Ewolucja modeli kolejowych jako analogia dla przemysłu elektronicznego

Najwcześniejsze modele kolejowe były proste do realizacji, ale miały bardzo ograniczone możliwości. Energię elektryczną doprowadzano do lokomotyw za pośrednictwem szyn torowych, a prędkość silnika kontrolowano poprzez zmianę przyłożonego napięcia (zwykle do 18 woltów prądu stałego). Osiągi silnika były niewielkie przy niższych prędkościach, ponieważ krzywa momentu obrotowego w zależności od napięcia dla silników prądu stałego jest niekorzystna przy niskim napięciu, a zatem silniki i wagoniki zamiast powolnie się poruszać, ciągle się zacinały.

Jeśli zamiast tego zastosowano silnik specjalnie zaprojektowany do pracy z niższym napięciem w celu skompensowania tego niedociągnięcia, brakowało mu mocy potrzebnej do pociągnięcia więcej niż kilku wagoników. Były to jedynie podstawowe pętle prądu stałego bez elektroniki, ale niektórzy zaawansowani hobbyści zaczęli stosować w makietach mechanicznie wyzwalane przełączniki do aktywacji sygnałów, sterowania światłami i symulowania innych realistycznych funkcji.

Gdy stały się dostępne urządzenia półprzewodnikowe, elektronika wkrótce rozwiązała problem sterowania silnikiem przy niskiej prędkości przy użyciu zasilania impulsowego. Zamiast stosowania po prostu niskiego napięcia prądu stałego w celu zmniejszenia prędkości, zastosowano pełne napięcie (lub prawie takie samo) za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM). Dzięki temu silnik działał dobrze przy niskich prędkościach i zapewniał prawie pełny moment obrotowy, ale teraz pojawił się problem drgań silnika. Dostawcy tych zasilaczy PWM prądu stałego rozwiązali ten problem za pomocą różnych schematów adaptacyjnych, modelujących przebieg PWM w zależności od ustawienia przepustnicy.

Ilustracja 1: skierowana do góry fotokomórka umieszczona między szynami stanowi prosty detektor zajętości torów, ale ma również pewne niepożądane właściwości operacyjne. (Źródło ilustracji: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Wraz z wprowadzeniem na rynek zasilaczy z elektroniką, entuzjaści modelarstwa kolejowego zaczęli również używać tranzystorów i elementów optoelektronicznych. Jednym z takich przykładów była detekcja zajętości, wykorzystywana do ustalenia, czy odcinek toru jest w użyciu. Umożliwiło to półautomatyczne sterowanie pociągiem, a także inne funkcje. Powszechnie stosowano kilka technik wykrywania optycznego, każda cechowała się pewnymi niedoskonałościami w zakresie złożoności, wydajności i kosztów.

Najprostsze rozwiązanie wykorzystuje czujniki optyczne i istnieje jego wiele odmian. W wersji podstawowej między torami umieszczono fotokomórkę (ilustracja 1). Jeśli fotokomórka jest zablokowana przez wagonik, spadek sygnału wyjściowego jest wykrywany przez prosty obwód komparatora. Chociaż jest to dość proste, punkt wyzwalania komparatora musi być dostosowany do natężenia światła otoczenia, nieprawidłowe pomiary spowodowane przechodzącymi osobami i innymi działaniami samej makiety mogą powodować fałszywe wyzwalanie.

Lepszą, ale bardziej skomplikowaną metodą jest wykorzystanie diody podczerwieni (IR) zamiast światła otoczenia oraz komplementarnego fototranzystora. W konstrukcjach z trybem wykrywania przerwania, parę urządzeń umieszcza się po przeciwnych stronach toru, a ścieżkę światła blokuje wagonik. W fizycznie prostszej konstrukcji odbiciowej para urządzeń jest umieszczona w jednej obudowie, ale ciemne wagoniki mogą nie odbijać wystarczającej ilości światła z powrotem do fototranzystora. Jak zwykle jest to kompromis pomiędzy prostotą a niezawodnością i łatwością wykonania. Zaawansowane konstrukcje mają nawet modulację sterownika LED, więc nie występują nieprawidłowości spowodowane światłem otoczenia.

Inne schematy detekcji zajętości w ogóle nie wykorzystują optyki, lecz zamiast tego wykorzystują pomiar prądu. W tej metodzie między dwoma normalnie izolowanymi kołami wagonika umieszcza się rezystor upływowy 1kOhm (zestawy kołowe są odizolowane od siebie na osiach, aby zapobiec zwarciu szyn). Pomiarowy przekładnik prądowy i niektóre elementy elektroniczne wykrywają przepływ przez ścieżkę upływu rezystora, wskazując, że na torach znajduje się wagonik. Należy pamiętać, że takie podejście wymaga, aby ogólny układ torów był podzielony elektrycznie na izolowane bloki, aby można było ustalić, gdzie faktycznie znajduje się wykryty wagonik, a nie jedynie sam fakt, że wagonik znajduje się na torach.

