ライター：mpcsp079さん（最終更新日時:2016/11/20）投稿日：2012/12/2

鉄道模型の電気的制御に関する話題

モーターはブラシDC型ですかね・・・

電圧で制御されます。

昔、１９７０年ごろ、パワーパックと呼ばれる制御回路は図１のようなものでした。降圧、整流のあと、単に抵抗を挿入しているだけでした。これは、大昔の電車と同じです。電圧ではなく、電流を制限しているんです。セレン整流でした。

　　　　　　　　　　　　　　　　図１
　このような制御を電流制御と言いました。電流を可変抵抗で加減しているだけでした。もっとも簡単なものでした。これであると、スタート時にスムーズになりません。
　電圧制御は直流の部分では、簡単ではありませんでした。図２のようにポテンショメータを使ったとしても、ｏｕｔ抵抗が大きくてだめですね。抵抗小さくすれば電流ロスが大きくなってしまいます。

　　　　　　　　　　　図２
　そこで出てきたのが、図３のトランジスタ回路です。エミッタフォロワですね。簡単な回路ですが、この世界ではなかなか普及しませんでした。こんな簡単なこと、つまりＤＣの領域で電圧を制御することが、トランンジスタがなければ不可能であるというということなのです。

　　　　　　図３　トランジスタによる電圧制御

ここからが本題です。トランジスタがないと、こんな簡単なことができない。トランジスタとは何か？　電圧で、電流を制御する素子です。それをうまく使ったのが、図３の回路、つまりエミッタフォロワなのです。要するに、コントロール側ではポテンショメータで電圧調整しますが、専門用語でいうとＯＵＴ抵抗が高い。しかし、エミッタフォロワ回路は、その電圧を受け、同じ電圧をＯＵＴし、電流を流してくれます。制御側にはその電流の１／１００も流れません。

　　この働きが、トランジスタという素子の効用の秘密を示しています。ちょっとしたことなのですが、彼がいないとそれができない。簡単なのですが、やってくれる者がいないのです。そんなにすごいことやるわけではない。単に、電圧で電流を制御するだけなのです。しかし、たったそのことだけで世界が変わるのです。

　　　図４は加速・減速をスローにするための対策である。ベース抵抗（１００ｋΩ）が大きいので、バイアス電流を小さくしないと電圧降下で電圧が下がってしまう。このため、ダーリントン回路にして、ベース電流を下げている。OUTにつけた回路は、エミッタフォロワ段がコルピッツ発振器となってしまうのを防ぐためです。

　　　　　　図４　加減速の緩和回路

　チョッパ制御、図のように回転ドラムにつけられた導電部分とブラシによって、高電圧を間欠的にモータにかけて、超スローを実現する案もあった。

　　　　　　　　　　　　　図５

タップ制御、ＡＣ１００v変圧器の変圧比を変えることで、モータを制御する。これでは、電圧制御ができ、トランジスタによる制御と同じになります。

　　　　　　　　　　　　　図６

チョッパ制御、１２Ｖの電圧を間欠的にPWMで送る制御法。上のドラム機械式を電気的にやったもの。現在ではオーディオをはじめ、電源やすべてがこれになっている。

PWM方式DCモーター速度可変キット(AE-555PWM) (akizukidenshi.com)

　　　　　　　　　　　　図７

メルクリン - Wikipedia

HOゲージでは、ほとんどの鉄道模型メーカーが直流二線式を採用する中、メルクリンではレールの極性が同一であることから自由な接続が可能である点を重視し^[9]、鉄道模型創世記の流れを汲む交流三線式を主力としている。交流三線式が「メルクリンシステム」とも呼ばれるのはそのためである。

架空電車線方式の電気機関車などの車両ではレールの中央に位置する第三線と同電位の架線を配線することで、実物同様にパンタグラフからの給電を可能としている。動力車の進行方向を換える際にレールの極性を換える方法が使えないため電磁石を用いた機械式の逆転機の装備が特徴となっていたが、メルクリンデジタルになってからは方向転換もデジタル式で行なうようになっている。Cサインモーターの導入によりトルクカーブを設定することができ、低速での運転がよりスムーズになった。

