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カテゴリ:電気制御( 27 )


2017年 05月 05日

電気のお勉強その1 勾配試験線配線図と半固定抵抗

昨年、心ならずも中断してしまった下り勾配抑速制御、BBSで展開していたのですが、こちらに転載しておきます。
BBSからの転載なので話がこま切れになりますが、止むを得ません。
また、話がよく見えないかとも思いますが、あくまで当方の備忘録です。


注意:
こちらに記載する記事のうち技術的内容を含むものは、非技術系の読者の方々にできるだけ平易に理解して戴けるように公式等を簡易化して使用する場合があり、工学的見地からは不正確、あるいは厳密には正しくない記述も含まれます。

(1)この記事を参照して実施された結果に対し、当方は一切の責任を負いません。
※極端な場合、火災事故につながる危険性があります。あくまで「技術っぽい読み物」としてお読みください。

(2)上記の理由で工学的に不正確な記述に対し、高度に工学的な見地からのご意見のコメントはご遠慮願います。
そのような議論がなさりたい方はご自身のBlog上で展開されるか、そのような議論を受け入れる方のHPをお訪ねください。
そのようなコメントは無条件で削除させて戴きます。

(3)ただし、当方の誤認、過誤により記述内容が極端に誤っており、そのままでは非常に危険な場合は是非お知らせください。直ちに修正致します。

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こんなレイアウトで、下りで加速してしまうのを抵抗を追加して緩和したいわけです。

下り抑速制御用に購入した半固定抵抗(ポテンショメーター)ですが・・・
買ってから調べるのもアレですが、定格電力が0.5Wしかありませんでした。
仕方がないので固定抵抗とパラレルに配線して微調整用バイパス回路として使うことにしました。
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本当はこの固定抵抗を置き換えようと思ったのですが、定格電力0.5Wということは5Vで0.1Aが限界。
上げ過ぎると焼けてしまいます。
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まずは半固定抵抗(ポテンショメーター)です。
表面のダイヤルをドライバーなどで回すと抵抗値が変化します。
その意味では可変抵抗なのですが、運転時の電圧制御に使うレオスタットとは異なり、本来はしょっちゅう回すものではなく、調整が完了したらそのままにしておくものなので半固定抵抗と呼ばれます。
また、主に制御回路の調整に使われるもので、動力用ではないので定格電力がかなり小さいものが多いのです。
今回使用したものも定格電力0.5Wしかありませんので、動力用の12Vをフルにかけた状態で脱線・ショートでもしたら多分焼けてしまいますからバイパス回路として使いました。
これでも状況によってはどうなるか分かりませんが。

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そして現在の配線図です。
コントローラーは1台ですが、P1とP3を分岐側に切り替えると本線を留置線として使えますので、本線列車をR177本線上に止めておいて別の車輌を機関庫からデッキガーダーまで移動させる入れ替え作業とか、P2を渡り側にして下半分だけ周回運転もできます。
抵抗は下り勾配の抑速用ですが、車輌(使用モーター)によって抑速の効果がかなり違いますのでポテンショメーターで適宜複合抵抗を変えてやります。
逆方向に走行させる(55‰を上る)場合はポテンショメーターを0Ωにすると上り下りが同電圧になります。


0.5Wのポテンショメーターを抑速回路に使って本当に大丈夫なのか、電気のお勉強がてら検証しようと思います。

今回は準備編ということで、中学か高校の理科で習った電気の公式を復習しておきましょう。
使うのは2つだけ。

その1
電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)

その2
電力(W)=電圧(V)×電流(A)

これだけです。
カッコ内は単位です。
その1はオームの法則というやつですね。

技術屋さんはV=IRとかP=IVとか書きますが、慣れないとこんがらかるのでこれ以降は全て上のような漢字表現にします。

また交流(AC)だと色々面倒な計算があるので、全て直流(DC)の話にします。

あと、後々便利なので、小学校の算数で上の公式をちょっと書き換えておきましょう。

その1
電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
だから

電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
/は割り算です。

これら式でその2
電力(W)=電圧(V)×電流(A)
を書き直すと

電力(W)=電流(A)×抵抗(Ω)×電流(A)

電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

と書けます。
というところで、次回からは実際の回路を見ていきましょう。
続きはこちら
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by nari-masa | 2017-05-05 23:07 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その2 目的地への道のり

(1)電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
(4)電力(W)=電圧(V)×電流(A)
(5)電力(W)=電流(A)×電流(A)×抵抗(Ω)
(6)電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

さて、電気のお勉強その2です。
完結するまで呪いのお札を冒頭に貼っておきます(^^)
(5)は少し形を変えました。
(5)(6)は電流の2乗、電圧の2乗と書いてもいいのですが、普通の電卓で計算しやすいようにこのままの形にしておきます。
今回のテーマは「0.5Wのポテンショメーターを抑速回路に使っても大丈夫か?」なんですが、それにはポテンショメーターに何Wかかるかを計算できなければなりません。
どのような道筋でそこに到達するか、今日は大まかなルートマップを書いてみます。
これがないと「いつになったら終わるのか?」が見えずに飽きてしまうかも知れませんから(^^)

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今回の回路を模式的に表すと、上の図のような感じでしょうか。
これをもっと簡単な形にしましょう。
でも書いてあることは同じです。
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このような姿になりました。
右上が今回の目的地です。
前回も書いたようにポテンショメーターは半固定抵抗なんですが、一応可変抵抗ということにします。
さて、どうやってこれを検証しましょうか?
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これがその手順です。
この時点では数字は少し間違いがあります。話が進んでいくうちに修正していきます。
上の図で、
①まず最初にモーターの抵抗値を求めます。
抵抗は電気エネルギーを熱エネルギーに変換する機器、モーターは電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機器ですから、厳密にはモーターと抵抗は性質が違いますし、モーターは負荷によって電流値が変わりますから単純な抵抗としては扱えないのですが、ここでは計算上抵抗として扱ってしまいます。
これは実際のNゲージ車輌を測定します。

メーカーの公称値は電圧12Vで電流0.25~0.35Aほどだそうですので、呪いのお札(3)によれば
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
ですから12(V)/0.25(A)=48(Ω)~12(V)/0.35(A)=34.3(Ω)あたりでしょうか。
私も実際には測定したことがありませんので、ちょっと楽しみです。
多分、メーカーや車輌によってまちまちでしょうね(^^)

