鉄道模型机上の空論

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zoom RSS スーパーキャパシタ使用報告

<<   作成日時 : 2009/06/10 21:48   >>

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 う〜ん、また一ヶ月のご無沙汰・・・ちょうど一月前の浜松町のイベントでスーパーキャパシタを手に入れたので効果やら使い勝手を調べるためにいじくってました。集電不良を起こしがちな小型車には有用な素子と感じましたので報告します。

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 使用したキャパシタはトーマモデルワークスさんで買ったもの(5.5V、0.1Fと0.047Fの二種)。電源は主に純直流の安定化電源、常点灯用のN-1000-CLに近い20kHz位のPWM電源、20kHzと200Hzが混ざったPWM電源の三つを使いました。通過させるポイントはTOMYのミニカーブのものです。

 ところで最初にご注意を。ここでは乱暴な扱いをしている記述がありますが、同じようなことをする場合、裸眼のまま顔を近づけて観察などはしないでください。万が一破裂などの事故が無いとも限りません。


 モーター、動力との相性は?

 では、まずは簡単な使い方をしてどんなモーターが使えるか、程々のスローで走らせた時にどの位惰走できるのかみてみました。

 手持ちの動力を使いシンプルにモーターに並列にキャパシタをつないで走らせます。電源は安定化電源で、1〜3Vあたりでの様子を見ました。小さなモーターのものはおおむね惰走し、ポイント通過もよくなります。面白がってしばらく遊んでしまいました。

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 使ってみてまず感じるのはやはりキャパシタは集電不良をフォローはするが予防はしない、ということです。当たり前ですが蓄電されていなければ働きません。車両自体の集電性能やレールのコンディションが悪ければキャパシタに電気は溜まりにくく、スローでのスタート、ポイント通過はやはり厳しいのです。写真の動力はまだ危なっかしく、補重やイコライザーで集電性能を上げてやる必要があります。

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 Bトレインの動力は快調に惰走します。エンドレスのぐるぐる回しをぼんやり眺めるという楽しみ方なら、この組み合わせはおすすめでしょう。ポイント通過も快適です。電源のオンオフだけで運転してもそれなりに発進停止の加減速の感じが出せるので、路面電車などに使って何か面白いことが出来そうです。この動力はものによってはラビットスタートになりがちでスローでのコントロールが効きにくいですが、そのあたりはキャパシタで改善はされません。

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 同じBトレインのモーターを使ったCタンクの動力は、簡易なイコライザーがついているのでポイント通過はほぼ間違いがなくなりました。惰走はBトレイン動力程はいかず、ガクッと速度が落ちる感じになり勝ちです。ギア比が高いとか、自作動力の精度だからロッドの抵抗が大きいなどが原因でしょうね。

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 欲張ってフライホイールと組み合わせ。前回出たようにBトレの動力台車を低速ギアにはめ換えて、ワールドのモーターで駆動のもの。フライホイールのみ、キャパシタのみの時に比べ格段に滑らかな走りです(後でわかったのですが「フライホイールはキャパシタの性能を引き出す」ことがあるようなのです)。うちとしては今後はこの組み合わせを基本にしていきます。

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 このサイズでこの性能はうれしいです。キャパシタの積み方次第ではチビロコをさらにショーティーにしても入る大きさ。ポイント通過もかなりスローでいけるので、少々の補重と片側三点のイコライザーをつけるくらいで悪魔の走行性能が手に入るのでは!?と、大げさな期待をしてしまうほど(笑)。

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 そうなると写真右のフライホイール付の二軸単車の動力。以前出したようにすでに集電関係はほぼ完全ですのでキャパシタをつけたらどれだけすごいか!?なのですが、意外に惰走、滑らかさ共にあまり増加しません。集電用のコンタクトシューの摩擦抵抗とか一軸駆動でトルクが足りない等も関係するとは思いますが、多分一番の原因はモーターの消費電流でしょう。

 このモーターはビットチャージというレーシングカーのおもちゃに使う3V仕様のもので、適度な速度で消費電流が6〜70mA位あります。モーターの使用電流がキャパシタが放出できる電流を超えてしまうのでしょうね。すでに出た左のお手軽パワトラはやはり3V仕様のジャンクモーターですが、二個直列だから同じような速度で20mA程度でちゃんと惰走します。ちなみに同じモーター一個だけで使った前回のBトレ用に繋ぐとやっぱり惰走が少なかったです。こちらは4〜50mA。

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 直感的にはモーターが小さければキャパシタの効果も大きいように思ってしまいますが、低電圧のものには意外な落とし穴があったわけです。同じスローで走っても、他に比して低い電圧で走行の蓄電となり、キャパシタに溜められる電気の量も少ないのでしょう。その状態で電流を食うのだから惰走も少ないのだろうと思います。もちろん惰走が少ないからといって使えないわけではなく、ポイント通過等にはちゃんと効果はあります。

