Pienoisrautateiden kehittyminen elektroniikkateollisuuden ansiosta

Ensimmäiset pienoisrautatiet olivat toteutukseltaan yksinkertaisia mutta suorituskyvyltään rajoitettuja. Vetureille syötettiin sähkövirta ratakiskoja pitkin, ja moottorin nopeutta säädettiin muuttamalla käytettävää jännitettä (yleensä enintään 18 V DC). Veturin tehokkuus oli alhaisemmissa nopeuksissa marginaalinen, koska DC-moottorien momentti-jännite-käyrä on alhaisella jännitteellä hyvin heikko. Veturit ja junat eivät ryömineet hitaasti vaan kulkivat eteenpäin nykien.

Jos tätä puutetta kompensoitiin käyttämällä moottoria, joka oli tarkoitettu käytettäväksi alhaisilla jännitteillä, sen voima ei silloin riittänyt vetämään useampaa vaunua. DC-piirit olivat yksinkertaisia eikä elektroniikkaa ollut, mutta muutamat erikoistuneet harrastajat käyttivät pienoismalleissa mekaanisesti laukeavia kosketinsulkukytkimiä signaalien aktivointiin, valojen ohjaukseen ja muihin realistisiin toimintoihin.

Kun puolijohdelaitteet tulivat saataville, elektroniikka ratkaisi nopeasti ongelman, joka liittyi moottorin ohjaamiseen pienellä nopeudella. Tässä käytettiin pulssimuotoista virtaa. Sen sijaan että alhaisia nopeuksia varten olisi käytetty yksinkertaista matalampaa tasajännitettä, ohjaukseen käytettiin täyttä jännitettä (tai lähes täyttä) ja pulssinleveysmodulaatiota (PWM). Näin moottori toimi hyvin alhaisissa nopeuksissa ja tarjosi lähes täyden vääntömomentin, mutta nyt moottorin tärinästä ja värinästä tuli uusia ongelmia. Näiden PWM DC -ohjauspakettien myyjät korjasivat ongelmaa erilaisilla adaptiivisilla järjestelmillä, jotka muotoilivat ja siirsivät PWM-aaltomuotoa nopeusasetuksen mukaan.

Kuva 1: Kiskojen väliin sijoitettu ylöspäin osoittava valokenno toimii perustana raiteiden käytön yksinkertaiselle ilmaisimelle, mutta sillä on myös joitakin ei-toivottuja toimintaominaisuuksia. (Kuvan lähde: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Samalla kun myyjät alkoivat käyttämään ohjauspaketissa elektroniikkaa, pienoisrautatieharrastajat alkoivat käyttämään malleissa transistoreita ja sähköoptisia komponentteja. Yksi tällainen esimerkki oli läsnäoloilmaisu, jonka avulla määriteltiin, oliko rataosuus käytössä. Tämä mahdollisti puoliautomaattisen junaohjauksen sekä muita toimintoja. Useita optisia tunnistustekniikoita käytettiin yleisesti, ja niistä kussakin täytyi tehdä kompromisseja monimutkaisuuden, suorituskyvyn ja kustannusten suhteen.

Yksinkertaisin tekniikka hyödyntää optisia antureita, ja tästä toteutustavasta on monia variaatioita. Perusversiossa valokenno upotettiin raiteiden väliin (kuva 1). Jos jokin vaunu peitti valokennon, yksinkertainen komparaattoripiiri tunnisti sen laskun sen jännitteessä. Vaikka tämä on suhteellisen yksinkertaista, komparaattorin toimintapiste täytyy säätää ympäristön valonvoimakkuuden mukaan. Myös ympärillä liikkuvat ihmiset ja asetelman muut aktiviteetit saattavat aiheuttaa virheaktivoinnin.

Paremmassa mutta monimutkaisemmassa metodissa hyödynnetään ympäristön valon sijasta infrapunalediä (IR) ja sitä vastaavaa valotransistoria. Siirtotapamalleissa pari sijoitetaan radan vastakkaisille puolille niin, että mikä tahansa vaunu voi estää valoreitin; fyysisesti yksinkertaisemmassa heijastustapatoteutuksessa pari sijoitetaan samaan koteloon, mutta tummat vaunut eivät ehkä heijasta riittävästi valoa takaisin valotransistoriin. Kyse on tietenkin taas kompromissista yksinkertaisuuden, konsistenssin toiminnan ja toteutuksen helppouden välillä. Monimutkaisemmat mallit jopa moduloivat LED-ohjausta niin että ympäristön valo ei aiheuta sekaannuksia.

Eräissä läsnäoloilmaisuissa ei hyödynnetä lainkaan optiikkaa, vaan virranmittausta. Tässä menetelmässä vaunun telin kahden normaalisti eristetyn pyörän väliin kytketään kokoluokaltaan kilo-ohmien purkuvastus (pyöräryhmät on eristetty toisistaan akselien kohdalta, tällä estetään ratakiskojen oikosulut). Virtamuuntaja ja elektroniikka tunnistavat vuotovirran vastuksen läpi, mikä ilmaisee, että raiteilla on vaunu. Huomaa, että tämä menetelmä edellyttää sitä, että koko mallirata täytyy jakaa sähköisesti eristettyihin moduuleihin. Näin tiedetään, missä tunnistettu vaunu sillä hetkellä on, ei ainoastaan, että radalla on vaunu.

