目次
- 3端子レギュレータについて
- なぜ3端子レギュレータを使うのか
- 3端子レギュレータの許容電流と許容損失
- 3端子レギュレータの種類
- 3端子レギュレータの規格
- 3端子レギュレータが制御できる電圧
- パワーパック向きの3端子レギュレータ
- 蛇足
3端子レギュレータについて
Jan 1, 2024.
3端子レギュレータとは安定化電源用ICの事です。普通にトランス＋整流器の組み合わせで整流しただけでは、多少ではありますが交流時代のクセ？が残っていると言うか、多少波が残ったような状態の直流しか得られません。これを「脈流(みゃくりゅう)」と言います。古くから鉄道模型を楽しんでいる方であれば「半波(はんぱ)」と言った方が判り易いかも？。「半波」とまで言ってしまうと極端ですが、普通の直流の上に僅かな「半波」が載った状態のモノが「脈流」です。
脈流は「波が残っている」とは言っても漣(さざなみ)ですから、回路によっては問題になる場合もあるし、このままでも構わない場合もあります。例えば、オーディオ機器などでしたら「波が残っている」部分はそのまま「ブーン」と言うハムノイズとして現れます。どの程度「ハムノイズとして現れ」るかは装置の特性や地域によって異なります。恐らくは、西日本の方がハムノイズが目立つはずです。東日本ではハムノイズは50Hzですが、西日本のハムノイズは60Hzなので、可聴周波数帯域の中心に近い分だけノイズとして目立ちやすくなるからです。
ハムノイズの「ブーン音」を我慢できるかどうかは個人の感受性に拠る部分が大きいですが、脳波を測定するような機械でしたら「波が残っている」部分なのか脳波なのかさっぱり区別が付かなくて使い物にならない、と言うような現象が予想されます。パワーパックのように、単にモーターを回すだけの電源だとしたら、多少の波が残っていても気にする必要は恐らく無いでしょう。
安定化電源とはこの漣(さざなみ)を取り除くための装置で、3本足のICの中に安定化電源を収納したのが3端子レギュレータです。それでは、「波が残っている」部分をどうやって取り除くかと言うと、簡単に言ってしまえばヤスリを掛けたり、カンナで削ったりするような作業をします。例えばパワーパック用に安定化した直流12Vが欲しければ、安定化していない直流15V程度を入れてやります。つまり、表面を平滑にしてやるために3V分くらいを削り取ってしまうわけで、この3V分は熱として空気中に捨ててしまいます。カンナ屑などを捨ててしまうのと同じことなので、この3V分は「削りしろ」とでも考えれば間違いは無いでしょう。
模型の場合でしたら材料の表面を平滑にするためには削ったりしないでパテ埋めする、と言う手法も考えられますが、電気工学・電子工学の場合にはパテ埋めに相当する手法は不可能ではありませんが結構厄介なので、あっさりと削り取って平滑にしてやる方法が無難です。15Vから12Vを引き算すると3Vとなることは初歩的な算数ですから直ぐに判りますが、この3Vの差を「入出力間電圧差」と言って、個々の3端子レギュレータによって決まっています(メーカーで発行している規格表、データシート、アッセンブリノートなどを見れば判ります)。
実は、この「3V」と言う数字は3端子レギュレータの入出力間電圧差としてはごく一般的な数値で、特に明記されていない限りは3V程度を見込んでおけば大丈夫です。実際にはもう少し小さい数値ですが、安全を見込んで3V程度の入出力間電圧差は或るものと感がえた方が宜しいでしょう。
それでは直流12Vで走行する鉄道模型を使うために、「市販のバッテリー・チャージャーなどの13.8Vの電源だったら用意出来るが、これでどうにかならないか」と言う場合はどうでしょうか？。3V上乗せできない限りはダメなものはダメとも言えますが、多少電圧が下がれば多少列車の速度が遅くなるだけなので、この点さえ目が瞑れるならば問題なく使用できます。
なぜ3端子レギュレータを使うのか
Jan 1, 2024.