②次に、固定抵抗と可変抵抗が並列に接続されていますが、これ全体の抵抗値はいくらになるか計算します。
もちろん可変抵抗なので設定によって変化しますから、1Ω、50Ω、100Ωの3種類くらいを検証しましょう。
0Ωだと電流値が∞(無限大)になってしまうので、1Ωとしておきます。
ここは呪いのお札(2)
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
と(3)
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
の合わせ技でいきましょうか。
図には複合抵抗と書いてありますが、正式には合成抵抗です。

c0207199_112184.jpg
上図③ではこの回路に流れる電流値を求めます。
①、②がわかると回路全体の抵抗が分かりますから、呪いのお札(2)
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
で電流が分かります。
電圧は一応12Vとしておきましょう。
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上図④では端子電圧を求めます。
③で電流値が分かると、呪いのお札(1)
電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
を使ってモーターの端子にかかる電圧と抵抗の両端にかかる電圧をそれぞれ求めることができます。
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⑤そしてこれがラスボス、いよいよ可変抵抗にかかる電力です。
ここは呪いのお札(6)
電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)
で一気に攻略しましょう。
これで可変抵抗(ポテンショメーター)が抑速制御に使えるかどうかが判明します。

そして最後に、この使い方のリスクを考えておきましょう。
例えば重連+室内灯付だったら?
例えば車輌が脱線してショートしたら?
などです。

というわけで、次回はNゲージ車輌(と言ってもうちは機関車ばかり)の電流値を測定しましょう。
ステージ1へ続きます。
こちら
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by nari-masa | 2017-05-05 22:33 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その3 ステージ1 モーターの電気抵抗

まず呪いのお札を(^^)
(1)電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
(4)電力(W)=電圧(V)×電流(A)
(5)電力(W)=電流(A)×電流(A)×抵抗(Ω)
(6)電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

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では、ステージ1の攻略に入りましょう。
モーターの電気抵抗を知りたいのですが、どうすればいいのか・・・
いくつかやってみることにしました。
(1)直接動力車の車輪にテスターを当てて電気抵抗を測定する。
(2)動力車を走行させてテスターで電流値を測定し、呪いのお札(3)を使って
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)を計算で求める。
(3)モーターをフルパワーにするために動力車を強制的に停止させて電圧をかけ、電流値を測定して(2)と同様に抵抗を計算する。
あたりをやってみましょう。

ではまず(1)の電気抵抗直接測定です。
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車輪にテスターを当てました。
結果はこちら。
目盛りは青です。
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かなりバラバラです。
また測定値が安定しません。

次に(2)の走行電流を測定してみました。
c0207199_1232261.jpg

まず、レールにかかる電圧を6Vにセットします。
12Vでは暴走してしまうので6Vで測定しました。

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その時のコントローラーのハンドル位置です。
KATOのパワーパックは公称出力DC12Vですが、実際には最大14V出ていました(^^)

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この電圧で車輌を走行させて電流値を測定します。
その結果がこちら。
目盛りは黒の一番下、最大30が300mA=0.3Aです。

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何となくまとまってきましたかね。
でも、単機走行ですからまだまだ余裕です。
もう少し負荷をかけてみたいですね。
そこで(3)です。

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車輌のカプラーに針金を引っ掛けて強制停止させ、電圧6Vをかけてみました。
トラクションタイヤ付きの車輌はかなりの抵抗になるはずです。
その結果です。

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だいぶまとまりが出てきました。
いや別に纏めたいわけではないのですが、ある程度纏まってくれると安心して抵抗値の計算に使えます。

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KATOのEF10がやや低めでしたので、車体を上から押さえつけて強引に車輪の回転を止めてみたところ、この辺まで電流が上がりました。
ワールド工芸の銚子デキ3だけは軽量過ぎる上にトラクションタイヤがありませんから、車輪が滑りまくりです。
これはもうデータから除外(^^)
で、以上の結果を一覧表にしたのがこちら。
文字が小さくて見にくい場合は表をクリックすると拡大表示されます。

c0207199_11575855.jpg
車輌を強制停止させた時の電流値がだいたい0.13A~0.15Aあたりにまとまってきました。
電圧は6Vです。

この6Vと0.15Aで呪いのお札(3)
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
を使って抵抗を求めると
6(V)/0.15(A)=40(Ω)となります。

※厳密にはモーターの抵抗はもう少し複雑な公式があります。
DCモーターは回転すると自分自身で発電するためのようです。
でもここでは話が複雑になりすきるので、単純な抵抗として扱いましょう。
いろいろ実測しているので、そんなに誤った数字ではないと思います。

一覧表の赤枠の右側がそれぞれのモーターの
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
を計算したものです。

この40Ωをモーターの電気抵抗値として採用することに決めましょう。
あくまで仮定です。
※ポテンショメーターの安全性を検証するのが目的ですので、モーター抵抗はできるだけ小さな値を使います。
なぜそうするのかは話の中でだんだんわかってきます。

さて次回はステージ2、抵抗を並列接続した時の合成抵抗についてです。
まずは基礎編へ。
こちら
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by nari-masa | 2017-05-05 21:08 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その4 ステージ2(前編) 合成抵抗計算 基礎編

こちらはステージ2の前編、合成抵抗計算の基本についてです。

では早速。

あ、そうそう、呪いのお札ね(^^)
(1)電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
(4)電力(W)=電圧(V)×電流(A)
(5)電力(W)=電流(A)×電流(A)×抵抗(Ω)
(6)電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

今回は図の②の部分の抵抗計算です。
なお、本家Blogでちょっとトラブってしまった①モーターの抵抗値は、今回は主題ではないので1個40Ωと仮定して話を進めます。
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その1、抵抗とは

今回の「抵抗の計算」について話を進める前に「そもそも電気抵抗って何だ」?というところを超簡単に説明しておきます。
これこそ工学的には全然別物なんですが、まあ、抵抗ってこんな感じ、とイメージして戴ければOKかと。
逆にこのイメージがないと、この先の話が見えなくなりそうですから。
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絵のように、電圧、電気抵抗、電流というのは液体が流れるパイプ(例えば水道管)をイメージすると理解しやすいかと思います。面倒なので説明は全部水道管と水道水にしてしまいましょう(^^)

電圧とは水圧、電気抵抗とは水道管が細くなっているところ、電流とは水の流れる量、に置き換えて考えてください。

あと、抵抗については「大きい、小さい」という表現と「高い、低い」という表現があります。
「大きい、小さい」を使うとパイプの太さと勘違いしやすいので、ここでは「高い、低い」で統一することにします。
抵抗値が高いほど水や電気が流れにくい、と言う意味です。
え~と、コレステロールや中性脂肪が高いと血液が流れにくい、と憶えましょうか(^^)

