De ontwikkeling van modelspoorbanen als proxy voor de elektronica-industrie

De allereerste modelspoorbanen waren eenvoudig in uitvoering, maar hadden beperkte prestaties. De voeding werd via de rails aan de locomotieven geleverd en de motorsnelheid werd geregeld door de aangelegde spanning te variëren (gewoonlijk tot 18 volt DC). Motorprestaties bij lage snelheden waren marginaal vanwege het lage koppel van gelijkstroommotoren bij lagere spanningen, waardoor de motor en de dus de trein bij lage snelheid ging stotteren.

Er bestonden speciaal ontworpen motoren voor lagere spanningen om deze tekortkoming te compenseren, maar die hadden nauwelijks genoeg vermogen om meer dan een paar wagons te trekken. Het ging hier om simpele DC-lussen zonder elektronica, hoewel sommige gevorderde hobbyisten mechanisch geactiveerde contactafsluitschakelaars gebruikten om signalen te activeren, lampjes aan te sturen en andere realistische effecten te creëren.

Toen halfgeleidercomponenten beschikbaar kwamen, werd het probleem van motorregeling bij lage snelheden al snel opgelost met behulp van gepulseerde voeding. In plaats van gewoon de spanning te verlagen om langzamer te rijden, werd (nagenoeg) volle spanning toegepast met behulp van pulsbreedtemodulatie (PWM). Als gevolg functioneerde de motor goed bij lage snelheden met voldoende koppel, maar het ratelen en trillen van de motor bracht nieuwe problemen met zich mee. Leveranciers van deze PWM-gelijkstroomvoedingen probeerden vervolgens dit probleem op te lossen met behulp van verschillende adaptieve schema's om de PWM-golfvorm te veranderen en te verschuiven, afhankelijk van de regelinstelling.

Afbeelding 1: Een fotocel tussen de rails is de basis van een eenvoudige aanwezigheidsdetector, maar vertoont ook ongewenst gedrag. (Bron afbeelding: Iowa Scaled Engineering, LLC)

Naast het gebruik van elektronica door voedingsleveranciers begonnen modeltreinliefhebbers (hobbyisten) ook gebruik te maken van transistors en elektro-optische componenten voor hun modelbanen. Een voorbeeld hiervan is de aanwezigheidsdetector, die werd gebruikt om te bepalen of een deel van het spoor in gebruik was. Dit stimuleerde semi-automatische treinregeling en andere functies. Er werden verschillende optische detectietechnieken gebruikt met verschillende complexiteit, prestaties en kosten.

De eenvoudigste techniek maakte gebruik van optische sensoren in verschillende variaties. De basisuitvoering bestond uit een fotocel die tussen de rails werd begraven (Afbeelding 1). Zodra de fotocel door een wagon werd geblokkeerd, werd via een eenvoudige vergelijkerschakeling een uitgangsdaling waargenomen. Hoewel dit vrij eenvoudig was, moest het uitschakelpunt van de vergelijker worden afgestemd op de intensiteit van het omgevingslicht en konden bijvoorbeeld mensen die zich in de buurt bevinden of andere activiteiten in het ontwerp onbedoeld de fotocel activeren.

Een betere, maar complexere, methode maakte gebruik van een infrarood (IR) led, in plaats van omgevingslicht, en een aanvullende fototransistor. In transmissiemodus werden de led en de fototransistor aan tegenovergestelde kanten van het spoor geplaatst waarbij het lichtpad door een wagon werd geblokkeerd. In de eenvoudigere reflectie-uitvoering werden beide in één behuizing geplaatst, maar donkere wagons reflecteerden soms niet genoeg licht voor de fototransistor. Zoals gewoonlijk moest er een afweging worden gemaakt tussen eenvoud, consistentie en gemak van uitvoering. In geavanceerde ontwerpen kon zelfs de led-drive worden gemoduleerd, zodat er geen verwarring ontstond door omgevingslicht.

Andere aanwezigheidsdetectiemethoden gebruikten helemaal geen optica, maar in plaats daarvan stroomdetectie. Bij deze methode werd een vaste-lastweerstand van enkele kilo-ohm tussen de twee normaal geïsoleerde wielen van de wagon bevestigd (de wielstellen werden bij hun assen geïsoleerd om te voorkomen dat ze kortsluiting maken met de rails). Via een stroomdetectietransformator en wat elektronica werd de stroom door het lekpad van de weerstand gedetecteerd, wat aangaf dat er een wagon op de rails is. Deze benadering vereiste echter dat de modelbaan elektrisch verdeeld moest worden in geïsoleerde blokken, zodat je niet alleen wist dat er een wagon was, maar ook waar de gedetecteerde wagon zich bevond.