Reprezentatywny schemat dwukanałowego detektora zajętości z czujnikiem prądu pokazuje zaawansowanie takiego obwodu (ilustracja 2). Najważniejszym przetwornikiem jest transformator taki jak pomiarowy przekładnik prądowy FIS121NL 1:200 firmy Pulse Electronics stosowany jako T1 i T2, z centralnym otworem umożliwiającym przeprowadzenie przewodu, przez który płynie mierzony prąd.

Ilustracja 2: rozwiązanie z czujnikiem przepływu prądu zależy od prądu przepływającego przez tory przez rezystor upływowy zestawu kołowego. Prąd jest mierzony przez przekładnik prądowy z centralnym otworem. (Źródło ilustracji: Circuitous.ca)

Ta metoda ma swoje wady: każdy wagonik, który ma zostać wykryty, potrzebuje dodatkowego rezystora upływowego, a optymalna wartość dla rezystora stanowi kompromis chociażby między czułością a fałszywym wyzwalaniem, długością toru i powiązanym z tym spadkiem rezystancji wewnętrznej.

Wyjście poza proste układy prądu stałego - tworzenie sieci

W miarę wzrostu liczby i skomplikowania dodatkowych obwodów, ich koszt, złożoność, niekompatybilność i problemy z utrzymaniem przekroczyły poziom opłacalności. Co więcej, nie da się uniknąć problemu przy bezpośrednim zasilaniu silników z szyn torowych: każdy silnik dostaje to samo napięcie, więc nie można nimi indywidualnie sterować.

Jedynym praktycznym rozwiązaniem opartym na prądzie stałym jest fizyczne podzielenie toru na elektrycznie izolowane bloki i użycie wielu zespołów zasilających, po jednym na silnik. Gdy lokomotywa przesuwa się z jednego bloku do drugiego, operator makiety musi również przełączyć sterujące zasilanie. Jeśli w tym samym czasie działają więcej niż dwie lub trzy lokomotywy, ich obsługa staje się frustrująca i męcząca; istnieją wprawdzie pewne półautomatyczne programy, ale są one nieelastyczne, skomplikowane i kosztowne.

Na szczęście wyjściem okazały się układy scalone i sterowanie zasilaniem na chipie (MOSFET). W połowie lat 90. National Model Railroad Association (NMRA) i sprzedawcy przemysłowi stworzyli otwarty standard o nazwie Digital Command Control (DCC), który wprowadził modelarstwo kolejowe do świata tworzenia sieci kolejowych. Dzięki DCC do torów zawsze jest doprowadzane pełne zasilanie, a każdej lokomotywie przypisany jest identyfikator stanowiący węzeł sieci. Na tor są wysyłane zakodowane sygnały wskazując, jakie zasilanie należy dostarczyć do silnika o danym identyfikatorze za pomocą wbudowanego układu scalonego sterowania silnika o natężeniu około 1 ampera (A). Standard DCC szybko się przyjął, ponieważ rozwiązał cały szereg problemów i działał z urządzeniami wszystkich dostawców, podobnie jak Wi-Fi. Lokomotywy stanowią węzły sieci, z których każda otrzymuje instrukcje za pośrednictwem szyn funkcjonujących jako szyna danych.

Wkrótce rola DCC rozszerzyła się znacznie poza kontrolę prędkości lokomotywy. W układach scalonych zamontowanych na pokładzie wraz z niewielkimi głośnikami zaprogramowano efekty dźwiękowe, sterowane poleceniami DCC. Istnieją również kompatybilne z DCC silniki do ustawiania rozjazdów torów (zwane również zwrotnicami) i inne funkcje, co jest możliwe dzięki specjalnym układom scalonym dekodera DCC i unikalnym identyfikatorom węzłów. System DCC jest obecnie używany w zdecydowanej większości układów i stał się systemem niemalże z rodzaju „plug-and-play”. Umożliwia także obsługę makiety za pomocą komputera PC lub nawet smartfona, ze wstępnie skonfigurowanymi scenariuszami operacyjnymi i automatycznymi sekwencjami przełączania.