さて、図を見て戴くと・・・
水道管の途中が細くなっているので、ここを通る水の量は絞られます。
この図でイメージできることは
(1)水圧が同じならパイプが細い(抵抗が高い)ほど流れる水の量は少ない
(2)水圧を上げてやればパイプの太さが変わらなくても流れる水の量は増える
(3)逆に言えば、パイプの太さ(抵抗)が同じなのに流れる水の量が増えたということは水圧が上がったということ。
ですよね。
(4)流れる水の量を増やすには水圧を上げるかパイプを太く(抵抗を低く)してやればいい、とも言えます。

これを電気の話に置き換えると
(1)電圧が同じなら電気抵抗が高いほど電流は少ない
(2)電圧を上げてやれば電気抵抗が変わらなくても電流は増える
(3)逆に言えば、電気抵抗が同じなのに電流が増えたということは電圧が上がったということ。
となります。
(4)は、電流を増やすには電圧を上げるか抵抗を下げればいい、ということですね。

これを式で表したものが呪いのお札(1)
電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
なんです。
全部当てはまるでしょ?

呪いのお札
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
は(1)を変形したものなので、言っていることは同じです。

その2、抵抗の直列接続

続いては抵抗の直列接続です。
これは比較的分かり易いので、あまり心配はいらないかと(^^)

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2個以上の抵抗を直列につないだらトータルの抵抗(合成抵抗といいます)はどうなるか?
これはイメージ図の通り、単純な足し算でいいと思います。
例えば100Ωの抵抗を2個直列につないだら100(Ω)+100(Ω)=200(Ω)ですし、
100Ωと50Ωなら100(Ω)+50(Ω)=150(Ω)です。

3個以上でも同じことで、どんどん足し算していけばいいです。
つまり、直列接続時の合成抵抗は、
合成抵抗(Ω)=抵抗1(Ω)+抵抗2(Ω)+抵抗3(Ω)+・・・・
です。


この話はステージ3で使うことになります。
次回はステージ2の中での最難関、抵抗の並列接続の合成抵抗計算です。
これが分かればもう攻略できたも同然(^^)

※実は、この図を「水の抵抗」に使った場合はあまり正確な表現ではありません。
水(流体)には粘性とか配管断面積とか管内抵抗とか流速とかパスカルの定理とか、電気にはない条件がいろいろ付きます。
これらは「流体力学」というもので説明されるのですが、今回の話とは無関係ですのでパス。
ここは単純に電気抵抗の直列接続はこんなイメージ、と理解して戴けばOKです。

その3 抵抗の並列接続

では抵抗の並列接続です。

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水道管のイメージだとこんな感じでしょうか?
配管の途中に細いパイプが2本並列であります。
この細いパイプ1本1本の抵抗値は分かっているとして、トータルの抵抗、合成抵抗はいくらでしょう?

直列接続と違って抵抗値の足し算というわけにはいかないようです。
なぜなら、足し算だと必ず抵抗値は抵抗1個だけの時より高くなりますが、
並列接続では1本より2本、2本より3本の方が流れる水の量(電気で言えば電流)が多くなります。

そうすると呪いのお札(3)
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
の電流(分母)が大きくなり、逆に抵抗は低くなるからです。

ここで、各パイプを流れる水の量、すなわち電流に着目してみましょう。
細いパイプつまり抵抗の1本1本を流れる電流を全部足し算すると、この並列接続された抵抗全体を流れるトータルの電流値になるはずです。

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もうこの辺で水道管の絵から離れて、電気回路の絵にします。
書いてあることは一つ前の水道管の絵と同じです。
この電流1と電流2を計算して足せば、この回路を流れるトータルの電流が求められます。
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上の例をちょっと計算してみましょう。
電圧を1V、抵抗1を1Ω、抵抗2を2Ωとしたとき、全体を流れる電流は?

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まず抵抗1を流れる電流1の計算
電圧=1V、抵抗1=1Ωを
呪いのお札(2)
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
に当てはめると、
電流1=1(V)/1(Ω)=1(A)

抵抗2を流れる電流2は、全く同様に
電流2=1(V)/2(Ω)=0.5(A)

なので、トータル電流=電流1+電流2=1(A)+0.5(A)=1.5(A)
になります。
電圧1Vの時にこの回路を流れるトータル電流は1.5Aだったんですね。
c0207199_13343280.jpg
さて、電圧1Vのときのトータル電流が1.5Aと分かったので、こんどはこれを
呪いのお札(3)
抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
に入れて計算すると、
抵抗(Ω)=1(V)/1.5(A)=0.667(Ω)
が出てきます。
これこそがこの回路の合成抵抗なんです。

以前に「呪いのお札(2)と(3)の合わせ技で攻略」と書いたのはこの意味です。
では、並列接続の合成抵抗の計算方法をまとめておきましょう。
個々の抵抗値が分かっている場合です。
(公式はありますが、先に公式を出してしまうと「なぜそうなるのか」が分からなくなりますので、ちょっと愚直に)。

手順1:回路にかかる電圧(V)を決める。値はいくらでもかまわないが計算の最後まで変えないこと。
手順2:呪いのお札(2)
    電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
    を使って、抵抗1個1個を流れる電流を全部計算する。
手順3:手順2で計算した電流値を全部足し合わせてトータルの電流値を求める。
手順4:呪いのお札(3)
    抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
    に手順1で決めた電圧(V)と手順3で計算したトータル電流(A)を入れて合成抵抗を求める。

これで並列接続の合成抵抗がわかります。

その4 抵抗の並列接続の便利技

抵抗の並列接続の計算は上でできるようになりましたが、ここで少し便利な技をご紹介。
まずは
「同じ抵抗が複数並列接続されているときは、1個の抵抗値を個数で割ればいい」
です。
c0207199_13362715.jpg

図のように、50Ωの抵抗が2個並列なら50Ω/2個=25Ω。
ホントかどうか確認しましょう。
もう呪いのお札(2)と(3)は使えますよね。

(1)電圧を100Vとする。
(2)電圧100Vのとき、50Ωの抵抗1個に流れる電流は100(V)/50(Ω)=2(A)。
(3)50Ωの抵抗が2個なので、全体を流れる電流は2(A)+2(A)=4(A)。
(4)合成抵抗は100(V)/4(A)=25Ω。

うん、合ってますね。では、数がもっと多かったら?
では100Ω抵抗が10個なら100Ω/10個=10Ωになりますかね?
c0207199_13375152.jpg

(1)電圧を100Vとする。
(2)抵抗1個を通る電流は100V/100Ω=1A
(3)抵抗が10個なので、トータルの電流は1A×10個=10A
(4)合成抵抗は100V/10A=10Ω

やっぱり合ってますから、この技は使えますね。
では、2個の抵抗値が違ったらどうしましょう。
電流の足し算→合成抵抗でやれば結果は出るのですが、もう少し簡単に計算できないかな?

