Utviklingen av modelljernbane som forgjenger for elektronikkindustrien

De tidligste modelljernbanene var enkle å implementere, men hadde begrenset ytelse. Elektrisk kraft ble forsynt til lokomotivene via skinnesporene, og hastigheten til motorvognen ble justert ved å variere spenningen (vanligvis opptil 18 volt likestrøm). Ytelsen til motorvognen var marginal ved lavere hastigheter, fordi kurven for dreiemoment/spenning for likestrømsmotorer er svak ved lav spenning, så motorvogner og tog opplevde start-og-stopp-rykking i stedet for å krype sakte.

Hvis en motorvogn som var spesiallaget for lavere spenning ble brukt i stedet for å kompensere for denne svakheten, manglet den kraften som var nødvendig for å trekke mer enn noen få vogner. Alt var bare grunnleggende likestrømssløyfer uten noen form for elektronikk, men noen avanserte hobbykonstruktører benyttet seg av mekanisk utløsbare kontaktbrytere på modellayouten til å aktivere signaler, kontrollere lys og skape andre realistiske handlinger.

Etter hvert som faststoffenheter (solid state device) ble mer tilgjengelige, tok det ikke lang tid før elektronikk løste problemet med motorstyring lav hastighet ved å bruke pulserende kraft. I stedet for å bruke enkel likestrøm med lav spenning for lave hastigheter, ble den fulle spenningen (eller tilnærmet) påført ved å bruke pulsbreddemodulasjon (PWM). På denne måten fungerte motorvognen bra ved lave hastigheter og ga nesten fullt dreiemoment, men nå dukket problemer med risting og vibrasjoner opp. Leverandører av disse PWM-likestrømspakkene tok fatt på dette problemet ved å bruke forskjellige adaptive systemer som formet og forskjøv PWM-bølgeformen avhengig av hvor mye gass som ble gitt.

Figur 1: En oppovervendt fotocelle som er plassert mellom skinnene er hovedelementet i en sensor som detekterer nærvær på skinner, men den har også noen uønskede egenskaper under drift. (Bildekilde: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Kombinert med leverandørers bruk av elektronikk i strømforsyningsenheter, begynte også modelljernbaneentusiaster (hobbykonstruktører) å bruke transistorer og elektrooptiske komponenter i layouten. Et slikt eksempel var detektering av nærvær, som ble brukt til å fastsette om en del av skinnesporet var i bruk. Dette muliggjorde halvautomatisk togstyring så vel som andre funksjoner. Flere optiske deteksjonsteknikker ble ofte brukt, hver med sine egne svakheter når det kom til kompleksitet, ytelse og pris.

Den enkleste teknikken bruker optiske sensorer, og det er mange varianter av denne tilnærmingen. I den grunnleggende versjonen ble en fotocelle gravd ned mellom sporene (figur 1). Hvis fotocellen blokkeres av en vogn, registreres utgangsfallet av en enkel komparatorkrets. Selv om dette er ganske ukomplisert, må komparatorens utløserpunkt være justert med hensyn til den omgivende lysintensiteten, og variasjoner som oppstår når folk beveger seg rundt og annen layoutaktivitet kan forårsake falsk utløsing.

En bedre, men mer komplisert fremgansmåte innebærer å bruker en infrarød (IR) lysdiode i stedet for omgivelseslys og en komplementær fototransistor. I konstruksjoner med transmisjonsmodus plasseres paret på motsatte sider av sporet, der lysbanen blokkeres av eventuelle vogner. I implementeringen som bruker refleksjonsmodus, som er en fysisk enklere konstruksjon, plasseres paret i ett enkelt hus, men det kan hende mørke vogner ikke reflekterer nok lys tilbake til fototransistoren. Dette er som vanlig et kompromiss mellom enkelhet kontra konsistens og enkel gjennomføring. Avanserte konstruksjoner modulerer til og med lysdiodedriveren slik at det ikke er noen forvirring på grunn av omgivende lys.

Andre systemer for nærværsdeteksjon bruker ikke optikk i det hele tatt, men i stedet strømføling. I denne metoden festes en avledningsmotstand i kiloohm-området mellom de to normalt isolerte hjulene på transportvognen (hjulsett er isolert fra hverandre på akslene for å forhindre kortslutning av skinnene). En strømfølende transformator og litt elektronikk føler strømmen gjennom motstandens krypestrømvei, noe som angir at en vogn er på sporet. Legg merke til at denne tilnærmingen krever at det generelle layoutsporet må deles opp elektrisk i isolerte blokker, slik at du vet hvor den detekterte vognen faktisk er, utover at det faktisk er en vogn på sporet.

Et representativt skjema over en to-kanals strømfølende blokk for nærværsdeteksjon viser kretsens sofistikasjon (figur 2). Den kritiske transduseren er en transformator, slik som den strømfølende transformatoren Pulse Electronics FIS121NL 1: 200 som brukes for T1 og T2, der senterhullet gir en bane for ledningen som fører strømmen som skal avføles.

