A technika fejlődése a modellvasút világában is megállíthatatlan. Így nemcsak a modellek lettek egyre jobbak és szebbek, hanem azok belső felépítése is sokat változott az utóbbi időben. Ma már egyre több gyár hirdeti büszkén, hogy jobbnál jobb motorokat sikerült kifejlesztenie és beépítenie a modelljeibe. Nyilván, hogy eme csoda motorokhoz nem árt ha a megfelelő tápfeszültség is rendelkezésre áll. Sok drága és kitűnő motor mehet tönkre, ha ezt a modellezők nem veszik figyelembe.
Az alábbi cikkben megpróbálom összefoglalni, hogy mi is használatos a modern modellezésben.
Először is nézzük, hogy milyen áramforrásokra van szükség:
A vasútmodellek elektromos szempontból 2 fő csoportba osztódnak:
AC – váltóáramú modellek – ez a hőskor maradványa, amikor még nem volt használható technológia egyenáramra, sem megfelelő mágnes. Ma már csak főleg a Märklin cég használja, meg egy néhány nosztalgiás gyár nagyobb méretekben (Lionel, American Flyer stb.)
DC – egyenáramú vezérlés. Ez a többség, és a mai modern motorok szinte kivétel nélkül egyenáramon adják le a legjobb teljesítményt. Modern, kitűnő minőségű mágnesek hatalmas teljesítmény növekedést idéztek elő az utóbbi években.
Miután a AC modellek kivéve Németországot, alig fordulnak elő, én is inkább a DC típusokról fogok szólni. Ráadásul a Märklin is már sok modelljébe DC motort épít, és elektronikusan illeszti a váltóáramos rendszerbe.
Nézzük meg mik is a problémák a modellvasúton:
· A különféle motorok optimális vezérlése
· A teljesítmény független vezérlés
· Nagyon széles vezérlési sáv (min – max. sebesség)
· Az igazi vonatok mozgásának a leképzése (gyorsulás, tehetetlenség, lassulás stb.)
· Egyszerű irányváltás
· Külső elemekkel történő vezérlés (PC, távvezérlés stb.)
A motorok optimális vezérlése:
A DC modellekben kétfajta motor szokott előfordulni:
1. A hagyományos mágneses állórésszel ellátott motor. Itt két erős mágnes gerjeszti a szükséges mágneses teret, amiben a vaslemezből kialakított tekercsekkel ellátott forgórész forog. A rotor lehet 3 vagy több pólusú. A modern motorok többnyire 5 pólusúak. Az ilyen motorok mágnesesen „akadoznak” az erős mágneses mezőben, azaz, ha nincs a motor feszültség alatt a rotor forgatása nem egyenletes, és érzékelni lehet a mágneses tér által gerjesztett akadályokat. Ez azt is jelenti, hogy ha motorról levesszük a feszültséget az nagyon rövid időn belül megáll, hiszen a mágnes fékezi ezt. Ez nagyon hátrányos tulajdonság, ha pl. lendkerék van a motoron, hiszen az abba gyűjtött energia nem a mozgatásra lesz felhasználva, hanem a mágneses súrlódás leküzdésére.
Ezt a hatást sikerült ma már az ún. ferde-hornyú motor konstrukcióval kiküszöbölni. Ez a motor majdnem teljesen megegyezik a jól ismert motorokkal, csak a forgórész pólusai/tekercsei vannak egy kicsit megcsavarva. Ez a motor már sokkal kevésbé érzékeny a mágneses térre, azaz forgása sokkal egyenletesebb, és áram nélkül sokkal tovább forog. Minden más tulajdonsága megközelíti a normális motorokét.