ここのスゴ技は

合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)

というのがあります。
2つの抵抗値を掛け算したものを足し算したもので割ると合成抵抗が出るんです。
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例えば図のように30Ωと50Ωの合成抵抗は?
30(Ω)×50(Ω)=1500
30(Ω)+50(Ω)=80
なので、合成抵抗は
1500/80=18.75(Ω)
になるんですけど、ホントかなあ?

検算しましょう。
(1)電圧は100V
(2)30Ωを通る電流は100(V)/30(Ω)=3.333(A)
  50Ωを通る電流は100(V)/50(Ω)=2(A)
(3)トータル電流は3.333(A)+2(A)=5.333(A)
(4)合成抵抗は100(V)/5.333(A)=18.75(Ω)
合ってますね~。

種明かし(ほんのちょっとだけムズい)。
合成抵抗=電圧/(電流1+電流2)で、
電流=電圧/抵抗
ですから合成抵抗=電圧/(電圧/抵抗1+電圧/抵抗2)と書き換えられます。
電圧はいくらでもいいので、とりあえず1(V)とすると、この式は
合成抵抗=1/(1/抵抗1+1/抵抗2)となり、
カッコ内を変形すると
合成抵抗=1/(抵抗2/抵抗1×抵抗2+抵抗1/抵抗1×抵抗2)になりますので
合成抵抗=1/((抵抗2+抵抗1)/抵抗1×抵抗2)と変形すると、結局

合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)が出てくるってわけです。
中学校の数学で解けますが、これは分からなくても上で検算できましたのでこの計算式は使えます。
但し、抵抗2個の場合までです。
3個以上の場合は2個ずつ計算を繰り返していきます。

さて、ようやくこれで基礎編が終わり、実践編に進めそうです。
※ちなみに、この文章は電気の本とかネットを全く見ないで書いておりますので、表現がおかしいところも多少、いやかなりあるかも知れません。

では次はステージ2の実践編です。
こちら
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by nari-masa | 2017-05-05 20:40 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その5 ステージ2(後編) 合成抵抗計算 実践編

ステージ2の後編です。
ここでは実際の抑速回路の抵抗計算をします。

その1、装備の確認

さて、いよいよ実践編です。
ここで初めて実際の抵抗勢力と遭遇します。
戦いを開始する前に、こちらの装備を確認しておきましょう。

まずは呪いのお札ですが、そろそろ呪いではなくお守りであることが理解されたでしょうか?
ではこれからは護符と呼びましょう(^^)
(1)電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
(4)電力(W)=電圧(V)×電流(A)
(5)電力(W)=電流(A)×電流(A)×抵抗(Ω)
(6)電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

そして、基礎編の中で獲得してきた装備も再確認しましょう。
(7)直列抵抗の合成抵抗は抵抗1+抵抗2+抵抗3+・・・・
(8)並列抵抗の合成抵抗は
  ①電圧を決める。
  ②護符(2)で個々の抵抗を通る電流を計算する。
  ③②で計算した電流を全部合計する。
  ④①で決めた電圧と③で合計した電流を護符(3)に入れて合成抵抗を出す。
そして、飛び道具が2つです。
(9)同じ抵抗の並列接続の場合、合成抵抗は1個の抵抗値を個数で割る。
(10)異なる抵抗の並列接続の場合、合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)

どうですか?
これだけ装備が充実すれば、何とか最後までクリアできそうですね。

では、ステージ2実践編、逝きましょう・・・でも、ここにちょっとダンジョンが(^^;;;

その2、固定抵抗の正体は?

c0207199_141815.jpg
上の図で簡単に固定抵抗46Ωと書いてありますが、実はこの値、間違いでして、
実際の固定抵抗は下の画像のような姿をしています。
一体いくつの抵抗がついているのでしょう?
c0207199_1421441.jpg
この固定抵抗は560Ωが10個と
1000Ω(1kΩ)が2個の並列抵抗です。
c0207199_1433320.jpg
c0207199_1434058.jpg
この並列抵抗を図に表すとこうなります。
これこそ隠れたボスキャラなんです(^^)

鉄の鎧を着た武将か、はたまたキャタピラを装備した戦車か、
どうやって攻略しましょうか?

その3、固定抵抗の攻略
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正攻法でも攻略できますが、ここは一発飛び道具で行ってみましょうか。
抵抗の種類は2種類ですから、まずはこれを使いましょう。
(9)同じ抵抗の並列接続の場合、合成抵抗は1個の抵抗値を個数で割る。

①560Ωが10個なので、560Ω/10個=56Ω。
②1000Ωが2個なので、1000Ω/2個=500Ω。
そうすると、下の図のように書き換えられます。
c0207199_1445144.jpg

これはまた可愛くなりましたね。

ここで手を緩めず、最終兵器
(10)異なる抵抗の並列接続の場合、合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)
を繰り出しましょう。
合成抵抗=56×500/(56+500)=28000/556≒50.36Ω
これが中ボス固定抵抗の正体です。

ここで安心せず、正攻法で一度確認しておきましょう。
①電圧をNゲージで使われる12Vとしましょう。
②560Ω1個を通る電流は12V/560Ω=0.0214285A
560Ωは10個なので、0.0214A×10個=0.214285A
 1000Ω1個を通る電流は12V/1000Ω=0.012A
 1000Ωは2個なので、0.012A×2個=0.024A
③電流の合計は0.214285A+0.024A=0.238285A
④合成抵抗=12V/0.238285A≒50.36Ω
よし、合ってますね。
これで固定抵抗、攻略完了しました。
ちなみに実際にこの合成抵抗を測定したら48Ωでした。
テスターもいい加減なものですし、個々の抵抗もバラツキがありますので、誤差の範囲内、でしょうか(^^)

