
まずは出力の半導体が1個のみのシングル出力回路についてです。ほとんどのコントローラがこの回路になっています。
使用する半導体は昔はバイポーラトランジスタ（Tr）でしたが，最近はMOS-FETを使うことが多いと思います。鉄道模型に限らず，自動車やFA機器などモータを制御する回路ではもはやMOS-FETを使うのが当たり前でしょう。バイポーラTrを使用するメリットはあとで書くように，ほとんどないと言っていいと思います。
といってなんだか，私は古いものが大好きで鉄道模型のコントローラもほとんどバイポーラTrを使っています。真空管が好きでアンプを作ったりしているのに，真空管に似ているはずのFETはどうにも理解できないというのが正直なところです。あまりにも大きな電流を扱えますし，スピードも速くてなにか性能がよすぎて何か怖いんですよねェ.....(^^;)。
シングル出力回路の場合，TrとFETで電極が違いますが，大別して2種類あり，要は半導体が電源側に入るのか，グランド側に入るのか， ということです。
昔は半導体を電源側に入れ，Trのエミッタ，FETではソースから電流を取り出すやり方が多かったです。これは電子回路で言うエミッタフォロアかソースフォロアで，装置としてはシリーズレギュレータとよばれる方式です。
モータを電圧で制御する場合はこの方式しかありません。出力電圧可変のシリーズレギュレータというわけですね。私が作った最初のPWM式コントローラもこの方式です。あのときはPWM式と従来の電圧制御式（アナログ式?）の切り替えができるようにしていて，必然的にこの回路となりました。
この場合，半導体での損失が問題となります。コレクタ（ドレイン）～エミッタ（ソース）間の電圧VCE×ICまたはVDS×IDが損失となり，これにより半導体が発熱します。
もちろん，これはデメリットだけというわけではなく，トランスのACを整流してコンデンサで平滑化しても多少リップルと呼ばれる脈流が含まれるものですし，なにより出力の電圧を一定にしておきたい，というような場合はメリットで，特に定電圧電源はこの機能を利用したものです。 オーディオの電源などでは非常に有用で，リップルが残ったままだとハムの原因になります。
反対に，コレクタ出力やドレイン出力の場合は単に半導体がスイッチの役割をするだけで電圧調整の機能はありません。それで，電圧制御式にできないのはもちろん，電源の電圧がもろに出力されますので，うっかり15VくらいのACアダプタを使ったりすると15Vがもろにモータにかかりますのでご注意ください。
なお，PWM式はスイッチングしているだけなので損失がない，といわれますが，全く0というわけではなく，モータに電流を流している間はこのエミッタ～コレクタ（ドレン～ソース）間の電圧降下による損失があります。
次に，Trではコレクタ，FETではドレインから出力する場合について考えてみます。半導体がグランド側に入ってモータの後につながって場合です。
損失はエミッタ（ソース）出力と同じで，先ほどの式と同じです。ところが，この回路の場合は十分なベース（ゲート）電圧を与えて半導体を飽和領域で使用するためTrのVCEは最低のVCEsatとなり，約1Vです。FETの場合はこの電圧はない代わりにオン抵抗とよばれる抵抗値があり，RDS(on)×ID だけ電圧降下しますが，これでもTrよりだいぶん小さいのです。
実はMOS-FETの最大の特長はこのオン抵抗により生じる電圧降下が非常に小さいことにあり，オン抵抗は数10mΩ～100mΩくらいのためTrの場合に比べて非常に小さく，実質，0Vと考えてもよいくらいです。 Trの場合，VCEsatが1Vくらいもあるのですが，MOS-FETの場合は0.1V以下です。さらに，Trの場合は1Aも流すとそれで1Wの熱を生じますし，鉄道模型くらいならいいですけど大型のモータを回転するような場合は大変大きな損失となります。
一方，これらの半導体をスイッチとして使う場合，ベース～エミッタ（ゲート～ソース）間に十分な電圧をかける必要があり，Trの場合はオンするための電圧は0.6Vで，MOS-FETの場合は品種にもよりますが，ゲートしきい値電圧VGSth以上必要で，2Vくらい必要です，これはちょっと電圧が高すぎ，私はこれが気持ち悪いんですよね～。最初にMOS-FETのパワーアンプを作ったとき，バイアス電圧調整用のボリウムを回しても電流が流れないのでどこか間違ったかと悩んだ記憶があります。