 逆にこんなのにもつけて見ましたが・・・

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 集電性能の悪いC12、キャパシタをつけてもほとんど惰走しません。しかし多少は集電不良を緩和するようで、ちょっとだけ走りが滑らかになりました。ポケットラインや鉄コレの動力は、速度を上げれば惰走が見られる程度でした。元々集電の思わしくないポケットライン動力は、ポイント通過時の集電不良が少しはフォローされたようですが心もとないです。調整すればうまくいくのかなぁ?・・・でも基本的にこのあたりより大きなモーターは使用したキャパシタにはオーバースペックでしょう。(低速時でも50〜100mA前後食ってます)

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 手持ちの動力の範囲で言えばこのキャパシタと相性がいいのはBトレとワールドのモーターです。素人考えですが一般にはスロー走行の時の電流が2〜30mA位までのモーターにするのが無難かなと考えています。低電圧のモーターも使えなくはないですが、低速時に電気を切るとガクッと速度が落ちる感じの惰走になります。Cタンクと同じ様な現象ですからもっとシンプルで軽い動力ならうまくいくのかも知れません。当然のようですが、きれいな惰走には動力の抵抗は軽いほうが良いのだなぁ、と感じています。

 ところでキャパシタに頼りたいのはむしろポイント通過の多い入換機であることも多いはず。惰走しすぎて入換運転に使えないのは逆に困ります。この辺はうちではメカ的にスローの効くものなら大丈夫でした。入換速度程度のスローで走っていればちゃんとコントロール可能。惰走しすぎて困るほどの電気は溜まらないと思います。いきなり電気を切ればそれなりに惰走してしまうけれど、ゆっくりスロットルを絞ればちゃんと止まりました。


 次に電源との相性を調べました。パルス電源ではどうなるか?です。

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 まずは破損覚悟で電源を常点灯用のPWM(N-1000-CL相当の20kHz位のパルス電源)に換えて運転して見ましたが、少し発熱の見られるものがありました。Bトレ用、ワールドではほんのり暖かくなる程度でしたが12Vのパルスですから倍以上の定格オーバー。上で使ったシンプルな繋ぎ方での運転はもちろんおすすめしません。心配だったスピードのコントロールは出来ますが、Bトレ動力とCタンクではボリウムを絞っても走ってしまう場合もありました。

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 そういうわけで電圧をカットする回路を試作しました。結構熱の出たポケットラインの動力に繋いで試して発熱を抑えられたのでこれでいいかな〜?と思うのですが、あまり信用しないでください。
 低電圧モーターを使っていた頃のBトレの基盤が、ツェナダイオードを使って電圧をカットするものだったので、キャパシタを足しただけです。抵抗は交換しないとダメだったのですが、適当な手持ちがなかったので電球で代用。素人丸出しのつぎはぎ構成です。テスターでキャパシタの端子間を計ったら最大で6Vでした。定格をちょっとオーバーしていますのでちゃんと部品を買ってきて作りなおします。

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 ツェナ電圧なんかをちゃんと見直せば多分コレで良いんじゃないかと思うのですが・・・鉄道模型に使えそうなキャパシタの保護回路はネット上を探しても見つからず、確認が取れずにちょっと不安です。間違えていたら教えてください。ワールドのモーターの動力につけて長時間、前後進させて使ってみましたがとりあえず発熱、妙な挙動共に見られませんでした。(20kHzと200Hzが混ざったPWM電源でも同様の結果でした)

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 発進時には蓄電の分も電流が流れ込むので時々目玉が光ってカワイイですよ(笑)。



 以上、あくまでも個人での実験です。思い込みや間違い、生半可な知識での記述満載と疑ってかかって下さい。

 あと、前後進切り替えの時は逆の極性で蓄電が始まるわけですが、キャパシタ内に電荷が残っていると良くないという話を聞きます。モーターが止まらないうちから逆転させるようなことは避けるべきですが、それで万全なのかどうかは解りません。全般に逆転時には再び走り始めるまで時間がかかるように感じますが、これは中に残った電荷をクリアしているのかも知れません。本来は禁止されている逆極性での使用です。破損や劣化は覚悟して、ダメになったらすぐ交換できるような構造にするつもりです。

 いろいろ不安は残りますが、小型車の集電不良対策としてこのスーパーキャパシタはなかなか有効です。ワールドのモーターにフライホイール併用の動力での効果を見て、小型車でも大型車に負けない快調な動力が可能と感じました。
 もちろんキャパシタもフライホイールも集電不良が起きた時のフォローをするもので、集電不良を予防するものではありません。むしろ基本はこっちが重要で、車両の集電性能(補重や車輪の接地等)とレールの整備やクリーニングをきちんとしてから使うべきものです。病気になっても良い薬があるからといって健康管理や体力づくりをおろそかにしては本末転倒ですね。

