Modelljärnvägarnas utveckling som föregångare för elektronikindustrin

De tidigaste varianterna av modelljärnvägar hade en enkel konstruktion men också begränsade prestanda. Elkraft till loken matades via järnvägsspåren, och motorvarvtalet styrdes genom att variera spänningen (som normalt var upp till 18 VDC). Motorn hade marginella prestanda vid lägre hastigheter eftersom vridmoment-spänningskurvan för likströmsmotorer är ganska dålig vid lägre spänningar. Det innebär att motordrivningen blev något ”ryckig”, så att tåget rörde sig stötvis framåt i stället för att ha en jämn gång.

Om man använde en specialdesignad motor för lägre spänningar, som ett sätt att försöka kompensera för ovanstående tillkortakommanden, saknades den kraft som krävdes för att dra fler än ett fåtal vagnar. Allt baserades på enkla DC-slingor, och det fanns ingen elektronik, men vissa hobbyentusiaster med specialkunskaper använde mekaniskt utlösta kontaktswitchar i sina system, för att aktivera signaler, styra lampor och skapa andra verklighetstrogna effekter.

När solid-state-enheter blev tillgängliga på marknaden kunde man börja använda elektroniken för att lösa problemet med den ryckiga motorstyrningen. I stället för att använda enkel, likriktad lågspänningsström för lägre hastigheter, lade man på full spänning (eller nästan full spänning) med pulsbreddsmodulering (PWM). Därmed fungerade motorn bra vid låga hastigheter och gav nästan fullt vridmoment, men nu blev det i stället problem med smatter och vibrationer. Leverantörerna av dessa PWM-DC-system försökte avhjälpa problemen med hjälp av anpassningar som skulle forma PWM-vågen beroende på trottelinställningen.

Figur 1: En uppåtvänd fotocell placerad mellan spåren, är grunden i en enkel ”spåraktivitetsdetektor”. Men den har också vissa oönskade egenskaper. (Bildkälla: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Utöver den elektronik som tillverkarna hade tillfört kraftaggregaten, började modelljärnvägsentusiasterna använda transistorer och elektrooptiska komponenter i sina layouter. Ett exempel på en sådan funktion är ”aktivitetsdetektering”, som användes för att bestämma om någon del av spåret användes. Detta gav möjlighet till semiautomatisk tågstyrning och vissa andra funktioner. Ett antal optiska detekteringsmetoder användes, var och en med olika för- och nackdelar beträffande komplexitet, prestanda och kostnad.

Den enklaste tekniken, som det finns många varianter av, baseras på optiska sensorer. I det enklaste utförandet monterades en fotocell mellan spåren (figur 1). Om en vagn täcker fotocellen, registreras det utgående spänningsfallet av en komparatorkrets. Det hela är relativt okomplicerat, men komparatorns utlösningspunkt måste anpassas efter omgivningens ljusintensitet, och variationer som beror på till exempel att människor rör sig i rummet kan ge upphov till falska triggersignaler.

I en bättre men mer komplicerad metod används istället en infraröd lysdiod (IR-LED) och en fototransistor. I en ”ljusöverföringslayout” placeras de båda komponenterna på varsin sida av spåret, så att ljusvägen spärras när en vagn passerar. I en fysiskt enklare ”reflektionslayout”, placeras komponenterna i ett gemensamt hölje, vilket fungerar bra om inte vagnarna är för mörka – då kanske inget ljus reflekteras tillbaka till fototransistorn. Som vanligt handlar det om att kompromissa mellan enkelhet, komplexitet och funktion. I avancerade konstruktioner moduleras LED-systemet, så att det inte uppstår problem på grund av omgivningsljuset.

I vissa aktivitetsdetekteringssystem används strömavkänning i stället för optik. Ett "avledande" motstånd i kiloohm-området kopplas då in mellan de två normalt isolerade hjulen på vagnen (hjulparen är vanligen isolerade från varandra längs hjulaxeln, för att förhindra kortslutning av spåren). En strömavkännande transformator och annan elektronik känner av om det finns ett läckflöde från motståndet, vilket innebär att det finns en vagn på spåret. För den här metoden krävs att hela spårlayouten är elektriskt uppdelad i isolerade block, så att man vet var den detekterade vagnen befinner sig.