Figur 2: Tilnærmingsmåten med strømføring er avhengig av en vedlikeholdsstrøm som beveger seg over sporene gjennom en avledningsmotstand på hjulsettet. Strømmen blir avfølt av en strømtransformator med et senterhull. (Bildekilde: Circuitous.ca)

Denne metoden har sine egne ulemper: Hver vogn som skal avføles må ha avledningsmotstanden montert, og den optimale verdien for avledningsmotstanden er et kompromiss mellom følsomhet og falsk utløsning, sporets lengde og det tilhørende IR-fallet, i tillegg til andre faktorer.

Mer avansert enn enkel likestrøm: nettverkstilkobling

Etter hvert som de mange tilleggskretsene vokste i antall og finesse, nådde kostnadene, kompleksiteten, inkompatibiliteten og vedlikeholdet et uholdbart nivå. Det er også et uunngåelig problem når du driver motorvogner direkte fra skinnesporene: Alle lokomotiver ser den samme spenningen, så de er ikke individuelt kontrollerbare.

Den eneste praktiske likestrømsbaserte løsningen er å fysisk dele opp sporet i elektrisk isolerte blokker og bruke flere strømforsyningsenheter, én per motor. Når lokomotivet beveger seg fra en blokk til den neste, må layoutoperatøren også veksle strømforsyningsenheten for styring. Når det er mer enn to eller tre lokomotiver i drift samtidig, kan det være frustrerende og slitsomt å holde styring. Det finnes noen delvis automatiserte systemer, men disse er umedgjørlige, kompliserte og kostbare.

Heldigvis tilbød IC-er og integrert strømstyring (MOSFET-er) en vei ut. På midten av 1990-tallet etablerte National Model Railroad Association (NMRA) og industrileverandører en åpen standard kalt Digital Command Control (DCC), som bragte modelljernbanen inn i den nettverkstilkoblede verdenen. Med DCC tilføres alltid full kraft til sporet, og hvert individuelle lokomotiv tildeles en ID som en nettverksnode. Kodede signaler sendes på sporet, som angir hvor mye strøm som skal leveres til motoren med den ID-en via en IC med innebygd motorstyring, som har en kapasitet på ca. 1 ampere (A). DCC ble raskt en del av modelljernbanen fordi det løste et genuint sett med problemer og fungerte på tvers av alle leverandører, på samme måte som Wi-Fi. Lokomotivene var nettverksnoder, der hvert av disse mottok instruksjoner via skinnene, som fungerte som databuss.

Det gikk ikke lenge før DCC-rollen utvidet seg utover hastighetsstyring av lokomotiver. Lydeffekter ble programmert på IC-er montert på kretskort, sammen med bittesmå høyttalere, der disse ble styrt av DCC-kommandoer. DCC-kompatible motorvogner er også tilgjengelige for innstilling av sporvekslere og andre ikke-lokomotivrelaterte funksjoner, alt muliggjort av spesialiserte IC-er for DCC-dekoding og unike node-ID-er. DCC brukes nå i de aller fleste layouter, og har utviklet seg til å være et tilnærmet «plug-and-play»-system. Det muliggjør også drift av layouten via en datamaskin eller smarttelefon, med forhåndsinnstilte driftsscenarier og automatiserte vekslingssekvenser.

Strømavbrudd er fremdeles et problem

DCC har en stor svakhet, i likhet med andre nettverk: Det fungerer ikke når strømmen er av. Det kan oppstå et kort, men alvorlig tap av likestrøm til dekoderen, og dermed motorvognen, på grunn av flere forskjellige årsaker: åpninger i sporet som isolerer sporets driftsblokker; åpninger der polariteten må veksles «på farten» på grunn av omvendte sløyfer mens skinnene krysser seg selv (figur 3); åpninger i sporets fysiske kontinuitet ved kryss-spissen til en sporveksler; og vekselsvis kontakt mellom hjulene og sporet. Ved lave hastigheter er det ikke engang sikkert at det er nok moment til å rulle over åpningen, så manuell inngripen (en dytt) kan i noen tilfeller være nødvendig.

Figur 3: Den omvendte sløyfen er umulig å unngå når de to skinnesporene for strømforsyning benyttes, og dette oppstår når sporet sløyfes tilbake til seg selv. Sløyfen må isoleres og hovedsporets polaritet må reverseres av en DPDT-bryter mens toget befinner seg i sløyfen. (Bildekilde: The Spruce Crafts)

Moderne komponenter tilbyr nok en gang en løsning på problemet. Ved å koble noen få superkondensatorer i serie for å gi omtrent 20 til 25 volt på utgangen og integrere kraftpakken/strømforsyningsenheten, kan de levere kontinuerlig (også kalt «stay-alive») strøm gjennom «dødsonen». Superkondensatorene lades kontinuerlig via skinnene, noe som gir en enkel, men effektiv løsning (figur 4). Et mulig valg av superkondensator er Kemet FM0H103ZF, en enhet på 10 millifarad (mF) og 5,5 volt; som bruker fem i serie for å sikre nok likespenning og gjennomføringsstrøm til å støtte et typisk HO (1:87)-lokomotiv i ett til to sekunder.