Kaksikanavaisen virranmittausmoduulin läsnäoloilmaisinta esittävä kaavio näyttää piirin sofistikoituneisuuden (kuva 2). Kriittinen muutin on muuntaja, esimerkiksi Pulse Electronicsin FIS121NL 1:200 -virtamuuntaja, jota käytetään komponentteina T1 ja T2. Johto, jonka sähkövirtaa halutaan mitata, viedään virtamuuntajan keskireiän läpi.

Kuva 2: Sähkövirtamenetelmä riippuu virran kulusta ratoja pitkin pyörästön purkuvastuksen kautta. Virtamuuntaja mittaa virran keskireiän kautta. (Kuvan lähde: Circuitous.ca)

Tällä menetelmällä on omat huonot puolensa: jokaiseen mitattavaan vaunuun täytyy lisätä purkuvastus, ja vastuksen optimaalinen arvo on herkkyyden ja virheaktivoinnin, radan pituuden, tähän liittyvän IR-häviön ja muiden tekijöiden välinen kompromissi.

Yksinkertaisesta DC:stä eteenpäin: verkottautuminen

Sitä mukaa kun lisäpiirien määrä ja sofistikoituneisuus kasvoi, niiden hinta, monimutkaisuus, yhteensopimattomuus ja huolto-ongelmat saavuttivat kestämättömän tason. Lisäksi on olemassa ongelma, jota ei voi välttää kun moottorit saavat käyttöjännitteensä suoraan ratakiskoilta: jokainen veturi näkee saman jännitteen, joten niitä ei voi ohjata erikseen.

Ainoa käytännöllinen DC-pohjainen ratkaisu on radan fyysinen jakaminen sähköeristettyihin moduuleihin ja useiden virtapakettien käyttö, yksi veturia kohti. Kyseisen veturin liikkuessa yhdestä moduulista seuraavaan rautatien käyttäjän täytyy kytkeä myös sitä ohjaava virtapaketti. Jos toiminnassa on samanaikaisesti kaksi tai kolme veturia, hallinnasta tulee turhauttavaa ja väsyttävää. On olemassa joitakin puoliautomaattisia ohjelmia, mutta ne ovat joustamattomia, monimutkaisia ja hintavia.

Onneksi mikropiirit ja tehon ohjauspiirit (MOSFET) tarjosivat tähän ratkaisun. 1990-luvun puolivälissä Yhdysvaltojen pienoisrautatieliitto (NMRA) ja teollisuuden toimittajat perustivat avoimen standardin nimeltään Digital Command Control (DCC, digitaalinen komento-ohjaus), joka toi pienoisrautatiet verkottuneeseen maailmaan. DCC:n ansiosta raiteella on aina täysi teho ja jokaiselle veturille annetaan tunnus verkkosolmuna. Koodattuja signaaleja lähetetään raiteelle ja ne ilmaisevat, paljonko tehoa kyseisellä tunnuksella varustettu moottori tarvitsee. Moottorinohjauksessa käytetään sulautettua mikropiiriä, jonka kapasiteetti on noin 1 ampeeri (A). DCC vakiinnutti asemansa nopeasti, sillä se ratkaisi todellisia ongelmia ja toimi kaikkien toimittajien kanssa, vähän kuten Wi-Fi. Veturit olivat verkkosolmuja, joista kukin sai ohjeet dataväylänä toimivien kiskojen kautta.

Pian DCC:n rooli laajeni paljon veturien nopeuden ohjausta laajemmalle. Mikropiireihin ohjelmoitiin äänitehosteita ja ne asennettiin vaunuihin yhdessä pienten kaiuttimien kanssa. Näitä kaikkia ohjattiin DCC-komennoilla. On myös DCC-yhteensopivia moottoreita rautatievaihteiden ja muiden liikkumattomien toimintojen asetusta varten, kaikki erityisten DCC-dekooderimikropiirien ja yksilöllisten solmutunnusten ansiosta. DCC:tä käytetään nyt suurimmassa osassa malleista, ja siitä on kehittynyt lähes ”plug-and-play” -järjestelmä. Se myös mahdollistaa pienoisrautatien käytön tietokoneen tai jopa älypuhelimen kautta esiasetetuilla käyttöskenaarioilla ja automaattisilla kytkentäsekvensseillä.