2. A csúcsmodellekben egy más fajta motort építenek be. Ez az ún. harangtekercselt műszermotor. Ez már sokban különbözik a közismert motoroktól. Itt a mágnes a motor közepében van, míg a forgórész vasmentes és kívülről veszi a hengeres mágnest körül. A motor forgó tömege sokkal kisebb,hiszen csak a tekercselésből áll, nincs sem tehetetlensége, sem nem reagál a mágneses térre (nincs benne vas). Az ilyen motor súrlódása nagyságrenddel kisebb a normális motorokétól, ami azt is jelenti, hogy sokkal kisebb feszültségen indul, jobban reagál a feszültség változására, sőt a tehetetlenség hiányában nagyon gyors irányváltozásra képes (nagyon fontos tulajdonság a robotoknál, kameráknál stb.). Ez a fajta motor tehát csak bizonyos feltételek mellett alkalmas a modellvasút céljaira.
Elektromos szempontból az 1. típusú motor nagyobb indító feszültséget kíván, jobban terhelhető, kevésbé érzékeny a túlterhelésre. Az ilyen típusú motor jobban szereti a lüktető (szűretlen) egyenáramot, mivel a lüktetés könnyebben átsegíti a mozgórészt a mágneses akadályokon. A 2. típusú motor sokkal kisebb feszültségnél moccan (nem ritkaság a 0,1 V-os érték sem a modellvasútnál használt motoroknál), ha le van terhelve nagyon lecsökken az induktivitása, és a nagy áram gyorsan tönkre teheti a motort. Nehéz nagyobb feszültségekre gyártani, mert nagyon finom huzalból kellene tekercselni a rotort, ami nagyon növelné a már úgy is magas költségeket. Az ilyen fajta motor sokkal jobban dolgozik „sima” egyenárammal, mint más fajta áramokkal.
Az eddigiekből is látható, hogy a modellvasút gyáraknak milyen problémákkal kellett megküzdeniük, hogy modelljeik megfelelően vezérelhetőek legyenek. Ráadásul többnyire csak egy-két fajta vezérlő pult szokott lenni a programjukban a sokszor több tíz különféle vontatójárműhöz (egymotoros kis mozdonyoktól a több motoros motorkocsikig, mozdonyokig).
Egy másik mutatót, amelyik a tápegységek minőségét jellemzi a szabályozható faktornak hívnak. Ez a mutató azt jellemzi, hogy milyen finoman lehet szabályozni a modell mozgását. Egy potenciométer normális kivitelben kb. 300 fokos szögben forgatható. Így számítható ki, hogy a legkisebb és a legnagyobb sebességek ismerete mellett mekkora a sebesség változás egy bizonyos fokkal történő elmozdítás után. Vannak különleges megoldásokis, amelyekbe jobb potenciométerek vannak beépítve, amelyek több mint 300 fokos szögben forgathatók. Voltak látszólag nagyon egyszerű megoldások , amelyek egy sokpólusú kapcsolóval kapcsolták a kimeneti feszültséget. Az ilyen vezérlést diszkrétnek nevezik, mert a feszültség adott fokozatokkal változik. Kapcsolók esetében kb. 2V lépcsőkkel. Ráadásul a trafó is nagyon bonyolult, mert egy csomó kimenetet kell a szekunder tekercsre csinálni (min 2 Voltonként). Természetesen ilyen esetekben folyamatos szabályozásról beszélni sem lehetett.
Az első tápegységek az alábbi elektromos felépítésben kerültek a piacra:
Az egyes ábrán vázolt tápegység ma már klasszikusnak mondható. Itt egy kontaktus fut a trafó szekunderén, és veszi le a kívánt feszültséget, amit aztán egyenirányítanak, és egy, rendszerint bimetallos, biztosítékon át vezetnek az irány kapcsolóhoz. Ez a kapcsoló mechanikus egységet alkothat a kontaktussal (vezérlőgombbal), ilyenkor beszélünk egygombos vezérlésről.
