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3端子レギュレータを使用したパワーパック
June 22, 2012.
Power-Pack with NS LM317T 3-terminal regulator.
「LM317T」と言う可変電圧安定化電源用のICを使った、電圧制御方式のパワーパックです。このICは所謂「3端子レギュレータ(3-terminal regulator)」の一種で、NS(ナショナル・セミコンダクター)と言うメーカーの製品です。この「LM317T」と言う型番のICはTO-220型の、いわゆるキャラメル型の製品で、これ1個で1.5A程度の出力を取り出す事が出来ます。3端子レギュレータは見掛けは足が3本しかないので何と無く子供にも使える程度の物とナメて掛かりますが、結構高性能なICでして本気で掛かればこれだけで単行本が1冊書ける程度の蘊蓄は含まれている筈です。実際、子供にも簡単に作れる程度の簡単な回路でも、極めて高性能な安定化電源が作れる便利なICです。
それでは安定化電源とは何か、と言うと、、、普通のパワーパックは「非」安定化電源です。スライドトランスを使用したパワーパックも非安定化電源で、「安定化電源」になっているパワーパックはごく少数の筈です。家庭用のコンセントから取り込んだ電力をトランスで電圧を下げて、シリコンダイオードなどで交流から直流に整流して、これだけです。細かく言うと交流の波形のさざ波のようなものが直流に乗っかっている脈流が出力として出てくるのが「非」安定化電源です。
もう一つの安定化電源の特徴は、規定電圧以上の高い電圧は出さないと言う事です。普通の安定化していない「定格電圧12V」と言うような電源の場合、無負荷であれば15Vとか17Vとか出て来るのが普通です。故障している訳ではなくて、単なるトランスとかでしたら「定格負荷を繋いだ場合に、定格電流が流れた場合に、定格電圧になる」と言う事です。「定格電圧12V」の電源が実は「定格電圧12V・定格出力電流2A」だったとすれば、0.1Aしか流さないのであれば定格の筈の12V以上の電圧が出て来るのが普通です。このような現象を防ぐ役割も安定化電源には有ります。
勿論、安定化しているから良い・非安定化のままでは宜しくない、と言う事ではありません。この辺りはあくまでも組み合わせる相手次第です。高級なオーディオ機器とかだとノイズが明らかになってしまうので非安定化のままでは拙いですが、鉄道模型の電源としては非安定化のままでも大した支障はありません。鉄道模型用に限定すれば費用が余分に掛かる分だけ、安定化電源を使う方が宜しくない？と言えなくもありません。あくまでも「言えなくもない」と言う程度の話です。
オーディオにした処で、微小電力を取り扱って増幅度の大きいプリアンプは安定化電源を使わなければ実用性に問題がありますが、大電力を取り扱って増幅度が低いパワーアンプの場合はかなり高級なものでも安定化電源を使わないものがあります。それだったらなんで大した必然性も無いのに安定化電源方式のパワーパックなんか作ったのかと言うと、、、私、電子回路が好きなくせにスキルが低いので、私のスキルで作れる電子回路＝3端子レギュレータICを使った安定化電源、要するに電子工作してみたかったんです。
「3端子レギュレータ(3-terminal regulator)」とは安定化電源用(と言うかリニア・レギュレータ用)のICで出力電圧が固定のものが多いのですが、LM317系は出力電圧が電圧可変のものの代表的な機種です。類似のものでは同規格でマイナス電源用のLM337、LM317を3A出力仕様にしたLM350、LM317を5A出力仕様にしたLM338などがあります。細かい理屈は省略しますが、このICたった1個で1Aを切る程度ならば楽勝、頑張れば1.5A位の出力は出せると言う代物です。
改めて3端子レギュレータ
June 22, 2012.
