Udviklingen af modeljernbane (hobby) som proxy for elektronikindustrien

De tidligste modeljernbaner var enkle i implementeringen men begrænsede i ydeevnen. Elektrisk kraft blev ført til lokomotiverne gennem skinnerne, og motorens hastighed blev kontrolleret ved at variere den anvendte spænding (typisk op til 18 volt DC). Motorens ydelse var marginal ved lavere hastigheder, da forholdet mellem drejningsmoment og spænding for jævnstrømsmotorer er dårligt ved lav spænding, og motorer og tog ville derfor bevæge sig fremad i stød i stedet for at bevæge sig jævnt fremad ved lav hastighed.

Hvis en motor, der specifikt blev designet til lavere spænding, blev brugt i stedet, for at kompensere for denne mangel, så manglede den styrken til at trække mere end et par vogne. Det var altsammen grundlæggende DC-sløjfer, og der var ingen elektronik, men nogle avancerede hobbyister brugte mekanisk udløste kontakter på modellayoutet til at aktivere signaler, kontrollys og til at skabe andre realistiske effekter.

Efterhånden som solid state-enheder blev tilgængelige, løste elektronikken snart motorens styringsproblem ved lav hastighed ved hjælp af pulserende strøm. I stedet for at bruge simpel lav DC-spænding til lave hastigheder, blev den fulde spænding (eller næsten fulde) påført ved hjælp af pulsbreddemodulering (PWM). Således fungerede motoren godt ved lave hastigheder og leverede næsten fuldt drejningsmoment, men nu blev høje lyde og vibrationer nye problemer. Sælgere af disse PWM DC-strømpakker løste dette problem med forskellige adaptive initiativer, der formede og skiftede PWM-bølgeformen afhængigt af indstillingerne af gashåndtaget.

Figur 1: En opadvendt fotocelle placeret mellem sporene er kernen i en simpel tilstedeværelsesdetektor, men den har også nogle uønskede driftskarakterstikker. (Billedkilde: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Sammen med sælgernes brug af elektronik i strømpakken, begyndte jernbane-entusiaster (hobbyister) også at bruge transistorer og elektro-optiske komponenter på layoutet. Et sådant eksempel var tilstedeværelsesdetektion, som blev brugt til at bestemme, om en del af jernbanen var i brug. Dette muliggjorde halvautomatisk togkontrol såvel som andre funktioner. Adskillige optiske detektionsteknikker blev almindeligt anvendt, hver med afvejninger for kompleksitet, ydeevne og omkostninger.

Den enkleste teknik bruger optiske sensorer, og der er mange variationer af denne tilgang. I den grundlæggende version blev en fotocelle begravet mellem sporene (figur 1). Hvis fotocellen blokeres af en togvogn, registreres dens udgangsfald af et simpelt komparatorkredsløb. Selvom dette er temmelig ligetil, skal komparatorens aktiveringspunkt være afstemt for den omgivende lysintensitet, og variationer fra mennesker, der bevæger sig omkring og anden layoutaktivitet, der kan forårsage falsk udløsning.

En bedre, men mere kompliceret metode bruger en infrarød (IR) LED snarere end omgivende lys og en komplementær fototransistor. I design der udnytter transmissionstilstanden placeres parret på modsatte sider af sporet således at lysstien blokeres af en passerende jernbanevogn; I den fysisk enklere implementering af en refleksionstilstand placeres parret i et enkelt hus, men mørke vogne reflekterer muligvis ikke nok lys tilbage for fototransistoren. Som sædvanligt er det en afvejning mellem enkelhed og pålidelighed samt, hvor let det er at implementere. Avanceret design modulerer endda LED-driverene, så der ikke er nogen forvirring med hensyn til det omgivende lys.

Andre ordninger for detektering af tilstedeværelse bruger overhovedet ikke optik, men bruger i stedet strømregistrering. I denne metode fastgøres en bleeder-modstand af kilo-ohm størrelse mellem de to normalt isolerede hjul på vognens hjulsæt (hjulsæt er isoleret fra hinanden ved deres aksler for at forhindre kortslutning af skinnerne). En transformere til strømregistrering og noget elektronik måler strømmen gennem modstandens lækagesti, hvilket indikerer at en vogn er på sporene. Bemærk, at denne tilgang kræver, at det samlede sporlayout skal opdeles elektrisk i isolerede blokke, så du ved, hvor den registrerede togvogn faktisk er, ud over det faktum, at der er en togvogn på sporene.