「3端子レギュレータは、簡単に電圧制御パワーパックが作れる」からであって、この点に尽きます。自慢できる話ではありませんが、私は電子工作が好きな割にはスキルが低いので、トランジスタ制御のパワーパックの回路を設計するようなことは出来ません。だから殊更に3端子レギュレータを使おうとしているだけです。
鉄道模型の車輛を運転する際に、車輛の速度を変化させるために「電圧を変化させる」と言う機能に関して言えば、「3端子レギュレータ」「固定抵抗」「可変抵抗(所謂“ボリューム”)を1個づつ揃えれば、これだけで可変電圧の安定化電源回路が組めてしまえるからです。恐らくは電子工作一般の中で、こんな簡単な回路はゲルマニウムラジオ程度のモノだと思われます。回路を安定動作させるためにはもう一寸部品を追加する必要がありますが、原理的な事を申せば、これだけの部品でも動作はします。
「簡単かどうか」と言う点についていえばスライドトランスを使ったり、レオスタットを使ったりしたパワーパックの方が簡単な回路ですが、「スライドトランス」も、「レオスタット」も、最近では些か一般的とは言い難い部品なので高価だし、大きくて重いです。特に、小型のスライドトランスと言う点では唯一無二の存在であった松永製作所の「MT-105(と言う50VA型のスライドトランス)が製造終了してしまったので、普通の、乗用ではない鉄道模型に使うには大き過ぎる100VA型が新品で入手できる唯一の存在となってしまいました。電力が100VA≒100Wと言う事は直流12Vに降圧して使う場合の電流値は8.3Aにもなってしまうので些か過大です。
3端子レギュレータも安定した動作をさせるために真面目に放熱器を取り付けると大きくて重くなりがちですが、それにしても価格は間違いなく安いです。安いし、簡単な回路なので先ず失敗はしないし、失敗しないし、小型軽量だから楽しく工作が出来る。私にとっては非常にありがたい存在です。
3端子レギュレータの許容電流と許容損失
Jan 1, 2024.
「許容電流」と言うのはその名の通り、その3端子レギュレータで取り扱うことできる最大限度の電流値のことです。例えば、「許容電流が1A」とあれば、このレギュレータでは1Aまでの電流であれば問題無く取り使うことができる、と言う意味です。概ね。普通の製品では1.5Aまで、3Aまで、5Aまで、7.5Aまでと言うのが目一杯の処です。
それでは「もっと出力電流が欲しい場合はどうするのか」と言うと、補助用にブースター的な役割のトランジスタを用意します。「3端子レギュレータを並列接続したら出力電流を増やせないか？」と言うと、それは結構難しいです。設計・製作をしくじると一方のレギュレータばかりに出力電流が集中してしまうので破裂するとか、まぁロクな結果にはなりません。この件を説明しきるスキルは私には無いので「止めた方が良いでしょう」とだけ書いておきます。
この件以外にも出力電流に拘わる事柄としては、3端子レギュレータには3V程度の入出力間電圧差があるので、これが損失＝発熱になります。例えば回路の出力電流が1A、入出力管電圧差が3Vだとすれば、3Wの損失＝発熱が発生します(3W＝3V×1A)。乱暴な表現をすれば、この状態では3端子レギュレータは3Wの電熱器を兼ねていると言っても良いでしょう。実はこの辺りがパワーパックに3端子レギュレータを使うに当たって困る点でして、鉄道模型の速度制御(＝電圧制御)は、3端子レギュレータにはかなり過酷な使われ方を強いることとなります。
しかし、鉄道模型の世界ではもっと過酷な現実？が待ち構えています。12Vのパワーパックを作るために15Aの電源を用意して1A流している分には損失は3Wですが、車輛を低速で走らせる為に15Vの電源から3V程度の電圧を取り出したいと言うような事をすると相当に厳しい事になります。3端子レギュレータの入力が15Vの時に、このパワーパックの出力電圧を3Vまで絞って1A流すと、なんと12Wの損失が発生します。12W＝(15V-3V)×1A、と言うことです。
3端子レギュレータを使ったパワーパックでは、車輛を低速にするほど3端子レギュレータ自体の発熱が多くなります。