これ以降、固定抵抗は50Ωとして扱うことにしましょう。
c0207199_1461816.jpg


その4、ポテンショメーター

固定抵抗は攻略しましたので、次はポテンショメーターです。
これは真ん中の黄色いツマミを回すと抵抗が1Ωから100Ωまで変化します。
下の画像は上から1Ω、50Ω、100Ωです。
この3種類くらい検討しておくことにしましょうか。
c0207199_1471393.jpg
c0207199_1471939.jpg
c0207199_1472359.jpg



その5、固定抵抗とポテンショメーターの合成抵抗

ここまで来たら怖いものなしですね。一気にステージ2をクリアしましょう。
使うのは我らが無敵の最終兵器
(10)異なる抵抗の並列接続の場合、合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)
です。

では、逝きま~す。

(1)ポテンショメーター1Ω、固定抵抗50Ω
合成抵抗(1)=1×50/(1+50)=50/51=0.98Ω

(2)ポテンショメーター50Ω、固定抵抗50Ω
合成抵抗(2)=50×50/(50+50)=2500/100=25Ω
これは同じ抵抗値なので1つ前の(9)でも出せましたね。

(3)ポテンショメーター100Ω、固定抵抗50Ω
合成抵抗(3)=100×50/(100+50)=5000/150=33.333Ω

はい、ステージ2、クリアです。
お疲れ様でした。

次はまたスレッドを変えてステージ3です。
こちら
もうあとは難しいところはありませんので、一気にラストステージまで行きます。
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by nari-masa | 2017-05-05 19:16 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その6 ステージ3 電流値の計算(新バージョン)

こちらはステージ3からラストステージまでの新バージョンです。
ポテンショメーター1Ω、50Ω、100Ωそれぞれに最後まで計算してみました。
旧バージョンよりは分かり易いかと思います。

もう一度装備の確認とステージ2で手に入れた合成抵抗の確認をしましょう。

6つの護符です。
(1)電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)
(2)電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
(3)抵抗(Ω)=電圧(V)/電流(A)
(4)電力(W)=電圧(V)×電流(A)
(5)電力(W)=電流(A)×電流(A)×抵抗(Ω)
(6)電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)

そして新装備。
(7)直列抵抗の合成抵抗は抵抗1+抵抗2+抵抗3+・・・・
(8)並列抵抗の合成抵抗は
  ①電圧を決める。
  ②護符(2)で個々の抵抗を通る電流を計算する。
  ③②で計算した電流を全部合計する。
  ④①で決めた電圧と③で合計した電流を護符(3)に入れて合成抵抗を出す。
(9)同じ抵抗の並列接続の場合、合成抵抗は1個の抵抗値を個数で割る。
(10)異なる抵抗の並列接続の場合、合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)

ステージ2で入手した合成抵抗値は
(1)ポテンショメーター1Ω、固定抵抗50Ωの時、合成抵抗(1)=0.98Ω
(2)ポテンショメーター50Ω、固定抵抗50Ωの時、合成抵抗(2)=25Ω
(3)ポテンショメーター100Ω、固定抵抗50Ωの時、合成抵抗(3)=33.333Ω

さて、ステージ3は回路を流れる電流値の計算です。
モーターの抵抗は仮に40Ω、かける電圧は直流12Vとします。

この新バージョンでは、まず
(1)ポテンショメーター1Ω、固定抵抗50Ωの時、合成抵抗(1)=0.98Ω
だけでラストステージまで行ってみましょう。
3つ同時進行では混乱しやすいですからね(^^)
c0207199_1426429.jpg
まず、モーターとポテコ抵抗(ポテンショメーターと固定抵抗の合成抵抗)の直列合成抵抗を計算しましょう。
あ、ポテコ抵抗というのは当方の造語ですから、世間一般には通用しません(^^)

これは見ての通り直列接続ですから、新装備(7)
直列抵抗の合成抵抗は抵抗1+抵抗2+抵抗3+・・・・
で簡単に出ますね。

(1)ポテンショメーター1Ω、固定抵抗50Ωの時、ポテコ合成抵抗(1)=0.98Ω
だけやりますよ。
新装備(7)に40Ωと0.98Ωを入れると、
モーターとポテコ抵抗の合成抵抗は40Ω+0.98Ω=40.98Ω
ですね。

で、今度は護符(2)
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
を使って電流を出します。

上の直列合成抵抗の計算で
ポテンショメーター1Ωの時、モーターとポテコ抵抗の合成抵抗は40.98Ωでした。
全体にかかる電圧は12Vですから、これを護符(2)に入れると、
電流値1=12V/40.98Ω=0.293A
になります。

これがこの回路を流れる電流値です。

これでステージ3は終わりです。

次はステージ4(下図)。
モーターとポテコ抵抗(ポテンショメーターと固定抵抗の合成抵抗)にかかる端子電圧を求めましょう。
こちら
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by nari-masa | 2017-05-05 18:29 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その7 ステージ4 端子電圧の計算(新バージョン)

さてステージ4です。
c0207199_1427258.jpg


ここでちょっと追補します。
いきなり端子間電圧の話になったため、少し分かりにくいかと思いまして。
c0207199_14333250.jpg

上の水道管の図を見て戴くとイメージが湧くでしょうか?
抵抗1と抵抗2はパイプの太さが違います。

当然、パイプが太い方が水も電気も流れが良いので、抵抗は低いです。
そうすると、パイプの左右の圧力(水なら水圧、電気なら電圧)の差も小さくなります。
このパイプ(抵抗)の左右の圧力差(電気なら電圧)のことを端子間電圧といいます。

当然、直列接続されている機器の端子間電圧を全部足すと元電源電圧になります。
ここまで追補です。

これは護符(1)
電圧=電流(A)×抵抗(Ω)でいきましょう。
全体にかける電圧は直流12Vです。

ポテンショメーター1Ωの時、ポテコ合成抵抗1=0.98Ω、電流値1=0.293A
でしたね。
これを護符(1)に入れると、ポテコ抵抗にかかる端子電圧1は
0.293A×0.98Ω=0.287V
と出てきます。

ちなみに、この時モーター(40Ω)にかかる端子電圧は、
やっぱり護符(1)で
0.293A×40Ω=11.72V
になります。

このポテコ抵抗端子電圧とモーター端子電圧を足したもの
0.287V+11.72V≒12V
これが12Vになれば計算は合っています。
OKですね。

これでステージ4はクリア。

続いてラストステージです(下図)。
いよいよポテンショメーターの電力値に迫ります。
こちら
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by nari-masa | 2017-05-05 17:40 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その8 ラストステージ ポテンショメーターにかかる電力値