Et repræsentativt skematisk billede af en dobbeltkanal strømmålende tilstedeværelsesdetektor viser kredsløbets raffinement (figur 2). Den kritiske transducer er en transformer såsom Pulse Electronics FIS121NL 1:200 strømmålertransformeren der bruges til T1 og T2, med dets midterste hul til at tilvejebringe en sti for den ledning, der bærer strømmen, der registreres.

Figur 2: Tilgangen med strømmåling afhænger af et lille kontinuerligt flow af strøm hen over sporene gennem en hjulsæts bleeder-modstand. Strømmen registreres af en strømtransformator med et centerhul. (Billedkilde: Circuitous.ca)

Denne metode har sine egne ulemper: hver togvogn, der skal måles, har brug for den tilføjede bleeder-modstand, og den optimale værdi for bleederen er et kompromis mellem følsomhed og falsk udløsning, sporets længde og det tilhørende IR-fald, blandt andre faktorer.

Gå videre end enkelt DC: opret et netværk

Efterhånden som de mange tilføjelseskredsløb voksede i antal og raffinement, nåede deres omkostninger, kompleksitet, inkompatibilitet og vedligeholdelsesproblemer et uholdbart niveau. Der er endvidere et uundgåeligt problem, når man direkte driver motorer fra skinnerne: hver motor ser den samme spænding, så de kan ikke kontrolleres individuelt.

Den eneste praktiske DC-baserede løsning er fysisk at opdele banen i elektrisk isolerede blokke og bruge flere strømforsyninger med en pr. motor. Når det givne lokomotiv bevæger sig fra den ene blok til den næste, er layoutoperatøren også nødt til at skifte sin kontrolpakke. Når der er mere end to eller tre lokomotiver, der opererer på samme tid, bliver styringen frustrerende og trættende; der er nogle halvautomatiserede ordninger, men disse er ufleksible, komplicerede og dyre.

Heldigvis tilbød IC'er og on-chip strømstyring (MOSFET'er) en udvej. I midten af 1990'erne etablerede National Model Railroad Association (NMRA) og industrihandlere en åben standard kaldet Digital Command Control (DCC), der bragte modeljernbanerne ind i netværksverdnen. Med DCC leveres der altid fuld strøm til sporet, og hvert lokomotiv tildeles et ID som et netværksknudepunkt. Kodede signaler sendes på banen, der angiver, hvor meget strøm der skal leveres til motoren ved det ID gennem en indlejret motorstyrings-IC med en kapacitet på cirka 1 ampere (A). DCC blev hurtigt populært, da det løste et ægte sæt problemer og fungerede på tværs af alle leverandører, ligesom Wi-Fi. Lokomotiverne var netværksnoder, hvor hver fik sine instruktioner gennem skinnerne, der fungerede som en databus.

Snart udvidede DCC-rollen sig langt ud over hastighedskontrol af lokomotiver. Lydeffekter blev programmeret ind i IC'er monteret ombord, sammen med små højttalere, alle kontrolleret af DCC-kommandoer. Der er også DCC-kompatible motorer til indstilling af sporskift og andre ikke-motive funktioner, alt muliggjort af specialiserede DCC-dekoder IC'er og unikke knudepunks-ID'er. DCC bruges nu i langt de fleste layouts, og det er modnet til næsten at være et ”plug-and-play”-system. Det tillader også drift af layoutet via en pc eller endda en smartphone med forudindstillede driftsscenarier og automatiserede sporskiftesekvenser.

