コアレスモータ対応鉄道模型用コントローラの開発～その17・PIC版KATO KC-1~

2019年1月15日の日記

今日は前回に引き続いて，KATOのKC-1コントローラと同等の機能を持った自作のPIC版KC-1を作っていますが，今日は過電流保護機能を組み込んでみます。

実物のKC-1はサイリスタを使った電流遮断型保護回路となっていて，負荷電流が1Aか2Aの選択ができますが，これらの値を超えるとサイリスタが動作して出力電流を0にします。

一般的に定電圧電源など，電源装置の保護回路としてよく使われるのは電流制限型で，iruchanも鉄道模型のコントローラとしてはこの電流制限形をずっと使っていました。最近よく使われるポリヒューズも動作としてはこういう動作をします。なお，ポリスイッチという別名もありますけど，スイッチのように，完全に電流を切ってくれるものではありません。

電流制限形の保護回路の場合，保護動作としては，一定の電流以上は流れない，と言う保護動作になります。こうすると制御用の素子（バイポーラTr，MOS-FETなど）を保護することができます。

ただ，この場合，負荷から見ると一定の電流を流してしまう，と言うことになるので，結構危険な保護動作です。Nゲージの場合，モータに1Aも流すと結構発熱し，危険です。ボディがプラですから，ボディが変形することもあり得ます。HOゲージのようにボディが金属製なら大したことはないですし，HOゲージだとモータも大きいので，それほど発熱しないのでマシですけどね.....。

また，ポリヒューズはUSBコネクタの保護素子としても多用されていて，USBは最大1A流すことができますが，その保護用としてポリヒューズが入っています。よく，USBに接続したのに認識しない，と言うトラブルがありますが，こういう場合，このポリヒューズが物理的に断線して故障していることがあります。過電流で壊れちゃったんですね。普通は壊れないんですけどね。また，ポリヒューズも保持電流が大きすぎ，1Aでトリップするものでも，保持電流は0.5Aです。これじゃ，せっかく動作しても0.5Aの電流を流し続けるのは困ったものです。半導体を使った電流制限形の保護回路も，より安全なホールドバック形，と言うものもありますが，これも最大負荷電流が1Aで，保持電流が0.1Aと言う保護回路は設計できません。

ということで，やはり鉄道模型用としては，過電流を検知したら電流を完全に0にする，電流遮断型が安全です。

でも，これを簡単に電子回路で実現しようとすると......，意外に大変なのです。KATOのKC-1もサイリスタを使っていますし，教科書を見てもかなり複雑な回路が解説してあります。何個もTrが必要となり，回路は複雑です。あることをきっかけとして，なんらかの状態を保持する，というのは意外に電子回路ではめんどくさいのです。サーキットブレーカを使えば簡単ですけど，これはこれで値段が高いですしね。

それに......。

電流遮断型だと，電流制限形のように，自動的に復帰する，と言うことができません。あくまでも何か別のスイッチを設けてリセットする，という動作が必要になります。まあ，実際の電車でもこうだし，普通，過電流が流れた，というのは事故なわけですから，自動で復帰する，というのは本来はおかしな話です。ちなみに，ポリヒューズは過電流が解除され，素子の温度が下がったら自動的に抵抗が0になるので，自動復帰します。

前回のハードウェア版KC-1改ではR-Sフリップフロップを使った回路にしました。R-Sフリップフロップだとある状態を記憶してくれるわけですから，電流遮断型の回路に応用できます。

過電流を検知するとR-Sフリップフロップが動作し，電流遮断動作を保持します。リセットするには別のスイッチでR-Sフリップフロップをリセットします。

今回，PICを使っていますから，ソフトウェアでこういうことをやろうと考えています。

ソフトウェアでやるなら，こんなこと簡単なわけです。OCR_flagというような変数を設けておいて，過電流を検知したらその変数を1にし，リセットするまで出力をoffにすればよいわけです。

とすると，回路も非常に簡単になります。

出力部分と保護回路だけを描くとこのようになります。

保護回路です。

MOS-FETのソースに挿入した0.22Ωで過電流を検知します。仮に1Aとすると，この抵抗の両端の電圧が0.22Vを超えたら過電流と判断すればよいのです。

回路は複雑に見えますが，0.22Ωとリセットスイッチ，プルダウン抵抗27kΩがミソです。

10kΩと10μFはハイパスフィルタで，今回，PWMコントローラですからノイズが多いので，誤って保護動作をしないよう，フィルタで動作を緩慢にしておきます。なくてもよいと思いますが念のため，入れておきました。

それをAN3ポートに入力し，その電圧をPICのソフトで監視します。

リセットはA3ポート（#7ピン）をhighにすることにより解除します。27kΩでプルダウンしておきます。

 テストです。

PICのAN3ポートに乾電池をつないでテストしてみます。

赤色のOCR LEDが点灯し，出力がoffとなります。電池を外してもこの状態を維持します。

う～～ん，こうしてみるとこの赤色LEDもほとんどオレンジだな......。最近はLEDも中国か台湾製ばかりで，どうもかなり波長が短めで赤色LEDと言ってもこのようにオレンジ色に近いものばかりです。

 リセットします。

リセット用のタクトスイッチを押すと，A3ポート（#12ピン）がhighとなり，リセットされます。PWM出力が再開されるので，出力モニター用のオレンジ色のLEDも点灯します。

ついでに，遊びでリセット信号モニタ用の青色LEDをつけちゃいました......(^^;)。

秋月で売っている，アイスブルーという青色LEDです。普通の青色LEDはギラギラと原色でどうにも好きになれませんが，これは上品な青色だと思います。

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実を言うと，PICのソフトを変更し，OCR動作時でも，たとえば1秒おきに10msくらいの瞬間的なパルスを出力させ，そのとき，先の0.22Ωの電圧を測定して0.22V以下なら出力を再開させる，という自動復帰動作も可能なんですけど.....。

一応，やはりリセットは手動で入力するようにしました。

以上でソフトウェアの開発は完了です。次回はケースに入れて完成させたいと思います。