3端子レギュレータの入出力間電圧差を12Vも見込む、なんて使い方は普通の3端子レギュレータの使い方としては、いささか過酷な部類に入ります。この辺りの事情はCQ出版から発売されている「電源用IC規格表」にも「高入出力電圧差の条件では、最大出力電流を供給できません」と明記されています。最大出力電流にたどり着くよりも先に、最大許容損失の限界にたどり着いてしまうからです。普通に電子回路の知識がある人に「3端子レギュレータの入出力間電圧差は12V見込んである」なんて話すと、恐らく相手は呆気に取られて黙り込んでしまうか、回路設計を変えた方が良い、と説得されてしまうか、どちらかだと思います。入出力間電圧差が12Vある、と言う点だけ取り上げれば、3端子レギュレータの回路設計としてはかなり無理があるからです。
そのようなわけで、極端に大出力なパワーパックに3端子レギュレータを使うと設計はかなり苦しくなりますから、精々1A程度までにとどめておくのが無難です。尤も私自身は余り消費電流の大きい車輛は持っていないので、電流を流し過ぎたから許容損失を突破しちゃった、、、と言うような経験はありません。1Aも消費するようなモーターを使って2個モーターの機関車で重連、なと言う運用は止めた方が宜しいです。普通の民生用レイアウトで2個モーター機で重連にするような必然性は無い筈ですから。
3端子レギュレータの種類
Jan 1, 2024.
3端子レギュレータには膨大な種類があります。大雑把には、次のように分ける事が出来ます。
- 出力電圧が固定のものと可変のもの。固定電圧ならば3.3V、5V、6V、9V、12V、15V、24V等々です。パワーパックの電圧調整≒車輛の速度調整に使うなら、出力電圧が可変のモノが宜しいでしょう。
- 正電源(プラス電源)用のものと負電源(マイナス電源)用のものがあります。「正負両用」と言うようなものは有りません。両方の電源が必要ならばそれぞれに正電源用と負電源用を揃え別けなければなりません。
- 許容電流や許容損失により、似たような型番でも特性も形状も異なります。
こうやって、電子部品店が几帳面かつ網羅的に在庫を揃えたら、店頭には最低でも30種類や40種類の3端子レギュレータが並んでいるものと考えて良いでしょう。実際にどの程度のモノまで揃えるかは部品店の経営判断次第ですが、「どんなものでも何時でも揃う」ような販売店でなければエンドユーザーは離れて行くでしょうから、、、とまぁ、電子部品店の商売は楽しそうですが、私は余りやりたくありません。
LM350K・LM333K
Jan 1, 2024.
下の写真の3端子レギュレータはLM350Kと言う正電源用の可変電圧レギュレータです。この形状の3端子レギュレータはLM317K、LM350Kなどと言うように型番末尾に「K」が付き、「TO-3」と呼ばれる古い外観形状です。同じ特性で負電源用(極性が反対になっている)はLM333Kと言う名前です。LM350Tの相方であればLM333T、LM350ABCD？の反対側の極性であればLM333ABCDと言うように名付けられています。
古いパワートランジスタ(電力増幅用トランジスタ)などによくある外観で、有名な処では2N3055とか、鉄道模型ファンなら誰でも知っていそうな2SB250とかのトランジスタがこのような外観です。簡単に言えば、「放熱器への取り付けし易さを最優先にしたらこのような形状になった」と言う事のようですが、実際には複数の取付穴を開けなければならないのでそれなりに面倒です。私はコレクション用として買い求めてありますが、使うのが面倒なので買っただけ、保管しているだけです。
同じ型番のLM350同士、LM317同士であれば流せる許容電流は原則として同じですが、同名機種の中に許容損失の違いで外観形状が異なるものがあります。概ねLM350KとLM350T、LM317KとLM317Tと言う組み合わせは許容損失が最も大きな種類のものです。負電源用のLM337Kなどと言う品種もあります。LM350とLM337を使ってトラッキングレギュレータを使ってコンプリ面足りペアを組ませたら最高におしゃれじゃないかと数十年前に思い付いて、、、思い付いただけに止まっています。
LM317T・LM337T
Feb 1, 2024.