Nedanstående exempel på ett kopplingsschema för en dubbelkanalig strömavkännande blockaktivitetsdetektor säger något om hur avancerad kretsen är (figur 2). Den kritiska transduktorn är en transformator, exempelvis Pulse Electronics FIS121NL 1:200 för strömavkänning i T1 och T2. Hålet i mitten rymmer den strömledning som läses av.

Figur 2: Strömflödesmetoden går ut på att låta en krypström flöda över spåren, genom ett avledande motstånd mellan hjulen. En strömtransformator med ett hål i mitten känner av strömmen. (Bildkälla: Circuitous.ca)

Metoden har vissa specifika nackdelar: Varje vagn som ska kännas av måste vara utrustad med ett avledningsmotstånd, och optimalt värde för motståndet är en kompromiss mellan känslighet och falska utlösningssignaler, spårlängden och tillhörande IR-reducering, med flera faktorer.

Bortom de enklare DC-systemen: nätverksanslutning

När kretsarna blev allt fler och allt mer komplicerade nådde kostnaderna, komplexiteten, kompatibilitets- och underhållsproblemen till slut ohållbara nivåer. Dessutom finns det ett oundvikligt problem med att driva motorer direkt från spåren: Eftersom varje motor ”ser” samma spänning, går det inte att styra dem individuellt.

Den enda praktiska DC-baserade lösningen är att fysiskt dela upp spåret i elektriskt isolerade block och använda flera kraftaggregat – ett per motor. När loket förflyttar sig från ett block till nästa, måste också layoutoperatören byta till nästa kraftaggregat. Om man driver två eller fler lok åt gången blir hanteringen ganska komplicerad. Det finns vissa delvis automatiserade metoder, men de är oflexibla, komplicerade och dyra.

Men integrerade kretsar och inbyggd kraftstyrning (MOSFET) erbjöd, som tur var, en lösning. I mitten av 1990-talet etablerade National Model Railroad Association (NMRA) och branschaktörerna en öppen standard kallad Digital Command Control (DCC). Därmed förenades järnvägsmodellvärlden med nätverksvärlden. Med DCC levereras alltid full effekt till spåren, och varje lokomotiv tilldelas ett ID som nätverksnod. Kodade signaler som skickas över spåren indikerar hur mycket kraft som måste levereras till motorn vid varje ID, vilket sker via en inbäddad, integrerad motorstyrkrets med en kapacitet på ca 1 ampere. DCC blev snabbt populärt eftersom det löste en rad problem och kunde användas av alla leverantörer, precis som med Wi-Fi. Lokomotiven blev nätverksnoder och varje nod fick separata instruktioner via spåren, som fungerade som databuss.

Snart hade DCC:s roll vidgats till att omfatta mer än lokhastighetsstyrning. Ljudeffekter programmerades in i integrerade kretsar på korten, tillsammans med pyttesmå högtalare, och allt kontrollerades med DCC-kommandon. Det finns också DCC-kompatibla motorer för att styra spårväxlarna och andra funktioner som inte har med framdrivningen att göra. Det hela blev möjligt tack vare specialiserade integrerade DCC-decoderkretsar och unika nod-ID:n. DCC, som numera används i de flesta layouter, har mognat till ett i stort sett anslutningsklart system. Standarden gör det också möjligt att driva systemet via datorer eller smarta telefoner, med förinställda driftscenarier och automatiserade växlingssekvenser.