「3端子レギュレータ(3-terminal regulator)」とは上述の通り安定化電源用のICです。その名の通り足が3本しかなくて、これを単純に回路内に入れれば極めて高性能な安定化電源が出来上がります。3本の足はどうやって配線するのかと言うと正電源用のICで言えばIN端子をプラスの電源側に繋ぎ、OUT端子をプラスの出力側に繋ぎ、GND端子をマイナス側に繋ぎ、、、とまぁ、たったのこれだけです。これっぱかしのことで極めて高性能な安定化電源が出来ると聞くとなんとなく疑ってしまいますが、ホントにこれだけで済むのですから人気があるわけですね。
3端子レギュレータ。正極性用のLM317Tと、負極性用のLM337T。
以上は固定出力電圧の3端子レギュレータの場合ですが、このパワーパックに使用したLM317のような可変出力電圧の3端子レギュレータの場合は、ICに並列に出力電圧設定用の抵抗を2本入れてやるだけです。そして、出力電圧設定用の抵抗の内の1本を可変抵抗にしておけば、任意の出力電圧にすることが出来るから、車輛の速度調整に使用できると言うことです。実際には動作を安定させるために発振防止用のコンデンサを阻止から6インチ以内の場所に配線する、、、と言った程度の若干の部品追加はした方が良いですけど、その程度です。
勿論、大電力を取り扱う必要がある場合はブースタ用のトランジスタを別途取り付けるとかと言った工夫が必要になることはありますが、そう言った制約が無ければレギュレータICだけで済ませちゃう実例は無数にあります。それにも拘わらず、こんな便利なICなのに必ずしも世界中のあらゆる電子機器の電源が3端子レギュレータになっていないのは、実は少々値段が高いからです。高いと言っても1個辺り200円とか300円とかしか高くつかない場合が殆どなのですが、採算ギリギリで部品代を減らすか作業員さんの給料を減らすか、なんて場合は部品代を減らすために3端子レギュレータが却下されるような例は枚挙にいとまがありません。
もう一つの問題点は、レギュレータICで電圧を調整すると言うことは、実は電源トランス＋ダイオードから入ってきた15Vなりの電圧を、模型を運転するためには0Vから12Vの範囲で変化させてやらなければならないと言うことです。レギュレータICの入力と出力の間で3V位はロスが出るので15V入れたのに12Vしか出てこないわけですが、レギュレータICには電圧を下げる機能しかありません。そして、電圧を下げる際に多大な損失が発生します。
15V入れて12V出した際に1A流れていれば(15-12)×1=3W、要するに3Wの損失が発生してこれが熱となります。これが、15V入れて1V出した際に3A流れていたりすれば(15-1)×3＝42Wですから、ハンダごて顔負けのかなり大きな熱量です。損失を3W程度出すつもりのレギュレータICは比較的簡単に入手できますが、数10Wを越えるようなレギュレータICはそれなりに高価ですし、極めて入手しにくくなります。このパワーパックに使用したLM317と言うレギュレータICは冒頭にも書いたように「頑張れば1.5A位の出力は出せる」性能を持っているのですが、これは入出力間の電圧差がかなり低い場合の話です。
実は3端子レギュレータICを1個だけ使ってパワーパック(パワーユニット)を作るとこの辺りが弱点になってきます。車輛をゆっくり走らせる場合にはパワーパックの出力電圧を下げますが、実は出力電圧を下げると言うことは入出力間の電圧差を大きくすると言う事であり、レギュレータICでの発熱を大きくしてしまうことに他ならないからなんです。車輛の消費電流が少ない場合はこの辺りの事情は問題とはなりませんが、1Aも消費するような車輛を使ってゆっくりと運転するような使い方は、このパワーパックに使用したLM317と言うレギュレータICだけでは無理です。
それでは無理だったらどうするのかと言うと、ブースター用の外付けトランジスタを併設してしまえば済むことで、そんなものは200円とか300円で買えるものばかりです。そうは言っても今までは使わないで済んでいた「ブースター用の外付けトランジスタ」を配線すると言うことは、今までゼロだったブースター回路の部品が、最低1個以上は必要になると言うことです。単純に計算すると手間が無限大に増える？わけで余り面白くはありません。そんな理由もあって、3端子レギュレータICを使ったパワーパックには、余り大きな出力は期待できません。最近の模型はごく僅かな消費電流で走行しますから、大して問題とするほどのこともありませんが、、、。
回路や部品
June 22, 2012.
家庭用の交流100Vの電源を、トランスで降圧してダイオードで整流する、と言う辺りは普通のパワーパックと何ら変わりありません。電圧調整の手段として3端子レギュレータを使用していることが普通のパワーパックと決定的に違う点です。車輛の進行方向を変えるにはDPDTのスイッチ(いわゆる6Pスイッチ)を使う、、、これまた普通のパワーパックと同じです。実はこのパワーパック、安定化電源用の3端子レギュレータICを使って、実際に安定化した直流出力を得ているのですが、電源を安定化すると言う機能は殆ど期待していません。それにも拘わらず安定化電源用ICを使うと言うこのような手法を普通は「徒労」と言います。