ついにここまで来ましたね。
ラストステージ、ラスボスです。
c0207199_14402585.jpg


ポテンショメーターの電力値、0.5W(500mW)以下ならOKなんですが、
これは護符(6)
電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)
で一気に攻略しましょう。

ポテコ抵抗全体にかかる端子電圧はそのままポテンショメーターにかかっていますから、端子電圧×端子電圧/ポテンショメーター抵抗値で電力Wが出ます。

その1、ポテンショメーター1Ωの時

ポテンショメーター1Ωの時、ポテコ合成抵抗1=0.98Ω、ポテコ抵抗にかかる端子電圧1は0.287Vでしたね。
これを護符(6)に入れると
電力値W=0.287V×0.287V/1Ω=0.082W
が出てきました。
これがポテンショメータ1Ωのときのポテンショメータに加わる電力値です。
0.5W以下なのでセーフですね。

ちょっと追補します。
護符(4)は
電力(W)=電圧(V)×電流(A)
で、これが元々の式です。

で、護符(2)が
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)
ですから、本来ラストステージは2段階に計算すべきなのです。

これを簡単にするために護符(6)
電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)
を作ったのですが、一度きちんと計算をやっておきましょう。

まず、護符(2)で電流を求めます。
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)=0.287(V)/1(Ω)=0.287(A)

次に護符(4)で
電力(W)=電圧(V)×電流(A)=0.287(V)×0.287(A)=0.082(W)
になります。
同じ0.287でも単位が違うことに注意してくださいね。
追補おわり。

これで一連のステージが終わりました。


それでは引き続き、ポテンショメータ50Ωと100Ωも計算してしまいましょう。

その2、ポテンショメーター50Ωの時の電力値

では、次に50Ωの計算をしましょう。
1Ωで一度通っていますから、多分大丈夫でしょう(^^)

ステージ3です。
ポテンショメーター50Ω、固定抵抗50Ωの時、ポテコ合成抵抗(2)=25Ω
なので、モーターとポテコ抵抗の合成抵抗は新装備(7)で
40Ω+25Ω=65Ω

今度は護符(2)
電流(A)=電圧(V)/抵抗(Ω)で、
ポテンショメーター50Ωの時、モーターとポテコ抵抗の合成抵抗は65Ω、全体にかかる電圧は12Vなので、
電流値2=12V/65Ω=0.185A

次はステージ4
護符は(1)
電圧(V)=電流(A)×抵抗(Ω)を使います。

ポテンショメーター50Ωの時、ポテコ合成抵抗2=25Ω、電流値2=0.185A
でしたから、ポテコ抵抗にかかる端子電圧2は
0.185A×25Ω=4.625V

この時モーター(40Ω)にかかる端子電圧は
0.185A×40Ω=7.4V
なので、

ポテコ抵抗端子電圧+モーター端子電圧=4.625V+7.4V≒12V
で検算OKですね。

最後はラストステージ。
使う護符は(6)
電力(W)=電圧(V)×電圧(V)/抵抗(Ω)。

ポテンショメーター50Ωの時、ポテコ抵抗にかかる端子電圧2は4.625Vでしたから、
電力値W=4.625V×4.625V/50Ω=0.427W
ぎりぎりですけど、0.5W以下なのでセーフですね。

では最後は100Ωです。

その3、ポテンショメーター100Ωの時の電力値

では、100Ω、いきましょう。
今回は護符や新装備を言いませんので、どのお札を使ったか考えながら解いてくださいね。

ステージ3です。
ポテンショメーター100Ω、固定抵抗50Ωの時、ポテコ合成抵抗(3)=33.333Ω
なので、モーターとポテコ抵抗の合成抵抗は40Ω+33.333Ω=73.333Ω

ですから、
電流値3=12V/73.333Ω=0.164A

ステージ4
ポテンショメーター100Ωの時、ポテコ合成抵抗3=33.333Ω、電流値3=0.164A
なので、ポテコ抵抗にかかる端子電圧3は
0.164A×33.333Ω=5.467V

この時モーター(40Ω)にかかる端子電圧は
0.164A×40Ω=6.56V
ポテコ抵抗端子電圧+モーター端子電圧=5.467V+6.56V≒12V
はい、OKですね。

最後はラストステージ。

ポテンショメーター100Ωの時、ポテコ抵抗にかかる端子電圧3は5.467Vでしたので
電力値W=5.467V×5.467V/100Ω=0.298W
全然OKですね。

1Ω、50Ω、100Ωの3種類で、50Ωが一番電力が大きかったですね。

そこで、1Ωから100Ωまで5Ω刻みで電力値がどうなるか、ちょっとEXCELを使って表とグラフを作ってみました。
面白い曲線になりますね~。
c0207199_14531847.jpg


では電力がピークになる抵抗はいくら?
こんどは一番高そうなところを1Ω単位で見てみましょう。
c0207199_14572111.jpg

c0207199_1456346.jpg

c0207199_14555086.jpg
ポテンショメーター22Ωのあたりが一番ポテンショメーターの電力が高くなるようです。
電圧12Vを超えると0.5Wをオーバーします(まん中の表の黄色くなっているところ)。
でも電圧6V(一番下の表)なら電力値がかなり低くなりますから、通常使用には問題ないようですね。

ステージ3~ラストステージの新バージョンも終わりです。
お疲れ様でした。

次回は別スレッドでこの計算表にいろいろな値を入れて、この抑速回路の安全性を見ることにしましょう。
こちら
それでこのお話は終わりになります。
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by nari-masa | 2017-05-05 16:58 | 電気制御 | Comments(0)
2017年 05月 05日

電気のお勉強その9 抑速回路の安全性の検証

電気のお勉強の最後です。
抑速回路の検証も終わり、表計算も可能になりましたので、いろいろな条件を入れて抑速回路のの安全性、限界の検証をしておきましょう。

さて、最終章、安全性の検証ですが、その前にここまでの話と実際は一致するのか、を確認しておきましょう。
これをしないと机上の空論で何の意味もなくなりますからね~(^^)

車輌は現在マヌ34とスハ32を牽いて仙山線ごっこをしているED14を使いましょう。
c0207199_152285.jpg
このED14の走行時電流は、以前の測定で電圧6Vのときに0.087Aでした。
c0207199_15307.jpg
6Vで0.087Aなので、単純に抵抗を計算すると
6/0.087≒68.96Ω。
まあ69Ωとしておきましょう。
※正確な計算値ではありません。