Een representatief schema van een tweekanaals stroomdetectieschakeling laat zien hoe geavanceerd de schakeling is (Afbeelding 2). De kritieke transductor is een transformator zoals de FIS121NL 1:200 stroomdetectietransformator van Pulse Electronics die voor T1 en T2 wordt gebruikt, met een gat in het midden voor de stroomdetectiekabel.

Afbeelding 2: De stroomdetectiemethode werkt met een kleine stroom die via de rails door een vaste-lastweerstand in het wielstel loopt. De stroom wordt gemeten door een stroomtransformator met een gat in het midden. (Bron afbeelding: Adafruit)

Helaas had deze methode ook nadelen. Elke wagon moest namelijk een vaste-lastweerstand hebben en de optimale waarde hiervan was afhankelijk van factoren zoals gevoeligheid en de lengte van het spoor met de bijbehorende IR-daling.

Verbinding met een netwerk

Naarmate er steeds meer geavanceerde schakelingen werden gebruikt, zag men ook een stijging in de kosten, complexiteit, incompatibiliteit en onderhoudsproblemen. Een ander onvermijdelijk probleem bij het rechtstreeks aandrijven van motoren via de rails was dat alle motoren op dezelfde spanning werkten, waardoor ze niet individueel regelbaar waren.

De enige praktische gelijkspanningsoplossing was het fysiek verdelen van de baan in elektrisch geïsoleerde blokken en het gebruik van meerdere voedingen, namelijk één voeding per motor. Dit betekende dat zodra een locomotief van het ene blok naar het andere reed, de operator ook naar een andere regelaar moest overschakelen. En als je meer dan twee of drie locomotieven tegelijkertijd hebt rijden, was dat behoorlijk frustrerend en vermoeiend. Er bestonden wel een paar semi-geautomatiseerde regelingen, maar die waren inflexibel, ingewikkeld en duur

Gelukkig boden IC’s en on-chip voedingsregelaars (MOSFET’s) een uitweg. Halverwege de jaren ‘90 stelden de Amerikaanse National Model Railroad Association (NMRA) en modeltreinleveranciers een open standaard vast, Digital Command Control (DCC) genaamd, wat een netwerk voor modelspoorbanen vormde. Bij DCC wordt altijd het volledige vermogen aan het spoor geleverd en krijgt elke locomotief een identificatie als netwerkknooppunt. Gecodeerde signalen worden via de rails verzonden om aan te geven hoeveel vermogen aan de motor bij die identificatie moet worden geleverd via een geïntegreerde IC voor motorregeling met een capaciteit van ongeveer 1 ampère (A). DCC werd snel populair omdat het een ware oplossing vormde en voor alle leveranciers werkte, net als met Wi-Fi. De locomotieven waren netwerkknooppunten, die allemaal hun eigen instructies via de rails ontvingen, als een databus.

Al snel werd DCC, behalve voor het regelen van de locomotiefsnelheid, ook gebruikt voor andere functies. Zo werden geluidseffecten in IC’s geprogrammeerd en, samen met kleine luidsprekertjes, aan boord gemonteerd — aangestuurd door DCC-opdrachten. Ook waren er DCC-compatibele motoren voor het instellen van wissels en andere niet-aangedreven functies, allemaal mogelijk gemaakt door gespecialiseerde DCC-decoderings-IC’s en unieke node-id’s. Tegenwoordig wordt DCC in de meeste baanontwerpen toegepast en het is nu bijna een ‘plug-and-play’-systeem. Zo kunnen spoorbanen worden bediend via een pc of zelfs een smartphone, met vooraf ingestelde operationele scenario's en geautomatiseerde wisselreeksen.

Stroomonderbreking nog steeds een probleem

Net als de meeste netwerken heeft DCC één zwak punt: het werkt niet als er geen stroom is. Een kortstondig maar rampzalig verlies van DC-voeding naar de decoder, en dus de motor, kan verschillende redenen hebben: baanonderbrekingen die de blokken isoleren, onderbrekingen waar de polariteit tussendoor moet worden omgeschakeld als gevolg van omgekeerde lussen waar de sporen elkaar kruisen (Afbeelding 3), fysieke baanonderbrekingen bij het kruisstuk van een wissel en intermitterend contact tussen de wielen en het spoor. Bij lage snelheden is er soms niet eens genoeg momentum om de opening te overbruggen en kan zelfs handmatige interventie (een duwtje) nodig zijn.

