PWM制御と電圧制御切替式パワーパックをつくる

秋月電子から出ているロングセラーの電子組み立てキットで、ＰＷＭ（スイッチング方式）ＤＣモーター速度可変キットがあります。これは12Ｖの電源がそのまま使えるので、鉄道模型のパワーパックの制御回路としても好適です。

私も以前このキットを購入してＰＷＭ制御のパワーパックとして使っていましたが、今回Desktop stationさんのピュアアナログアダプターの互換基板(ノラ版）を付加して、PWM制御と電圧制御を切り替えて使えるパワーパックに仕立て直しました。

以前は、電池ボックス内蔵のケースに入れていましたが、かさばるのと最近は乾電池より、携帯用のモバイルバッテリーから電圧昇圧ケーブルで電源をとることが多いので、今回は電源は内蔵していません。ショート対策も電源の方の保護回路が働くようなので、今回は省略しました。

なおキットは下記のように改造しています。
ボリュームは基板上のボリュームは使わず、スイッチつきボリュームを外付けにしました。
PWM周波数が約10kHzで少し耳障りなのと、コアレスモーターには周波数が低くて不適当なので、約30kHzに変更してあります。これはキットのC1コンデンサーを1000pFから330pFに交換してタイマーICの発振周波数を変更しました。
またこのキットは、PWMのデューティー比が2-99％の可変で、0％にはなりません。キット説明書にはモーター制御では問題ないと書かれていますが、小型のコアレスでは回転が停止しないこともあるので、R1とR2-FETゲートの間にスイッチを入れてオンオフすることにより、0％出力になるようにしました。このスイッチは、スイッチつきボリュームを使って、ボリュームが最小のときオフになるようにしています。

秋月電子のキット説明書より引用　追加注記

ピュアアナログアダプターは純正どおりの回路をユニバーサル基板上に組みました。ただチョークコイルの距離はもう少し離した方がよいかもしれません。

タカチのアルミケースに納めました。左の基板が秋月のキット、右端の基板がピュアアナログアダプターの基板です。

左のトグルスイッチが、中立オフつきの前後進切替用です。

右の4回路２接点のトグルスイッチが、PWM制御と電圧制御の切替用です。上側に倒すと走行電流がピュアアナログアダプターを経由して平滑直流に変換して出力され、下側に倒すとバイパスしたPWM電流が出力されます。

出力電圧の波形を簡易オシロスコープで観察してみました。

PWM制御方式の電圧波形です

電圧制御方式の電圧波形です。元のPWM波形が歪んでいるためかノイズが混入しています。

簡易オシロをiPhone手持ちで撮影したので動画が揺れて申しわけありません

電圧制御といっても、トランジスタやFETを使って降圧しているわけではありません。PWM制御の方形波の直流電圧に強いローパスフィルタをかけて、平滑な直流に変換しています。トランジスタなどで降圧すると、抵抗制御とおなじように下げた電圧分の電力を熱で放出してエネルギー浪費しますが、このフィルタ方式だとその無駄ありません。といっても効率は100％にはなりませんが、バッテリーの保ちはかなり違うはずです（まだ条件を揃えた実験していないので、エビデンスがありません）