ポテンショメーターは50Ωに設定してみましょう。
c0207199_1533188.jpg
これらの数値を表計算に入れてポテコ抵抗(ポテンショメーターと固定抵抗の並列接続の合成抵抗)の端子電圧を求めると、1.596Vとなるのだそうです(^^)
c0207199_1552885.jpg
実際に電圧6VをかけてED14を走らせ、ポテコ抵抗の端子電圧を測定してみました。

結果がこれです。
1.6V弱。
1.57V~1.58Vくらいですね。
計算値が1.596Vですから、一致したと言ってよさそうです。

一応、表計算が正しいかも再確認しておきましょう。
モーター抵抗69Ω、ポテンショメーター50Ω、固定抵抗50Ω、電圧6Vです。
ポテコ抵抗(ポテンショメーターと固定抵抗の並列合成抵抗)は50Ω/2=25Ω。
モーターとポテコ抵抗の直列合成抵抗は69Ω+25Ω=94Ω。
流れる電流は6V/94Ω=0.06383A
ポテコ抵抗にかかる電圧は0.06383A×25Ω=1.5957V
はい、合ってます。
ちなみにポテンショメーターの電力値は1.5957V×1.5957V/50Ω=0.0509W
なので0.5W以下です。
c0207199_1565056.jpg

計算と実際でこの端子電圧が一致したということは、ポテンショメーターの電力計算も正しいことになります。
電力=電圧×電流=電圧×電圧/抵抗、ですからね。

これで計算式と表計算が安心して使えます(^^)

では安全性の検証、まずは動力車重連、つまり動力車2輌の場合です。
数値は違いますが、室内灯や前照灯も似たような考え方ができます。

下図のようなつなぎ方になりますね。
モーターが並列接続です。
c0207199_1583299.jpg
この場合、基本は抵抗の並列接続と同じ考え方でできますから、
モーター1台の抵抗を40Ωとすると、2個では40Ω/2個=20Ωです。
※極端に特性の違うモーターはちょっと複雑になります。
ここは同じモーター、例えば16輌編成の新幹線に2モーターとか、です。

電源電圧12Vをかけた場合、ポテンショメーター1Ω~100Ω時の電力値が下図です。
ほぼ全域でポテンショメーター電力が0.5Wを超えます。
1Ω、つまりほとんどポテンショメーターの抵抗がゼロの場合のみ、0.5W以下になります。
グラフの曲線がモーター車1台40Ωのときと異なり、最大値が15Ω付近に来ます。
c0207199_1594495.jpg
では、40Ωのモーター搭載の動力車重連でポテンショメーター電力が0.5Wを超えない電圧はいくらなのか?

下図の通り、7.5Vくらい。
もちろんモーターの抵抗が変わればこの値も変わります。
これはあくまで1個40Ωが2個の時です。
c0207199_15112163.jpg
では、1Ω単位でもう少し細かく見てみましょうか。
まず、速度的に使いやすい30Ωではどうか、一番上の図です。
元電源電圧 8Vくらいですね。
これなら実用上、使えそうです。

その下は電圧12V時と7.5V時、一番電流が大きくなる15Ω付近を1Ω単位で見てみました。
c0207199_15121070.jpg
c0207199_15131659.jpg
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ここでまた、重連運転の時にポテンショ電力がどうなるか、実検証してみましょう。
元電源電圧は6V、ポテンショメーター抵抗は50Ωで行ないます。
トラクションタイヤの回転差がモーターの負荷を変えてしまうため、動力車はできるだけ特性が近い方が良いので、Bトレの上信デキ2と3を使いました。
条件を同じにするためにヘッドライトは点灯しない方向にしています。

測定はポテコ抵抗の端子電圧で行ないます。

まずは機器のセットです。
前回の測定時、BトレDD51の走行時電流は電圧6Vで0.105Aでした。
そうするとモーターの抵抗は概算値で6V/0.105A=57.14Ωです。
この数値を計算表に入れるとポテコ抵抗端子電圧は1.826Vになるはずですから、そうなるようにパワーパック電圧やポテンショ抵抗をセットしました。
c0207199_15165541.jpg
c0207199_15172676.jpg
c0207199_1518140.jpg


先にデキ2輌のモーター単体の抵抗を求めるため、6Vで走行させてポテコ抵抗にかかる端子電圧を測定しました。
まずはデキ2です。

ポテコ抵抗端子電圧の測定結果は1.45V。
計算表でポテコ端子電圧が1.45Vになるようなモーター抵抗を探ると78Ωでした。
c0207199_15272719.jpg
c0207199_1528360.jpg
c0207199_15292614.jpg
次にデキ3です。
ポテコ抵抗端子電圧は1.1Vでした。

この時のモーター抵抗は111Ω
※もちろんモーターには全負荷がかかっていませんので、この111Ωは絶対的な値ではありません。
重連時の抵抗を計算するために求めた仮の値です。
c0207199_15301799.jpg
c0207199_1531271.jpg
c0207199_15313979.jpg
今度は重連です。
モーター抵抗(仮の値)はデキ2が78Ω、デキ3が111Ω、その並列接続ですから、
モーター全体の抵抗は例の最終兵器(9)で
合成抵抗=抵抗1×抵抗2/(抵抗1+抵抗2)を使うと
合成抵抗=78×111/(78+111)=45.81Ω。

これを計算表に入れると元電源電圧6Vでポテコ抵抗端子電圧は2.11Vほどになるようです。
c0207199_15322980.jpg
で、実測値が下図です。
2Vちょっとですね。
概ね計算式と一致しました。
c0207199_15332294.jpg
下に元電源電圧12Vのときの計算表を載せてみました。
Bトレ動力の重連なら12Vかけてもポテンショメーター電力は0.359Wで、限界の0.5Wを超えることは無いようです。
c0207199_15341430.jpg


★ショートしたら??

最後に見ておきたいのは最も危険な場合です。
車輌が脱線したりしてショートしたらポテンショメーターにはどれほどの電力がかかるのか?
ショートと言うことは、モーター側の抵抗が0Ωになるということです。
つまり、こういう状態。
c0207199_1536976.jpg

それでは電圧12V、モーター抵抗0Ωを計算表に入れてみましょう。
ポテンショメーター電力のグラフ曲線が今までと全然違いますね。
c0207199_15373329.jpg
もう、元電源電圧12Vかかっていたらポテンショメーターがいくらの設定でも一発で焼けますね。

次に、何ボルトなら焼けずに済むのか?
下の表で見てみると、安全な電圧は0.7Vくらいです。
これは車輌が走行しない電圧ですから使えませんね。
c0207199_15381371.jpg
それではポテンショ50Ωの時、元電源電圧何ボルトまでなら車輌がショートしてもポテンショ電力0.5W以下で耐えられるのか?