世界中にコレクター・収集家がおり、ロッド・スチュワートやアメリカのロナルド・レーガン元大統領も愛好者だったとされている。元F1ドライバー、リカルド・パトレーゼは自宅に膨大なコレクションを保有しており、世界でも屈指のコレクターとして知られている。初期の製品はオークションにて高値で取引されている。日本では篠原正瑛や近衛秀麿ら、ドイツにゆかりのある著名人に愛好者がいた^[10]。篠原は、1960年代に不二商が代理店としてメルクリンを扱う際、メルクリン側から助言者として名指しで推薦を受けるほどだった^[10]。

https://momo24dan.sakura.ne.jp/marklinsystem.html

これがかなり不細工で嫌いな方も多いと思う。　しかし、このお陰で色々良いことがある。
それは、集電が良いことである。　
線路が点々状なので汚れないし、汚れも擦って取れるのでシューもほとんど汚れない。
ここが汚れて車輪を磨くより簡単だ。　
また車輪絶縁していないので両側の線路から集電できるので、接触不良が少なく、線路も車輪も汚れにくい。

https://momo24dan.sakura.ne.jp/TetudoumokeiUntenhousiki1.html

メルクリンでは交流モーターを用いていますが、特殊なコイルを用いたモーターと、車載用の逆転用特殊リレーを用いて、さらに変圧器も一瞬だけ25Ｖが出せる特別な変圧器を用いることで、車載の逆転機を遠隔操作できるようにしていました。これで、車輛のそばまで行かなくても運転席から車輛を逆向きに走らせられます。

■著者コメント

交流にすることで、接触が悪くてもコンデンサとして伝達できる点も素晴らしい判断だった。さっすがドイツ人！接触不良は大問題であり、これがひどいといやけがさしてしまう。ここをよく考えたメルクリンはすばらしい。

　　　　　　　　　　　　　図８　ACモーターの逆転

さて、２列車運転する古典的な方法がデュアルキャブコンです。通電区間をギャップで分け、２つの電源A,BをSWで切り替えます。切り替えられた電源のみが制御できるわけです。つまり各区間ではA,Bどちらかしか制御できません。しかし、このシステムでは、各区間に２つの動力車が同時に入ることは想定されていません。

【レイアウト案内】-運転機器 (coocan.jp)

では、こうなっています。各ギャップ間のSWがあります。AかBを選択するためです。

　　　　　　　　　　　　　　図９　

　　　　　　　　　　　　　　　図１０

デュアルキャブコントロールの提案 - ふせちゃんのブログ (goo.ne.jp)

ではこう説明されています。

　　　　　　　　　　　　　　　図１１

鉄道模型の同一レイアウト上における複数車両の制御小学校低学年の息子が鉄... - Yahoo!知恵袋

ステップモーターでやる方法がある。これは低速でもトルクは変わらないから、低速走行はできそうである。しかし、制御には動力車のマイコンを載せる必要があり、さらには、パルスレートや逆転情報をデジタル的に設定しなければならない。下のDCCシステムが必須となる。モーターも模型用に開発する必要がある。大規模なシステムとなる。実現は難しい。

さらにDCC（デジタルコマンドコントロール）というシステムが出てきた。さらには、モーター駆動方式は上のような方式ではなく、PWM方式（スイッチングアンプ）になった。

　これによって、線路のギャップを設け、SWを設置する必要がなくなり、何台もの動力車をどこでも独立に動かせるようになり、スイッチングアンプによるので、放熱が少なくなり、そのため小さくなり、車両内にパワー制御回路が収められるようになりました。下のように小さくなってしまいました。

永末システム事務所（個人事業）

DE29x6K R5 KATO N (snjpn.com)

Welcome to New Generation of DCC (snjpn.com)