Strömavbrott fortfarande ett problem

Som de flesta nätverk har DCC en avgörande svaghet: Det fungerar inte om strömmen bryts. Korta men förödande avbrott i DC-strömflödet till decodern och därmed motorn kan uppstå av flera orsaker: öppningar som isolerar spårblocken; öppningar där polariteten måste ändras omgående på grund av omkastade slingor där spåren korsar sig själva (figur 3); fysiska öppningar i spåret i växelkorsningar; intermittent kontakt mellan hjulen och spåren. Vid låga hastigheter kanske tåget saknar kraft för att ta sig över öppningen, vilket kan innebära att det krävs manuella åtgärder (en lätt knuff).

Figur 3: En omvänd loop är en oundviklig effekt av att använda spåren för kraftleverans. Fenomenet inträffar när spåret korsar sig själv. Slingan måste vara isolerad och huvudspårets strömpolaritet kastas om med hjälp av en DPDT-växel, medan tåget befinner sig i slingan. (Bildkälla: The Spruce Crafts)

Moderna komponenter erbjuder dock återigen en lösning på problemet. Genom att seriekoppla ett antal superkondensatorer för att leverera ungefär 20–25 volt och placera aggregatet ”ombord” tåget, kan man åstadkomma oavbruten kraft genom den döda zonen. Superkondensatorerna laddas oavbrutet via spåren, vilket ger en enkel men effektiv lösning (figur 4). Ett exempel på en ändamålsenlig superkondensator är Kemets FM0H103ZF, vilket är en 10 millifarads (mF) 5,5-voltsenhet. Fem stycken i serie ger tillräckligt med DC-spänning och energi för ett typiskt HO-lokomotiv (skala 1:87) i en till två sekunder.

Figur 4: Ett antal seriekopplade superkondensatorer, parallellkopplade till motorstyrningens IC-strömanslutningar, kan ge reservkraft för motorn när den åker över öppningen i strömspåren. De faktiska kapacitansvärdena kan variera beroende på önskad drifttid för reservkraften. (Bildkälla: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Det finns ett problem med den här lösningen: Det finns vanligtvis inte utrymme för superkondensatorer i modelldiesellok av liten till medelstor skala, till exempel O (1:48). I modeller av liten skala, till exempel HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) eller Z (1:220) saknas definitivt utrymme. Men i modeller av gammaldags ånglok kan man använda denna typ av superkondensatorer, eftersom dessa har en påkopplad vagn (som i verkligheten användes för träet eller kolet).

Härnäst: ström utan spår

Man skulle kunna tro att det är enkelt att leverera ström till ett lok. De två högst konkreta skenorna i rälsen kan ju också användas som strömskenor, och DCC-systemet står för datakodningen. Men i praktiken är det ofta problematiskt att uppnå tillförlitlig strömförsörjning via skenorna, av de orsaker som har beskrivits ovan.

Men förbättringar av vanliga elektronikkomponenter genererar, återigen, nya innovativa alternativ. Tänk om man, i stället för leverera ström via skenorna, kunde ta med sig lagrad kraft ombord, i laddningsbara batterier? De problem som förknippas med strömöverföring via spåren skulle försvinna i ett trollslag. Det har gjorts i modeller av större skala, till exempel G (1:24), som ofta används för utomhusmodeller i trädgårdsmiljö. Där är spårbaserad strömförsörjning särskilt problematiskt på grund av rost, korrosion, löv, gräs och andra faktorer.

Hur styr man då motorerna utan spårbaserad ström? Du kan använda en trådlös korträckviddsmodul med inbäddad DCC-decoder och RF-frontend i stället för en spårbaserad DCC-väg. Alla komponenter är tillgängliga som klara standardalternativ hos återförsäljarna, och ett typiskt system har en drifttid på 20–30 minuter.

När batterierna blir ännu bättre kan ombordbaserad kraft bli ett reellt alternativ för de mycket populära småskaliga modellerna. Paradigmskiftet inom modellbyggarvärlden skulle bli lika genomgripande som då DCC etablerades. Batterier med högre energitäthet skulle vara en fördel även för andra applikationer än elfordon. Som vi har sett många gånger tidigare, kan framsteg i specifika områden leda till oväntade fördelar i applikationer av helt andra slag.

Referenser och mer information:

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