こちらはもう少し許容損失の小さなもので、LM317T・LM337Tと言う型番の出力電圧可変の3端子レギュレータです。TO-220と言う外観形状をしており、正電源用・電圧可変のものがLM317T、負電源用・電圧可変のものがLM337Tです。取り付けやすさの点もあって、今ではこの形状のモノが主流です。なによりも、ネジ1本だけで取り付けできるので、取り扱いが簡単です。
このコンテンツの説明の中で「負電源用」と言う物が出てきますが、これは音声信号の回路や、オペアンプの回路などでプラス・マイナスの2電源が必要な場合に使うもので正電源用に比べると流通量はやや少なめ、価格は10％から20％ほど高めです。負電源用で出力電圧が可変のものを使っても勿論パワーパックの電圧制御には不都合はないのですが、散々探し回った上に高い金額で買わなければならないのだから、これを選ぶ積極的な理由は何もありません。「プラス・マイナス2電源でなければ走らない」と言う鉄道模型も恐らくは存在しないでしょうから、マイナス電源用の3端子レギュレータを敢えて選ぶ必要はありません。
「固定電圧」のものとはその名の通り出力電圧が5V、6V、9V、12V、15V、と言ったように3端子レギュレータ自身で決まってしまっているものですから、パワーパックの電圧制御に使うわけには行きません。その一方でポイントマシンの電源などのように電圧を変化させる必要が無いならば、固定電圧の3端子レギュレータの方が面倒がありません。少なくとも、買い間違えたりしない限りは、電圧は所定の然るべき数値のままで勝手に変動するようなことは無いからです。
結局の処、使用上の便利さや価格の安さ、入手の容易さなどを勘案すると、3端子レギュレータをパワーパックの電圧制御素子として使用するのであれば、使用対象となるのは「正電源用で、出力電圧が可変のもの」と言うことになります。ポイントマシンやストラクチャーの照明電源用として使うのであれば「正電源用で、出力電圧が固定のもの」と言う事になります。どのような種類の3端子レギュレータであっても、大抵は負電源用のモノの方が価格は10％から20％ほど高めで気に入らないから？です。処分品とかで負電源用のモノが安く売られているのであれば、それはそれで、安い方を買ってしまえば宜しいでしょう。但し、正電源用のモノと、負電源用のモノでは、端子の配列が異なるので配線は相応に変える必要があります。
3端子レギュレータを使ったパワーパックを自作なさるなら、此処にご紹介したLM350TかLM317Tのどちらかになさる事をお勧めします。純粋な鉄道模型用の電源(パワーパック)を作る前提であれば、これ以外の品種を使うと、些か難があります。
3端子レギュレータの規格
Jan 1. 2024.
「3端子レギュレータ」の主な品物の規格をお目に掛けます。型番は些か省略してありますが、LM317K、LM317Tなどのように、型番末尾に「K」「T」が付くものがこの表に該当します。
| 型番 | 極性など | 許容電流 | 出力電圧 |
|---|---|---|---|
| LM317K・LM317T | 正電源・電圧可変 | 1.5A | 1.2V～37V |
| LM337K・LM337T | 負電源・電圧可変 | 1.5A | -1.2V～-37V |
| LM317LZ | 負電源・電圧可変 | 0.1A | -1.2V～-37V |
| LM350K・LM350T | 正電源・電圧可変 | 3A | 1.2V～33V |
| LM333 | 負電源・電圧可変 | 3A | -1.2V～-37V |
| LM338 | 正電源・電圧可変 | 5A | 1.2V～32V |
出力電圧は「この範囲内に設定する事が出来ると言う意味です。この範囲内であっても許容損失や入出力間電圧差などとの兼ね合いで最大出力を出す事が出来ない場合があります。
正電源用(プラス電源用)と負電源用(マイナス電源用)があるのは、両方を組み合わせて正負2電源方式で使うためです。例えば「プラス15V＝0V」と言う電源ではなくて、プラス15V＝0V＝マイナス15V」と言うような電源を組むために使うからです。しかし、鉄道模型の場合は正負2電源方式などではないので、正電源用(プラス電源用)だけあれば充分です。「負電源用(マイナス電源用)を使って、極性を反転させれば良くないか」と言うと、それは余り意味がありません。負電源用(マイナス電源用)の3端子レギュレータの方が概ね高額だからで、意味が無いのに高い金は支払いたくありませんから。但し、「負電源用(マイナス電源用)なら在庫が余ってしまったので、微妙に安い金額で売っている」とか言うような特価商材が部品屋さんの店頭にあるのなら、それはそちらを使ってもダメと言う事はありません。
3端子レギュレータが制御できる電圧
Jan 1, 2024.