でも，PICやAVR，最近ではarduinoなどのマイコンの出力電圧は3.5Vとか5Vくらいあるので，これで十分にドライブできます。特にMOS-FETは電流を必要としないため，直接マイコンを接続することができ，最近はMOS-FETのドレイン出力回路とすることが多いです。
さて，実際にコントローラとして使用する場合ですが，やはり理想と現実は違うので，実際の回路は次のようになります。
まずは制御Trをダーリントン接続するのが普通です。だからTrはこのように2石必要となります。入り口に入っているTrは小さなものでよく，2SC1815などの小信号用のTrでOKです。2段目は制御Trといい，これは大電流が流れますのでパワーTrが必要です。鉄道模型だと余裕を見て，5A以上の定格があるものを選びます。
なぜダーリントン接続するのか，というとベース電流iBをできるだけ小さくしたいからで，これが大きいとベース抵抗RBにより電圧降下し，出力の電圧が下がってしまうからです。といって，このベース抵抗は結構重要で，これがないとベースに過大な電圧がかかり，Trが壊れてしまうので，保護抵抗の意味があります。Trのベース～エミッタ間の耐圧は3Vくらいで，Trを飛ばしてしまう原因の一つはチェック中にコレクタとベースをテスターのリードでショートしてしまうことです。そうするとベースに過大な電圧がかかって壊れますので皆さん気をつけませう。
バイポーラTrのベース～エミッタ間電圧VBEはほぼ一定電圧で，0.6～0.7Vくらいです。だから▲の回路では出力電圧はVin－1.2Vくらいとなります。
エミッタ出力の場合はエミッタにモータがつながるので，入力電圧Vinは13Vくらいが必要です。コレクタ出力だと2Vもあれば十分です。
さらに，出力ショートの場合の保護として，もう1石使用して保護回路とします。保護回路用Tr Q3はRSの電圧が0.6Vを超えるとonし，Q1～Q2のベース～エミッタ間電圧を下げ，出力電流を絞ります。 いまじゃポリスイッチを使うのが普通なんでしょうけど，この回路のいいところは速動式で，瞬時に動作しますので，安全です。ポリスイッチは前回，Tomixの5001コントローラをPWM化したときに使いましたが，どうも動作が遅いし，挙動も変だったので，どうにも信用できません。コレクタ出力の場合はポリスイッチしかありません。私がエミッタ出力の回路を使うのはこのためもあります。
次にMOS-FETを使った場合の実際の出力回路です。
ソース出力 ドレイン出力
こちらの方はやはりバイポーラTrの場合に比べて簡単ですね。これはMOS-FETが電圧で制御する素子だからです。
ゲートに抵抗RGが入っていますが，これはいらないかもしれません。Trの場合と違って特に必要はないのですが，入れておく方が無難です。
この抵抗は寄生発振を防ぐために挿入します。特に，PWM式の場合，方形波を扱いますので，高調波が多く，寄生発振することが多いので入れておく方がよいでしょう。オーディオのパワーアンプでも必ず挿入します。
VGSがTrのVBEより大きいので，ソース出力の場合は入力電圧VinはTrの場合より高めになります。
さて，今回，ちょっとこの出力回路について調べたのは訳があります。実は，スナバ回路を車両に搭載し，反対側の前照灯が点灯するのを抑制する回路を考案していますがどうもコントローラの出力回路による影響があることがわかったためです。
最近は，私はもっぱらTomixの5001改PWM式コントローラで遊んでいます。
ところがこのコントローラを使うと妙に反対側の前照灯が明るく点灯することに気がつきました。もちろん，スナバ回路を入れれば抑えられるのですが，何か以前より明るく点灯する気がしました。
以前は，初代のPWM式コントローラを使っていましたが，思い出してみるとこのコントローラを使っていたときはそんなに反対側の前照灯が点灯するのは気になりませんでした。そういえば，チラチラと反対側の前照灯が点灯するのはレールの継ぎ目とか，機関車の集電が悪いところだけだった気がします。
ところが，5001改コントローラの場合はつまみを回しただけで，反対側の前照灯がそれこそ全開，という感じで明るく点灯してしまいます。逆起電圧によるもので，時間的にはほんの瞬間的なものなのですが，最近のLEDは明るく，ほんのわずかな継続時間でも明るく点灯してしまうのです。それでスナバ回路で抑制していますが，その回路に使用する抵抗も昔は100Ωとか大きめの値でしたが，最近は20Ωとかかなり小さな値にしないといけません。