Figur 4: Vanligvis kan en serie med superkondensatorer, som er plassert parallelt med strømtilkoblingene til IC-en for motorstyring, forsyne reservekraft til motoren når den krysser en åpning på de strømsatte skinnene. Faktiske kapasitansverdier kan variere basert på ønsket tidsrom for reservekraft. (Bildekilde: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Det er ett problem med denne løsningen: Det er vanligvis ikke plass til selv små superkondensatorer i små til mellomstore dieselmodellokomotiver, for eksempel O (1:48), og det er definitivt ikke plass i mindre skalaer som HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) eller Z (1:220). Gammeldagse damplokomotivmodeller bruker imidlertid disse kontinuerlige («keep-alive») superkondensator-pakkene siden de har den tilhørende tender-tilhengervognen (for tre eller kull i det virkelige liv), som kan brukes som et oppbevaringssted for disse.

Neste: Strøm uten spor

Det er fort gjort å anta at det er enkelt å levere strøm til lokomotivene. Man har jo tross alt de to veldig konkrete skinnenesporene som også kan brukes som strømledere, så vel som å levere kodede data i et DCC-system. Realiteten er imidlertid at pålitelig strømforsyning via disse skinnene ofte er et pågående problem, av grunner vi tidligere nevnte.

Forbedringer i grunnleggende elektriske komponenter legger til rette for innovative alternativer. I stedet for å trekke strøm fra disse skinnene, hva om du kunne transportere den nødvendige kraften ombord via oppladbare batterier? Da vil alle av de mange problemene forbundet med bruk av spor for strømforsyning plutselig forsvinne. Det er noen modellmakere som har gjort dette på de større modellene som G (1:24), som ofte brukes i utendørs layouter. Dette er et miljø hvor jernbanebaserte kraftbaner er spesielt plagsomme på grunn av rust, korrosjon, blader, gress og andre hindringer.

Så hvordan kontrollerer du motorene hvis det ikke er noen kablet sporforbindelse? Bruk en trådløs koblingsmodul for korte avstander som har en innebygd DCC-dekoder med en RF-front i stedet for den skinnesporbaserte DCC-banen. Alle nødvendige moduler er tilgjengelige som standard leveringsklare varer fra spesialleverandører, og en typisk installasjon har en kjøretid på 20 til 30 minutter.

Etter hvert som batterier forbedres, kan innebygd strømforsyning være et godt alternativ for de veldig populære enhetene i småskala. Dette ville vært et like dramatisk paradigmeskifte for modelljernbanen som DCC-teknologien har vist seg å være. Det er ikke bare elektriske kjøretøyer (EV-er) som vil dra nytte av økt batteritetthet. Slik vi har sett mange ganger før, muliggjør fremskritt i et veldefinert målområde ofte fordeler i ikke-relaterte bruksområder.

Referanser og videre lesning:

1: National Model Railway Association, «Beginners guide to Command Control and DCC»; https://www.nmra.org/beginners-guide-command-control-and-dcc

2: Wikipedia, «DCC Tutorial (Basic System)»; https://dccwiki.com/DCC_Tutorial_(Basic_System)

3: Wikipedia, «Digital Command Control»; https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Command_Control

4: Azatrax, «Model Railroad Infrared Train Detection»; http://www.azatrax.com/ir-model-train-detector.html

5: Circuitous.ca, «Block Occupancy Detector For DCC»; http://www.circuitous.ca/DccBODvt5.html

6: Model Railroader Hobbyist Magazine, «Build an optical detector circuit»; https://model-railroad-hobbyist.com/node/23535

7: Kalmbach Media, «Model Railroader»; https://mrr.trains.com/

8: Iowa Scaled Engineering, LLC, «2018 Optical Detector Roundup»; https://www.iascaled.com/blog/2018-optical-detector-roundup/

9: Model Railroader, «Keep Alive Circuit For Passenger Car Lighting»; http://cs.trains.com/mrr/f/744/p/268873/3047228.aspx

10: Model Railroad Hobbyist Magazine, «Build your own stay alive»; https://model-railroad-hobbyist.com/magazine/mrh2019-06/electrical-impulses

11: The Spruce Crafts, «How to Build and Wire Reverse Loops for Model Trains»; https://www.thesprucecrafts.com/reverse-loops-model-trains-2382604