の製品を例に説明する。下が動力車に取り付ける回路と仕様である。これをAとする。

DE33sx2extcp DD51K (2FX KATO製 HO DD51組込専用サウンドデコーダ） \12,000-

レールには下のような一定電圧（１２V）の信号兼電源電圧を加える。周波数は数kHz。

　　　　　　　　　　　　　　　図１２

これをAがデジタルコードとして解読する。さらにAはこの電圧を整流して、コントロールICの電源、さらにはモータ駆動電源とする。Aは送られたコードによりモーターをトランジスタと車両内で整流されたDC電源でPWM駆動する。

　　　　　　　　　　　　　　　図１３

PWM信号とはトランジスタのON／OFFにより、矩形波を作り、その平均でDC電圧を作る方式である。

以下、

鉄道模型のDCCについて紹介しています。 | 雲山の雑記帖 (unzan.net)

から引用する。

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Kato EF66-100 DCC化 | 雲山の雑記帖 (unzan.net)

から、実例を引用する。

Kato EF66-100 [3046]をDCC化しました。

使用したデコーダーは、永末システムのDE29x2K_16vです。
元々のライト基板との置き換えで、簡単にDCC出来るのがありがたいです(^_^)

DE29x2K_16vにはLEDが付いていないので、自分でハンダ付けする必要があります。
今回は草心LEDで販売している、電球色の側面発光タイプのチップLEDを使用しています。

デコーダーのCV値は以下の設定としました。

CV1 [66] (車両アドレス)
CV112 [1000 0110 / 134] 1エンド側ヘッドライト明るさ(8/15)
CV115 [1000 0110 / 134] 2エンド側ヘッドライト明るさ(8/15)

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Kato Ge4/4 II <箱根登山電車> DCC化 | 雲山の雑記帖 (unzan.net)

から引用する。

KatoのGe4/4-II <箱根登山電車>のDCC化を行いました。

Ge4/4-IIはスイスのレーティッシュ鉄道を走っている交流電源用の電気機関車で、氷河急行などの客車や貨車の牽引に使われています。
レーティッシュ鉄道は箱根登山鉄道と姉妹提携しており、箱根登山電車のロゴがラッピングされている622号機がKatoでモデライズされている本車となります。

DCC化にあたり、DCCデコーダーの選択肢として2つありました。
1つは、WebNuckyさんのワンコインデコーダー for Kato Loco。
もう1つが、今回使用した永末システムのDE29x2_56Kです。

DE29x2_56Kを使用した理由がBEMFでした。
BEMFは坂道などでの車両の急な加速や減速を防いで、一定の速度での走行を行う機構です。
GE 4/4-IIは登山鉄道の車両という事もあり、今後勾配のあるレイアウトでの走行も考えていますので、BEMFを実装しているDCCデコーダーを選択した次第です。

[ワンコインデコーダー for Kato Locoもコネクタ部分を切り落とすことで搭載可能です。]

DCCデコーダーの搭載自体は、元のライト基板と交換するだけなのでとても簡単です。
DCCデコーダーに載せているチップLEDは、側面発光の電球色を使用しました。
車体を被せる時に、導光材や屋根裏が引っかかる場合は、その部分を切り取るなどする必要があります。

CV値は以下の値にしました。

車両アドレス:1442(CV17:197 / CV18:162)
CV29 [0010 0110 / 38‭‬]
CV112(FX1照度) [1000 0110 / 134]
CV115(FX4照度) [1000 0110 / 134]

今年の自分への誕生日プレゼントとして、本車を購入してからずぶずぶとレーティッシュ鉄道にはまっていったのですが、長くなるので別の機会にします(^^;

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Kato DD51 500 中期耐寒形 DCC化 | 雲山の雑記帖 (unzan.net)

から実例を引用する。

今回は、KatoのDD51 500 中期耐寒形をDCC化しました。

国鉄時代の北海道を走っていた車両で、手持ちのキハ24などと走らせるのによいかなと思っていたのですが、あちらをJR仕様にしてしまい、その他北海道に縁のある車両というと、キハ183系、DF200、EH800といった時代の合わない車両ばかりでちょっとばかり浮いていますが、まぁあまり気にせずに走らせています(笑)