と言う次第で，どうもコントローラの出力回路による影響があるように思われます。そういえば，Tomix5001改コントローラはHブリッジドライバ式なので，以前私が使っていたコントローラとは出力回路が異なります。
そこでSPICEでシミュレーションしてみました。結果は歴然としていました.....。
Hブリッジドライバのシミュレーション回路
Hブリッジだと2組のTrが必要なのですが，前進，後進でどちらか1組しか動作しませんので，シミュレーションでは対角線の1組だけシミュレーションしました。
スナバ回路なし
え～～っ! という感じでものすごい逆起電圧が発生しています。おそらく，実際には出力～モータ間には抵抗がありますし，インダクタンス分もあるのでこんな電圧にはならないはずですが，-50.9Vものピークが出ています。
C=1μF，R=10Ωのスナバ回路を挿入すると見事に抑制できます。前回，Tomix5001改のPWM式コントローラで挿入した定数はこの値にしました。車両側に搭載する場合はもっと時定数は小さめでよいと思います。
と言う次第で，Hブリッジドライバはかなり大きな逆起電圧を発生させることがわかりました。
そこで，以前使用していたPWM式コントローラの回路をシミュレーションしてみます。このコントローラはバイポーラTrを用いたエミッタ出力回路になっています。シミュレーションで使用したTrは2SD794です。このTrのfTは60MHzと高いです。
エミッタ出力の場合
これだと逆起電圧は－1.3Vと全然大したことありません。これなら車両にスナバ回路を搭載しなくても大丈夫のようです。
コレクタ出力の場合
残念ながら，半導体をグランド側に挿入しコレクタでコントロールするとこんな感じで，やはり盛大な逆起電圧が発生します。これだとスナバ回路が必要です。
次に素子の違いを確かめてみます。バイポーラTrの代わりにMOS-FETを使用してみます。多少，素子による違いが出るようです。
ソース出力の場合
Trのエミッタ出力に相当するMOS-FETのソース出力の場合です。やはりTr同様，逆起電圧は小さめで，－2．1Vでした。
ところが......。
ドレイン出力の場合
Trのコレクタ出力と同様，大きな逆起電圧が出ます。
これじゃダメなのでスナバ回路を試してみます。
一応，MOS-FETを出力回路に使用する場合，多くの皆さんがショットキーバリアDiを出力に挿入されておられますが，これは直流でのスナバ回路そのものです。
効果を確かめてみます。
シミュレーションした回路は次の通りです。
MOS-FETシミュレーション回路
使用したMOS-FETは2SK2201です。よく鉄道模型にも使用される2SK2232のSPICEモデルも見つけたのでシミュレーションしてみましたが発振してうまくシミュレーションできませんでした。出力端子の横にあるダイオードやコンデンサ，抵抗はスナバ回路です。これらを適宜，モータにパラに接続してシミュレーションしてみました。
ショットキーDiによるスナバ回路
きれいに抑制できますね。MOS-FETをドレイン出力で使用する場合，絶対に必要です。マイコンと一緒に使う場合はこの回路ですので，MOS-FETのドレインと電源の間に挿入してください。気をつけないといけないのは逆転SWの前に入れることで，うっかり後に入れてしまうと，逆転時に出力をショートしてしまうことになるので気をつけてください。
次に，私が試しているC-Rによるスナバ回路の効果を確かめてみましょう。
C-Rスナバ回路
同じように効果があることがわかります。普通，ダイオードを使ったスナバ回路は直流用で，C-Rスナバ回路は交流用なのですが，C-Rスナバ回路は直流に使用しても効果があることがわかります。鉄道模型は逆転SWで極性が反転しますので，C-Rスナバの方が極性を気にしなくても済むので楽だと思います。
さて，ちょっと話が元に戻ってしまいますがバイポーラTrでも素子による違いがあるのでしょうか。
昔，製作した自動加減速コントローラには2N3055を使っています。ひと頃は電源装置というと必ずこのTrが使われていました。オリジナルはモトローラですが，さすがはアメリカ製だけあってタフで大容量だったのが理由だったと思います。ちなみに規格はVCEO=60V, IC=15A, Pc=115Wです。
2N3055コレクタ出力
あれ? という感じの結果です。本来なら逆起電圧が発生するはずのコレクタ出力で使用した場合でも全く出ません!