3端子レギュレータが制御できる出力電圧の範囲は概ね1.2V～37Vの間くらいです。0Vとかまで電圧を絞り切ることは出来ないのでごく低電圧域でも走り出すような調子の良い(調子の良過ぎる)車輛の場合は、運転操作をちょっと工夫する必要があります。尤も、1.2Vでラビットスタートになるような車輛も無いでしょうから、実質的には無視してしまっても大丈夫でしょう。どうしても気になるようであれば、ツェナーダイオードで出力電圧を調整すると言った使い方をする必要がありますけど。
その一方で、高い方は37Vまで電圧を出す事が出来ますが、これは電圧が高過ぎるので鉄道模型の世界では余りお呼びではありません。「12V以下で使っておいて、それ以上の高電圧粋は無視すれば良いのか？」と言うと、それはダメです。なぜならば12Vから37Vの間は無駄に電圧が高い訳で、その分は損失となって発熱させて放出しなければならないからです。出力電圧が30V程度の装置を動作させると言う事でもない限りは、無駄に高い電圧を掛けると発熱が増えるだけで無意味です。
もう少し例外的な事まで書くと、低い方では33V程度までしか出せない品物があります。その一方で最高125Vまで出せる品物もあります。最高電圧が125Vになるような3端子レギュレータを使うような場面は、鉄道模型の世界には先ず存在しないと思いますけど。大体、このような規格の品物は大抵は電子部品店の店頭には無いので、電子部品商社を通じてロット単位で取り寄せると言う事になると思います。
パワーパック向きの3端子レギュレータ
Feb 1, 2024.
「鉄道模型のパワーパックに使用する」と言う前提であれば、LM317Tに尽きます。これ以外は止めた方が宜しいと思います。
理由は下記の通りです。
- 出力電流が1.5A取れます。これだけ取れれば不足は無いでしょう。これで不足だと言うのであれば消費電力を減らす工夫をした方が宜しいと思います。同じ「317」の中でも317Kと317T以外は出力電流が小さくなります。例えば、317LZでは、出力は100mAしか取れません。
- 正電源用なので、無駄に価格が高くなりません。鉄道模型に負電源用の3端子レギュレータは値段が高くなるだけで無意味です。と言っても20円から30円程度しか違いませんけど。
- 出力電圧を変える事が出来る。これはまぁ、可変出力電圧のレギュレータですから。可変できる範囲も1.2V～37Vまでと、鉄道模型用には申し分ありません。
- LM317Tならば取り付けは、穴を1個開けるだけなので簡単です。LM317Kだと、穴は4つ開けなければなりませんから厄介です。
3端子レギュレータを使ったパワーパックを作るならば、ブースター用のパワートランジスタを使う事だけは止めた方が良いでしょう。率直に言ってブースターを使うような手間を掛けるならば、3端子レギュレータを使って回路を簡便にした意味がありません。大電流を流せるパワーパックが欲しいと言う理由であれば、普通にオペアンプとパワートランジスタを組み合わせた回路を使った方が無難です。その種の安定化電源の基盤キットも沢山売られていますので、まともにハンダ付けが出来るなら、作る事自体は簡単です。
蛇足
Jan 1, 2024.
「LM＊＊＊」と言う型番
Jan 1, 2024.