3端子レギュレータICには普通は保護回路としての機能を内蔵しています。過大出力になると自分自身で、自分の出力を抑えて、自分自身を保護する機能があるわけです。こう言った機能にも期待して3端子レギュレータICを単なる電圧調整機能だけを目当てに使ったようなものなんですが、実際にはこのパワーパックに使用した日幸電気と言うメーカーのサーキットブレーカーが優秀で、過大出力を検出するとスッパリ回路を遮断してくれます。だから実は、3端子レギュレータ自身の保護回路が役に立った言う経験は未だ無いんです。日幸電気の製品に限らずIDECなどの製品も同様ですが、日本のメーカーが販売しているサーキットブレーカーは本当に信頼性が高いです。
写真では逆転スイッチが2つ見えてますが、片一方は将来に備えて取り付けておいただけの飾りに過ぎません。電源スイッチとパイロットランプ(100Vの回路に入れてあるネオン電球)を除けば、実際の操作に使用するのは速度制御用のボリュームツマミと逆転スイッチ1個だけです。パイロットランプが赤いのは、、、これは単なる気の迷いでこの色にしてしまっただけで深い意味はありません。
「3端子レギュレータを使用したパワーパック」と言いながらレギュレータIC自体がごく僅かしか見えていません。左下の基盤の、そのまた更に左端の方に3端子レギュレータがあるのですが、多分、15インチディスプレイのノートパソコンだと2mm角くらいにしか見えないかも？。ヒートシンクを使って放熱させるためにリアパネル目一杯の処に取り付けてあるので、陰に隠れちゃって非常に判りにくいですね。しかし実際の処、レギュレータICの大きさなんてこの程度です。
中味はトランスがかなりの容積を占めていますが、これは単なるEIコアの裸トランスです。メーカーはSEL(菅野電機研究所)製のSH122と言う機種で、2次側が12V2Aのものです。別にトヨデン(豊澄電源機器)製でも構わなかったのですが、部品の買出しに行った店ではSELの方しか在庫が無かったからこれを買ったような記憶があります。今ではすっかり寂れてしまいましたが、横浜の中華街の近くに在る「エジソンプラザ」じゃなかったかなぁ。
スイッチ類はNKKスイッチズ(日本開閉器)製で信頼性は抜群ですが、同じNKK製品でも普通のトグルスイッチと違い、ちょっと引っ掛かるような印象があって感触が余り良く有りません。レバースイッチとトグルスイッチとで、なんでこんなに感触が違うのかちょっと不思議ですが、レバースイッチの感触に関する限りはミヤマの方が上かなぁ、と言うのが率直な感想です。トランスを含め、主な部品はアルミ製の帯状の穴を多数開けてある板の上に取り付けてあります。この板は東急ハンズの素材売り場で買い求めました。
外装はリード(摂津金属)の鐵板製のカバー付のケースを加工して使っています。本当は旧・鈴蘭堂が出していた「カバーがアイボリー／パネルが黒と銀」の組み合わせになっている物を使いたかったのですが、なんでリードの方を買っちゃったんだろう？ 色やデザインの好みから言うと鈴蘭堂かタカチのケースが好きです。リードの製品も悪くはありませんが、ちょっと無骨な印象のものが多いのとユニクロ・メッキをした鉄板プレスの部材などで、プレスで打ち抜いたままで切断面の処理を殆ど意識していないようなものがたまに見受けられるのでちょっと敬遠しています。但し、リードで特筆すべきは他社が滅多に作らないボンネット付きのパワーアンプ用シャシを3種類出していることで、これは良く出来た製品です。
この程度の大きさの小型のケースだと内部シャシが附属してこないのが普通ですから、やむを得ずに下側のカバーに穴を開けてトランスなどを取り付けている「アルミ製の帯状の穴を多数開けてある板」を取り付けています。このパワーパックを作った頃は、未だ電動工具類は殆ど持っていなくてハンドドリルでガリガリやっていたので穴あけにかなりてこずった記憶があります。逆に言えばリードのケースはそれ位頑丈に出来ていると言う事でもあります。
出力周りはちょっと大袈裟ですが4Pのキヤノンコネクタのオスを使って脱着可能にしてありますが、こいつは左端の白い方のコネクタです。その下の黒い方の3Pのキヤノンコネクタのメスを使ってあるのは外部センサーからの信号の入力用です。こっちは単に将来を見越しすぎたものですが、自己満足に過ぎません。今にして思うと、「キャブタイヤケーブルの工作」で作ったバナナプラグ付きのケーブルが使えるような、もっと汎用性の高い出力端子にしておけば良かったと思っています。もう１台、作るかなぁ。
右端のヒートシンクはジャンク屋で見つけたもので、本来はTO-3型の半導体を取り付けた上で更にファンを取り付けるような構造になっているのですが、その辺の機能？は一切無視して、単純に裏側にTO-220型(いわゆるキャラメル型)外装のレギュレータを1個取り付けただけです。お陰で外側から見ると「陥没した道路」みたいでちょっと奇妙な外観になってしまいました。「TO-3型」と言うのは有名な2N3055のような形状のトランジスタ、模型をやっている人ならだれでも知っていそうな2SB250のような形状のトランジスタの事です。
中央の下端は電源ケーブル、その上はヒューズ、更にその上はサーキットブレーカです。大抵の場合は3端子レギュレータの熱保護回路が動作するよりも以前にサーキットブレーカの方が動作してしまってくれるので、レギュレータの保護回路が動作したと言う記憶がありません。このサーキットブレーカーは日幸電気と言うメーカーの製品ですが、動作が素早く確実なので信頼できる部品です。難点を言えばネジ穴2つとトリップピンの穴1つと、合計3つも穴あけをしなければならない点と、少々大柄なので設置場所に困る可能性があることですが、これ以外に欠点は思い当たりません。