Afbeelding 3: De omgekeerde lus is en onvermijdelijk aspect bij banen met twee stroomleverende sporen en vindt plaats waar de baan op hetzelfde punt terugkeert. De lus moet geïsoleerd worden en de polariteit van de voeding van het hoofdspoor moet door een DPDT-schakelaar worden omgekeerd terwijl de trein zich in de lus bevindt. (Bron afbeelding: The Spruce Crafts)

Ook hier kunnen moderne componenten een oplossing bieden. Een paar in serie aangesloten supercondensatoren die aan boord worden geplaatst, leveren een uitgangsspanning van circa 20 tot 25 volt wat voldoende is om de zogenaamde ‘dode zone’ te overbruggen. De supercondensatoren worden continu via de rails opgeladen, waardoor een eenvoudige maar effectieve oplossing wordt geboden (Afbeelding 4). Een goede optie voor een dergelijke supercondensator is de FM0H103ZF van Kemet, een 5,5 volt eenheid met een capaciteit van 10 millifarad (mF). Vijf supercondensatoren in serie leveren voldoende gelijkspanning en momentum om een typische HO-locomotief (schaal van 1:87) een of twee seconden van stroom te voorzien.

Afbeelding 4: Doorgaans kan een aantal in serie geschakelde supercondensatoren parallel aan de voedingsconnectors van de motorregelings-IC genoeg back-upvoeding leveren zodat de locomotief een onderbreking in de voedingsrails kan overbruggen. De uiteindelijke capaciteitswaarden kunnen variëren, afhankelijk van de gewenste back-uptijd. (Bron afbeelding: Model Railroader Hobbyist Magazine)

Er is één probleem met deze oplossing. Kleine tot middelgrote locomotieven, zoals O-schaal (1:48), hebben doorgaans geen ruimte voor een zelfs kleine supercondensators, laat staan kleinere schalen zoals HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) of Z (1:220). Ouderwetse stoomlocomotieven kunnen echter deze supercondensatorvoedingen wel gebruiken omdat ze een tender (in echte treinen gebruikt voor hout of steenkool) hebben die extra ruimte biedt.

Aandrijving zonder rails

De meeste mensen gaan ervan uit dat het leveren van spanning aan de locomotieven eenvoudig is. Er zijn immers twee spoorrails die ook als voedingsrails kunnen worden gebruikt, evenals gecodeerde gegevens in een DCC-systeem. De realiteit is echter dat de betrouwbaarheid van het leveren van stroom via rails vaak een probleem is vanwege de eerder genoemde redenen.

Wederom bieden verbeteringen in eenvoudige elektrische componenten een innovatieve oplossing. Wat als we die benodigde voeding nu eens aan boord plaatsen met oplaadbare batterijen, in plaats van stroom via de rails? Op die manier kunnen veel problemen oplossen die gepaard gaan met het gebruik van voeding via de rails worden opgelost. Er zijn verschillende modelbouwers die dit al hebben gedaan met grotere modellen zoals G-schaal (1:24), die vaak buiten in een tuin worden gebruikt. In een dergelijke omgeving is voeding via de rails extra lastig is vanwege roest, corrosie, bladeren, gras en andere obstakels.

Maar hoe regel je een motor als er geen kabelaansluiting is? Dit kan via een short-range draadloze verbindingsmodule bestaande uit een DCC-decoder met ingebouwd RF front-end, in plaats van een DCC-pad via de rails. Alle benodigde modules zijn standaard, kant-en-klare producten en zijn verkrijgbaar bij gespecialiseerde leveranciers. Typische installaties hebben een looptijd van 20 tot 30 minuten.

Naarmate oplaadbare batterijen beter worden, kan de ingebouwde voeding ook toegepast worden in de populaire kleinere schalen. Dit zou echt een paradigmaverschuiving voor modeltreinen zijn en net zo dramatisch als DCC. Niet alleen elektrische auto’s (EV’s) profiteren van een hogere energiedichtheid van accu’s. Zoals we al zo vaak hebben gezien, leiden ontwikkelingen in één welomschreven gebied vaak tot voordelen voor andere niet-gerelateerde toepassingen.

Referenties en meer informatie:

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