Nieustający problem - przerwy w zasilaniu

Podobnie jak większość sieci, system DCC ma jedną poważną wadę: nie działa po odcięciu zasilania. Mogą wystąpić krótkie, ale powodujące przestój przerwy w dopływie prądu stałego do dekodera, a tym samym do silnika, spowodowane różnymi kwestiami: szczelinami w torach, powodującymi izolację bloków torowych, szczelinami w miejscach, w których polaryzacja musi być przełączana „w locie” na odwróconych pętlach w przecinających się szynach (ilustracja 3), szczelinami w ciągłości fizycznej toru w rozjazdach czy też przerwaniem kontaktu między kołami a torem. Przy niskich prędkościach może nie być wystarczającego rozpędu, aby wagonik mógł przejechać przez szczelinę, a może być nawet konieczna interwencja ręczna.

Ilustracja 3: odwrócona pętla jest nieuniknionym aspektem wykorzystania dwóch szyn toru do dostarczania zasilania i występuje, gdy tor zapętla się z powrotem - pętla musi być izolowana, a biegunowość zasilania głównego toru odwrócona przez przełącznik DPDT, gdy pociąg przejeżdża przez pętlę. (Źródło ilustracji: The Spruce Crafts)

Po raz kolejny nowoczesne komponenty oferują rozwiązanie problemu. Podłączając kilka superkondensatorów szeregowo w celu zapewnienia zasilania około 20-25 woltów i umieszczając taki zestaw na pokładzie, można uzyskać podtrzymanie zasilania w czasie przejazdu przez „martwą strefę”. Superkondensatory są stale ładowane przez szyny, zapewniając proste, ale skuteczne rozwiązanie (ilustracja 4). Dobrym wyborem superkondensatora jest kondensator 10mF, 5,5V FM0H103ZF firmy Kemet. Zastosowanie pięciu sztuk w szeregu zapewnia wystarczające napięcie stałe i energię przewodzenia, aby zasilić typową lokomotywę skali HO (1:87) przez jedną do dwóch sekund.

Ilustracja 4: zazwyczaj szereg superkondensatorów połączonych równolegle z przyłączami zasilania układu sterowania silnika może zapewnić zasilanie rezerwowe dla silnika podczas przejazdu przez szczelinę w szynach zasilania. Rzeczywiste wartości pojemności mogą się różnić w zależności od pożądanego czasu podtrzymania zasilania. (Źródło ilustracji: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Rozwiązanie to cechuje jednak pewien problem: zwykle w modelach lokomotyw spalinowych w małych i średnich skalach takich jak O (1:48) nie ma miejsca nawet na niewielkie superkondensatory, a na pewno nie ma na nie miejsca w mniejszych skalach HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) lub Z (1:220). Jednak takie superkondensatory podtrzymujące zasilanie można wykorzystać w modelach staromodnych lokomotyw parowych, ponieważ mają one dodatkowy wagon na drewno lub węgiel (tender), w którym można umieścić kondensatory.

Co dalej? Zasilanie bez torów

Łatwo jest założyć, że dostarczanie zasilania do lokomotyw jest proste. Przecież mamy tu dwie szyny, które mogą być również wykorzystane jako szyny zasilające, a także do przesyłania zakodowanych danych w systemie DCC. Jednak w rzeczywistości niezawodne dostarczanie energii za pośrednictwem tych szyn często stanowi problem z powodów przytoczonych wcześniej.

I znów udoskonalenia podstawowych komponentów elektrycznych umożliwiają wykorzystanie innowacyjnych alternatyw. Zamiast czerpać energię z szyn, co by się stało, gdybyśmy mogli przenieść potrzebne zasilanie na pokładzie za pomocą akumulatorów? Nagle znikają wszystkie problemy związane z używaniem torów do dostarczania mocy. Są modelarze, którzy zrobili to w większych skalach, takich jak G (1:24), która jest często używana do zewnętrznych makiet „ogrodowych”. Jest to środowisko, w którym tory zasilające są szczególnie kłopotliwe z powodu rdzy, korozji, liści, trawy i innych przeszkód.

Jak więc kontrolować silniki, jeśli nie istnieje połączenie przewodowe? Można wykorzystać moduł łączności bezprzewodowej krótkiego zasięgu, który posiada dekoder DCC z interfejsem RF zamiast połączenia DCC z szyną. Wszystkie potrzebne moduły są dostępne jako standardowe, gotowe produkty u specjalnych dostawców, a standardowa instalacja trwa od 20 do 30 minut.

W miarę ulepszania właściwości akumulatorów zasilanie pokładowe może stać się opłacalne w bardzo popularnych mniejszych skalach. To byłaby prawdziwa rewolucja w modelarstwie kolejowym, tak wielka, jak samo wprowadzenie DCC. Ze zwiększonej gęstości energii w akumulatorach skorzystają nie tylko pojazdy elektryczne (EV). Jak wielokrotnie widzieliśmy, postępy w dobrze zdefiniowanym obszarze docelowym często zapewniają korzyści w niepowiązanych zastosowaniach.

Źródła i materiały dodatkowe:

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, „Printed circuit board” https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

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