Sähkökatko on edelleen ongelma

Kuten useimpien verkkojen, myös DCC:n suurimpana heikkoutena on se, ettei se toimi kun sähkö on katkaistu. Dekooderin ja moottorin saama DC-virta voi katketa hetkellisesti, mutta sillä voi olla lamaannuttava vaikutus. Katko voi aiheutua monista eri syistä: radan toimintamoduuleita eristävät kiskojen epäjatkuvuuskohdat; epäjatkuvuuskohdat, joissa napaisuus on vaihdettava ”lennossa” käänteisten piirien takia kohdissa, joissa raiteet kulkevat itsensä yli (kuva 3); raiteiden epäjatkuvuuskohdat vaihteen ”risteyskohdassa” sekä pyörien ja radan välinen katkonainen kontakti. Hiljaisilla nopeuksilla liikemomentti ei välttämättä riitä epäjatkuvuuskohdan ylitykseen, ja manuaalinen väliintulo (työntö) saattaa olla tarpeellista.

Kuva 3: Käänteistä silmukkaa ei voi välttää käytettäessä kaksikiskovirroitusta ja se syntyy, kun radan piiri kytkeytyy itseensä takaisin; silmukka on eristettävä ja pääradan virran napaisuus on käännettävä DPDT-kytkimellä junan ollessa silmukassa. (Kuvan lähde: The Spruce Crafts)

Modernit komponentit tarjoavat jälleen kerran ratkaisun ongelmaan. Kun superkondensaattoreita johdotetaan sarjaan, niin että ne antavat noin 20–25 volttia, ja paketti sijoitetaan vaunuun, ne antavat ”kuolleen vyöhykkeen” aikana riittävästi virtaa. Superkondensaattorit latautuvat jatkuvasti kiskojen kautta ja tarjoavat helpon, mutta tehokkaan ratkaisun (kuva 4). Yksi vaihtoehto superkondensaattorille on Kemet FM0H103ZF, 10 millifaradin (mF) ja 5,5 voltin yksikkö; käyttö viiden sarjassa takaa riittävän DC-jännitteen ja riittävästi energiaa tyypillisen HO (1:87) -mittakaavan veturin käyttämiseen yhdestä kahteen sekuntiin.

Kuva 4: Superkondensaattorisarja sijoitettuna rinnakkain moottorin ohjausmikropiirin virtaliitäntöjen kanssa voi tarjota tyypillisesti lisätehoa veturille sen ylittäessä virtakiskoissa olevan epäjatkuvuuskohdan. Käytännön kapasitanssiarvot voivat vaihdella sen mukaan, kauanko varavirran halutaan kestävän. (Kuvan lähde: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Tässä ratkaisussa on yksi ongelma: edes pienille superkondensaattoreille ei ole yleensä tilaa pienissä tai keskisuurissa mittakaavoissa kuten O (1:48), eikä varsinkaan mittakaavoissa HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) tai Z (1:220). Vanhanaikaiset höyryveturimallit voivat kuitenkin käyttää näitä superkondensaattoreista koostuvia varavirtapaketteja, koska niissä on erityinen vaunu (todellisuudessa puulle tai hiilille), johon ne voidaan sijoittaa.

Seuraavaksi: tehoa ilman raiteita

On helppoa olettaa, että virransyöttö vetureihin on yksinkertaista. Käytettävissähän on loppujen lopuksi kaksi hyvin konkreettista ratakiskoa, joita voidaan käyttää myös virtakiskoina ja niihin voidaan koodata DCC-järjestelmän data. Tosiasia on kuitenkin, että luotettava virransyöttö kyseisten kiskojen kautta on aina ongelmallista edellä mainittujen syiden vuoksi.

Yksinkertaisten sähkökomponenttien parannukset mahdollistavat jälleen kerran innovatiivisia vaihtoehtoja. Mitä jos voisit kuljettaa tarvittavan sähkön ladattavissa akuissa junan kyydissä sen sijaan että virta otettaisiin kiskoista? Yhtäkkiä kiskojen virransyöttöön liittyvät lukemattomat ongelmat poistuvat. On joitakin mallinrakentajia, jotka ovat toteuttaneet tämän suuremmalla mittakaavan malleissa kuten G (1:24), jota käytetään usein ”puutarhamalleissa”; se on ympäristö, jossa kiskopohjainen virransyöttö on erityisen ongelmallista ruostumisen, korroosion, lehtien, ruohon ja muiden esteiden vuoksi.

Miten siis vetureita ohjataan ilman johdollista rataliitäntää? Käytä kiskopohjaisen DCC-väylän sijasta lyhyen kantaman langatonta linkkimoduulia, johon on sulautettu DCC-dekooderi RF-etuasteella. Kaikki tarvittavat moduulit ovat saatavana vakiotuotteina erikoistoimittajilta suoraan hyllystä ja tyypillisen asennus kestää normaalisti 20–30 minuuttia.

Akkujen kehittyessä junan mukana kuljetettavasta akuista saattaa tulla käyttökelpoista erittäin suosituissa pienemmissä mittakaavoissa. Tämä olisi todellinen paradigman muutos pienoisrautateissä, yhtä hurja kuin DCC on ollut. Akkujen kasvaneesta energiatiheydestä eivät hyödy pelkästään sähköautot (EV). Kuten olemme nähneet lukemattomia kertoja, edistysaskeleet tarkasti määritellyillä kohdealueilla tarjoavat usein hyötyjä niihin liittymättömissä käyttötarkoituksissa.

Viitteet ja lisälukemista:

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