多くの出力電圧可変の3端子レギュレータには「LM＊＊＊」と言う型番が付いています。元々はナショナル・セミコンダクターと言う半導体メーカーが作った自社製のIC・LSIには「LM＊＊＊」と言う型番が付きます。3端子レギュレータではないIC・LSIも「LM＊＊＊」と言う型番が付きます。これに対してセカンドソース(正規模造品)には、これ以外の型番が付きます。例えば「ワールド・セミコンダクター(World Semiconductor)？」と言うメーカーの製品であれば「WS-317」と言う型番になるだろうし、アメリカン・シリコン(American Silicon)？」と言うメーカーの製品であれば「AS-317」と言う型番になるでしょう。共通しているのはLM-317も、WS-317も、AS-317も、数字の「317」と言う部分のみです。尤も最近は、同業他社も「LM-317」と言う型番で販売している場合が多いようです。
この辺りにどのような事情があるのかは知りませんが、共通しているのは数字の「317」の部分だけで、購入する際には「そこの“317”をください」とかってやる訳ですね。このLM-317と言うICは余りにも世界中に普及しているので、「317」とさえ呼べば世界中の電子関係のエンジニアにはそれ以上の説明が不要なくらいです。因みに、余程拘りがある人以外はメーカーの指定もしないでしょうから「317」「350」とか呼びさえすれば十分な筈です。
低速運転のために
Jan 1, 2024.
一般的な鉄道模型用パワーパックの最高電圧は直流12Vですが、3端子レギュレータを使ったパワーパックでは低速運転になればなる程発熱が増えます。モーターを目一杯回すと発熱が激しくなるとかではなくて、パワーパックそのものの発熱は低速にすればする程多くなります。ナローゲージなどで低速運転が好ましいと思っている場合、常時低速にすると発熱が増える一方です。もしも低速でしか運転しないことが前提ならば、一思いに3端子レギュレータに掛ける電圧を下げてしまうと言う方法があります。
「ゆっくり走らせる専門」と割り切って、3端子レギュレータ自体に供給する電圧を6Vとかにしてしまえば、パワパック全体としての出力電圧差が減少するので発熱は大幅に減少します。「たまには高速で運転したい」と言う事ならば、3端子レギュレータに供給する電圧を15Vとかに出来るように切換スイッチを取り付けてしまえば解決します。
「LM-217」「LM-117」はあるのか？
Jan 1, 2024.
「LM-317があるなら“LM-217”や“LM-117”はあるのか？」と言うと、あります。但し、-217、-117は民生用では無くて軍需用などであったりするので、普通に市場では入手することは出来ません。これも電子部品商社経由で取り寄せ扱いになると思います。但し、入手できるまでには相当時間が掛かるし、場合によっては軍需物資を民需に転用する訳ですから、相当に厳しい審査？や厄介な書類作成とかが待ち構えているかも知れません。難なく入手できるのかも知れません。博物館的な趣味でもない限りは、-317を使った方が無難でしょう。
LM317はTL431とは違うのか？
Apr 1, 2024.
「TL431」も定電圧ICとして有名ですし同じような使い方が出来ますし、なによりも脚の数が同じく3本です。但し、「TL431」は元来が出力電圧の精度が厳しく求められる「基準電圧源」なのでパワーパックに使うような使用方法には向きません。「基準電圧源」と言うのは信号源としての出力電圧の精度さえ高ければ電流なんてどうでもよい訳で、必要ならば外付けトランジスタとかを使って出力電流値を増大させれば済む事です。この事は普通の3端子レギュレータでも同じと言えば同じですが、TL431の出力電流はLM317に比べると圧倒的に少ないです。
「必要ならば外付けトランジスタを追加して」とやると解決策としては簡単なんですが、私のように電子工作低スキルの人間にとっては「部品は1つでも増えるのはイヤ」なので可能な限り使いたくありません。やはり鉄道模型用には基本に忠実に？、LM317を使う方が宜しいと思います。そう言う問題よりも、TL431を使わなければならない程の電圧精度は、鉄道模型には不要だと思います。