・・・でもやっぱり小型の二軸車は病気にかかりやすいのです(笑)。レールを磨いてもイコライザーをつけても何かの拍子ですぐに止まってしまいますね〜。
 彼らにとってはやはりスーパーキャパシタは期待の持てる新薬です。電気的な制約からの保護回路などが、ちゃんと専門知識をもった方の設計で出てきてくれると非常に助かります。


んで、ここから先はオマケ。

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 とりあえず極性を切り替えて使っても今のところ問題ない?ので心配はいらないのかも知れませんが、前後進で極性を切り替えてもキャパシタの極性を保てるような回路も作って見ました。といいながら少し逆電圧がかかっていますので不完全です。一応ボリウム半分くらいでかっ飛ばし、放電前に前後進を切り替えるという荒っぽい試験を10回ほど繰り返して見ましたが、特に発熱等は見られません。

 放電時には反対側のキャパシタがモーターに直列で入ることもあり、特にスローでは惰走してるのかどうかわからない位です。集電不良をフォローはしてるようなので使えなくは無いですが、最初からフライホイールの併用を考えないと充分に効果が出にくい感じです。そうなるともうゴチャゴチャしすぎ・・・しかしフライホイールをつけたり外したりしてみると、フライホイールをつけて惰走が増える分がどうも慣性力だけでは無い感じです。慣性力だけだと低速運転では電気を切った時にフライホイールは一回転もせず、惰走にまでは至りません。

 そこでちょっと実験。手で持って通電し、蓄電したところで電気を切ります。程々のところでまだ回っているフライホイールを触ると回転が止まりますが、今度はフライホイールを指ではじくと再び回りだすのです。

 キャパシタに止まっているモーターを回すほどの力がなくなっても、その弱った力で回っているモーターを回し続けることは出来る・・・もしかするとフライホイールで止まりにくくしてやれば、弱いキャパシタでも使えるのかも知れないぞ・・・と考えて、回路の方はほっといてこんなことをしてみました。

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 前に失敗した超小型キャパシタ四つ並列にして繋いでみます。ツェナの保護回路につけてますがコレは耐圧3.3Vなので本当はツェナを換えてやらなくてはなりません。早く試したかったので手抜きでそのままつけちゃいました。

で、早速走らせると・・・

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 ふははは!なんだよ程よく惰走するじゃないか。

 まるでフライホイールでキャパシタの性能が引き出されている、逆に言えばフライホイールの回転を非力なキャパシタが支え続ける感じでしょうか。とにかく結構いけますね〜。見かけはひどいけど(笑)。キャパシタ二つでもそこそこ惰走します。
 まだいろいろ工夫が必要かも知れませんが貨車二両繋いで秒速2cmのスローで渡り線もスルスル通過です。フライホイールだけではこうはいきませんし、滑らかさもぜんぜん違います。


 一度はあきらめた超小型キャパシタでもフライホイールの回転補助という感じで役に立ちそう。分散して積めるメリットは大きいです。保護回路の整備をした上でもう少し様子を見てみましょう。


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コメント(4件)

内 容 ニックネーム/日時
こんにちは

私も当日キャパシタ買いましたがこれはいいですね。
3V以上掛けないと効かないみたいなので1.5Vぐらいで効いて大きさが半分ぐらいのが欲しいです。
別の効用として走行中に微細なショートを起こしていると惰行せずいきなり止まるのを発見しました。
まーくん
2009/06/10 22:45
まーくんこんにちわ
 これはよい事を聞きました。ありがとうございます。線路間をショートさせると緊急停止できますね。電球を繋ぐとブレーキになりました。もちろん電源を切って惰走中の話。惰走しすぎて困る時は使えそうです。
 低電圧での使用はモーターによって難しい時もあります。パルス電源だとわりと効きやすい感触はあります。
バラックモデル
2009/06/11 15:07
うっ、いつの間にか更新されている(笑) いや、どうもです。このところあんまりチェックしてなかったもので、すんません。
早速ですが、色々試されている様で参考になります。でもやはり基本は軽く動いてちゃんと集電出来るのが当たり前なんでしょうね。コレ付けたからと云って劇的変わるものでは無いとの事、ウチはまずそこから始めなければいけません(汗)。まっ、取り敢えず一つ買ってみようと思います。
RODEO
2009/06/13 22:57
 RODEOさんこんばんわ。更新遅くなっててすみません(汗)。相変わらずのぐうたらぶりで工作の方がとんと進まずです。といいながら夕べはクワガタ取りに(爆)。しかしながら昆虫の仕組みにも驚愕するところが多々あり、半年メシを食わなくても時期が来ればちゃんと動き出すとかは超高性能キャパシタか!?なんて思います。
 それはともかくこちらのキャパシタもまずBトレ動力など軽いのに繋いでお試しを。単純に楽しいです!
バラックモデル
2009/06/14 01:53

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