それが下図です。3.87Vくらい。
車輌がようやく動くか動かないか、というところです。
やはり、ショート時は一刻も早く電源を切ることが重要ですね。

さて、これで一連の電気のお勉強は終わりです。
最後までお読み戴きましてありがとうございました。
また、BBSからの転載のためもあり、途中ちょっとお見苦しい点がありましたこと、お詫び申し上げます。
c0207199_1538468.jpg



ちょっと追補します。
固定抵抗と並列にせず、ポテンショメーターだけだったら抑速回路にならないのか?という疑問が出ますよね。
そこで、ポテンショメーターだけの場合を検証してみましょう。
下図のような回路です。
c0207199_15404830.jpg
計算表に固定抵抗無限大(無限はないので10000000くらい)を入れてみました。
12Vではほとんど0.5Wを超えてしまい、運転できません。
9Vくらいでやっとでしょうか。
でも、ちょっとオーバーしたらもたないです。
これがポテンショメーターと固定抵抗を並列接続にした理由なんです。

これでほんとに終わりです。
c0207199_15413148.jpg
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by nari-masa | 2017-05-05 15:19 | 電気制御 | Comments(0)
2014年 11月 16日

検証、LEDによる電飾とスイッチングダイオード

最初に注意書きで申し訳ありません。
この記事に記載した検証テストは当方の理解のために行なっており、用語や数値には誤りがある可能性があります。また、この記事に基づいて実施された結果生じた損害に対し当方はいかなる責任も負えません。

さて、
Nゲージ車輌をLEDで電飾する場合、順方向耐電流20mA程度のLEDをNゲージの走行用電源であるDC12Vで使うために抵抗や定電流ダイオード(CRD)を直列で入れます。
なお、LEDは電圧オーバーで壊れると思われがちですが、実際には電流オーバー(過電流)で壊れるようです。
これはまあ、普通に知られているのですが、問題は逆耐圧で、Nゲージは直流2線式なので走行方向によってLEDに逆電圧(光らない方向の電圧)がかかることになります。
LEDやCRDはこの逆電圧に対する耐性が低く、普通のLEDで4Vくらい、高輝度LEDで9Vくらいで壊れるそうですから12Vの逆電圧をかけたら一発で破損してしまいます。
これを防ぐにはスイッチングダイオードを直列に入れて逆電圧がかからないようにしてやればいいのですが、このスイッチングダイオード、いつでも必ず要るのか?、という疑問があります。例えばKATOの電気機関車用LEDライトユニットにはダイオードは付いていません。
メーカーの説明文などでは2個以上のLEDを逆向きにつないで電源がどちらの極性でも必ずどれかのLEDが点灯するように接続すればスイッチングダイオードはいらない、と書かれています。前照灯と尾灯がある車輌とか機関車のように前後にLEDがある場合ですね。
ですが、これはあくまで理屈なので、実際にNゲージではどうなるのか検証してみようと思います。
c0207199_18133013.jpg
まず、電流制限のための20mAの定電流ダイオード(CRD)です。他にも560Ωくらいの抵抗とか、使えるものがあります。
c0207199_7203479.jpg
これをLEDの片方の足に直列につなぎます。LEDもCRDも極性があるので、逆向きにつなぐと最悪の場合壊れます。私は面倒なので3Vくらい電圧をかけて光らせて向きを確認していますが・・・(^^)
c0207199_18134390.jpg
順方向にDC12Vかけてもちゃんと壊れずに光ります。しかし・・・
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逆極性にして電圧を上げていくと8V付近でLEDがパンクします。臭い~
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そこでマイッチング(古っ)・・・じゃなくてスイッチングダイオードを・・・
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こんな風につなぐと・・・(実はこの絵はLEDが逆向きなのは秘密です)
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順方向電圧12Vで点灯OK
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逆電圧12Vでは当然光りません。
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また順方向電圧12Vで点灯OK。つまり、LEDは壊れなくなりました。ここまでは順当で問題ないのですが・・・
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スイッチングダイオードを使わず、定電流ダイオードのみLEDにつないだものを2組用意して・・・
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2個が逆向きになるように電源につなぎます。
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DC12Vで左側が点灯
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極性を切り替えると右側が点灯
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また極性を切り替えると左が点灯。つまり、スイッチングダイオードが無くてもLEDは壊れません。これは一般の説明文に書かれている通り、電流は流れやすい順方向のLEDを通るので逆方向のLEDは通らず、壊れない、ということで良いようです。
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で、試しにこのLEDの組み合わせを実際の動力ユニットに取り付けて走らせてみたのですが・・・
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走らせると12Vでは速すぎてカメラで捉えきれませんでした。わはは
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しかたがないので電線をつないで、右点灯
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逆極性で左点灯。これでは先程のテストと同じなんですが、実際に走らせてもLEDは壊れませんでした。つまり、LEDが逆向きに2個あればスイッチングダイオードは無くてもいきなり壊れることはありません。
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もう一つ検証してみたかったこと。動力車にLED+CRDが1組しかなかったらどうなるか?最初の例のようにLED+CRD単体なら壊れますが、動力ユニットに取り付けたら?・・・例えば1灯式の蒸気機関車のような例です。実はこれを一番やってみたかったのです。
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結果として、12Vで逆走させても壊れませんでした。これはモーターのコイルが導体なので逆電圧時には電流がモーターを流れ、LEDは壊れない、ということなのでしょう。
結局、LED2個が逆向きに使われているか、動力車に取り付けられている場合、スイッチングダイオードは無くてもLEDは壊れない、という結論になります。
た・だ・し、トレーラーの前照灯と尾灯のような場合、スイッチングダイオード無しだと何かの原因で「片方が壊れたらもう一方も壊れる」ことになります。接触不良の場合も同じですので、スイッチングダイオードはできるだけ付けておいた方が無難、ですね。動力車の場合もモーターの慣性による逆起電力とか(大きなフライホイール付きの場合など)は検証していませんので、特に1灯式の場合は注意が必要です。
いずれにしても、この記事によって実施された結果に対し当方はいかなる責任も負えませんので、宜しくお願い致します。
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by nari-masa | 2014-11-16 08:01 | 電気制御 | Comments(8)