Strømafbrydelse er stadig et problem

Som de fleste netværk har DCC en stor svaghed: den fungerer ikke, når strømmen er afbrudt. Der kan være et kort, men ødelæggende tab af jævnstrøm til dekoderen og dermed til motoren på grund af forskellige årsager: sporhuller, der isolerer sporets driftsblokke; mellemrum, hvor polaritet skal skiftes ”på farten” på grund af omvendte løkker, hvor skinnerne krydser sig selv (figur 3); huller i sporets fysiske kontinuitet ved ”hjertestykket” af et sporskifte; og intermitterende kontakt mellem hjulene og sporet. Ved lave hastigheder er der muligvis ikke engang momentum til at krydse over mellemrummet, og manuel indgriben (et skub) kan endda være nødvendigt.

Figur 3: Den omvendte sløjfe er et uundgåeligt aspekt ved anvendelse af de to baneskinner til strømforsyning og opstår, når sporet løber tilbage på sig selv; løkken skal isoleres, og hovedsporets strømpolaritet vendes med en DPDT-kontakt, mens toget er i løkken. (billedkilde: The Spruce Crafts)

Igen tilbyder moderne komponenter en løsning på problemet. Ved at tilslutte nogle få superkondensatorer i serie for at give cirka 20 til 25 volt udgang og placere pakken ombord, giver de "hold i live"-strøm gennem den "døde zone". Superkondensatorerne oplades kontinuerligt gennem skinnerne, hvilket giver en enkel, men effektiv løsning (figur 4). Et godt valg for superkondensatorer er Kemet FM0H103ZF, en 10 millifarad (mF), 5,5 volt enhed; Brug af fem i serie sikrer tilstrækkelig jævnspænding og gennemløbsenergi til at understøtte et typisk HO (1:87) lokomotiv i et til to sekunder.

Figur 4: En serie af superkondensatorer, der er placeret parallelt med motorstyring-IC’ens strømforbindelser, kan typisk give backup-strøm til motoren, mens den krydser et mellemrum i strømskinnerne. Faktiske værdier for kapacitans kan variere baseret på den ønskede backuptid. (Billedkilde: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Der er et problem med denne løsning: der er normalt ikke plads til selv små superkondensatorer i modeller af diesellokomotiver i små til mellemstore størrelser som O (1:48), og bestemt ikke plads ved mindre skalaer HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) eller Z (1:220). Gammeldags damplokomotivmodeller kan dog bruge disse superkondensatorers ”hold i live”-pakker, da de har deres tilhørende tender (til træ eller kul i det virkelige liv), hvilket giver dem et sted at være.

Næste: strøm uden spor

Det er let at antage, at det er enkelt at levere strøm til lokomotiver. Når alt kommer til alt er der de to meget konkrete jernbaneskinner, som også kan bruges som strømskinner samt til kodede datapakker i et DCC-system. Realiteten er imidlertid, at pålideligt levering af strøm gennem disse skinner ofte er et løbende problem af de tidligere nævnte grunde.

Endnu en gang muliggør forbedringer af grundlæggende elektriske komponenter innovative alternativer. I stedet for at trække strøm fra disse sporskinner, hvad nu hvis du kunne bære den nødvendige strøm ombord via genopladelige batterier? Pludselig forsvinder alle de mange problemer, der er forbundet med at bruge spor til strømforsyning. Der er nogle modelmagere, der har gjort dette ved de større modelskalaer som G (1:24), der ofte bruges til udvendige have-layouts; det er et miljø, hvor jernbanebaserede strømstier er særligt besværlige på grund af rust, korrosion, blade, græs og andre forhindringer.

Så hvordan styrer du motorerne, hvis der ikke er nogen kabelforbundet sporforbindelse? Brug et trådløst linkmodul med kort rækkevidde, der integrerer en DCC-dekoder med en RF-frontend i stedet for den jernbanebaserede DCC-sti. Alle de nødvendige moduler er tilgængelige som standardelementer fra specialleverandører, og en typisk installation har en køretid på 20 til 30 minutter.

Efterhånden som batterier bliver bedre, kan strøm ombord blive levedygtig i de meget populære mindre skalaer. Dette ville virkelig være et paradigmeskift for modeljernbaner, der er ligeså dramatisk som DCC har været. Det er ikke kun elektriske køretøjer (EV’er), der drager fordel af øget energitæthed i batterier. Som vi har set mange gange, giver fremskridt inden for et veldefineret målområde ofte fordele i ikke-relaterede applikationer.

Referencer og videre læsning:

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