実は2N3055は鈍足で知られていて，コレクタ遮断周波数fTは2.5MHzです。パワーTrの場合はこれは普通で，チップのサイズが大きいのでキャリアの移動時間がかかるし，付帯するキャパシタンス分も大きくなるのでどうしても高周波は苦手になってしまいます。
ちなみに，スイッチング速度について規格表に記載があるTrについて調べてみました。特にパルスの立ち下がり時間が逆起電圧に関係しますので，それを記載します。
立ち下がり時間tf メーカ，規格
2SD560 1.2μs NEC ダーリントン （VCEO=100V, IC=5A, Pc=30W）
2SC3694 0.3μs NEC （VCEO=60V, IC=15A, Pc=30W）
2SK2201 40ns 東芝 （VDSS=100V, ID=3A, PD=20W, RDS(on)=0.28Ω）
2SK2232 55ns 東芝 （VDSS=60V, ID=25A, PD=35W, RDS(on)=36mΩ）
なんかやっぱりMOS-FETが高速なのに驚きます。Trの7倍から20倍も速いのですね。 逆起電圧は－L・di/dtとなりますので，速く電流を遮断するほど大きくなります。
残念ながらMOS-FETの規格表にはスイッチング特性の表記がありますが，バイポーラTrの場合はスイッチング用でない限り，あまり記載していないので比較が難しいです。ちなみに2N3055についてもスイッチング用の規格が不明です。
金田式DCアンプも最初は2SA649/D218などのTrを使っていましたが製造中止になって入手が難しくなると新しい半導体としてMJ2955/2N3055のコンプリが音がよいとして推奨されるようになりました。まだ私はこのTrの音は聞いたことはないのですが，必要な分は集めてありますのでいつかアンプを作ってみたいと思います。
金田氏は2N3055のfTが低いことは承知の上で，意外にもfTが低いTrの方が音がよい，と書いておられました。
案外，オーディオも鉄道模型もそんなものではないでしょうか。fTが高すぎるといろいろ悪さをすることが多そうです。MOS-FETが今回のシミュレーションでも悪い結果が出たのはやはりスイッチング速度が速いためで，これほど速い必要はない，と言うことのようです。
と言う次第で，私はオーディオでも鉄道模型でも極力古い半導体を使うことにしていますが，やっぱ，古いものはいいんですね.........(^^;)。
やはり，スナバ回路が有効だとわかりましたが，意外にもコントローラの出力回路の影響が大きいと言うことがわかりました。コントローラも昔ながらのシングルのエミッタ出力のものがよいと言うことがわかりました。
といって，コレクタ出力やドレイン出力となっている回路を，エミッタ出力やソース出力に変更するのは無理です。この場合，コントローラの出力にショットキーDiをつなぐか，C-Rスナバ回路をつけるとよいと思います。C-Rスナバの場合は前回のブログをご参照ください。
2015-02-05 21:49
nice!(1)
コメント(2)
![[晴れ]](https://blog.ss-blog.jp/_images_e/1.gif){kind=small}
おはようございます。
-50Vですか…。
凄い結果ですね。
スナバの効果が絶大のシミュレーション結果ですね。
でも、ショットキーでの軽減効果を見たら、こちらを採用の方が…(^^;
小生、あまりちらつきが気にならないのと、今使ってる加減速でないコントローラは、ほぼちらつかないんですよ。
共振が関係しているの感じですね。
by ぼち吉鉄道 (2015-02-09 08:04)
ぽち吉鉄道さん。
どうもいつもコメントをありがとうございます。
ショットキーDiもC-Rもどちらもスナバ回路です。直流回路の場合はショットキーの方がよいでしょう。
私がC-Rスナバを採用しているのは車両に搭載する場合にはこちらしかないからで，車両にはショットキーは使えません（後進時は極性が反転してレールをショートしてしまうためです）。
パワーパックに使用する場合は逆転SWのまえに挿入するならショットキーでOKです。
ただ，パワーパックによっては逆転SWがプリント基板になっていたり，部品を取り付ける場所がなかったりします。そのときは出力端子にパラにC-Rスナバを取り付けるのをお勧めします。
なお，どうして半導体をグランド側に入れると大きいのか，よくわかりません。
それに，ご指摘のようにMOS-FETの場合は共振により発振しています。波形を拡大するとバイポーラTrの場合は１波のみですが，MOS-FETは1MHzくらいで減衰振動しています。
またよろしくお願いします。
by iruchan (2015-02-09 22:46)