Ennek a megoldásnak az egyetlen nagy hátránya a mechanikus kivitel, hiszen a trafót úgy kell megtervezni, hogy a szekunder tekercse egy rétegben fogja át az egész vezérlési tartományt (0-14V). Ez nem egyszerű feladat, és különleges megoldásokra is szükség lehet, pl. dupla tekercselésre, hogy az érintkező ne okozhasson menetzárlatot a tekercsben. Természetesen az ilyen vezérlőegység nem szolgálhat semmilyen luxussal, és csak nagyon durva vezérlést tud biztosítani.
Ezt küszöböli ki a második megoldás, ahol egy normális trafó szolgáltatja a 14 V váltóáramot, amit egyenirányítónak, majd egy elektronikus áramkörrel szabályoznak. Az ilyen megoldás ma már sokkal olcsóbb mint az előbbi. Ilyen esetekben az iránykapcsoló is külön szokott lenni. Ennek az a hátránya, hogy teljes sebességnél is lehet irányt változtatni, ami nem nagyon modellszerű, sőt nagyon árt a mozdonyoknak. Ez elektronikus megoldás sokkal finomabb vezérlést kínál, és akár 0,5V-os felbontással szabályozhatjuk a vonatunkat.
Az elektronika kivitelétől függően lehet egy nagyon egyszerű megoldás (egy-két tranzisztor, de lehet akár IC kivitel is egyéb hatásos funkciókkal). Az elektronika gyakran van kiegészítve elektronikus túlterhelés védelemmel (3.ábra). Ez védi a rendszert a túlterhelésből adódó károsodástól.
Az ilyen tápegységek rendszerint sima változó feszültségű egyenáramot adnak, vagy esetleg lüktető egyenáramot amelynek a szintje változtatható, a frekvenciája meg a hálózatéval azonos (vagy duplája).
Az ilyen típusú áramforrás a jobb tulajdonságokkal rendelkezik mint az ismertetett mechanikus változat (természetesen ha ugyanolyan teljesítményre lett tervezve), de gyakran rosszabb a hatása a modellekre, mert az alkalmazott egyszerű elektronika növeli az áramforrás belső ellenállását, ami nem kedvező a modellvasúti vontatás számára. (Hegymenetben a belső ellenálláson nagyobb a feszültségesés, ami még jobban csökkenti a kimeneti feszültséget, tehát a vonat még jobban lelassul.)
A jobb elektronikus változatok ezért még egy stabilizátorral vannak kiegészítve, amelyek követik a az áramfelvételt, és ennek megfelelően utána szabályozzák a kimeneti feszültséget. Az ilyen vezérlőpultok, automatikusan csökkentik a kimeneti feszültséget ha a vonat megindul a lejtőn, illetve növelik azt, ha emelkedőre megy a szerelvény. Az ilyen elektronikának csak egy hibája szokott lenni, hogy csak néhány tipikus mozdonynál van elemében a rendszer, és pl. kivilágított vagonok, több motoros mozdony rendszerint kibillentik az áramkört a saját egyensúlyából, és az vagy nem szabályoz rendesen, vagy egyszerűen túlterhelődik. Sok modell márkához kötött áramforrás ilyen, mert ott ellenőrizni lehet a modellek áramfelvételét (ami alap paraméter a szabályozó áramkörök számára). A világítással nem tudnak mit kezdeni.
A jobb áramkörökben be lehet külön állítani a terhelést, tehát minden vonathoz be tudjuk optimálisan szabályozni az áramkör paramétereit. Az ilyen elektronika a 4. ábrán látható. Ebben a rendszerben külön potenciométerekkel lehet beállítani a gyorsulást, a lassulást, a mozdony (vonat) tehetetlenségét valamint a főgombbal a kívánt sebességet. Sokszor a főgomb helyett két nyomógombot szoktak használni, amikkel a vonat gyorsít-, illetve lassítható. Szokott lenni egy vészfék gomb is, ami elengedhetetlen még a modellvasúton is.
Volt egy idő, amikor még a modern motorok nem álltak a rendelkezésre, és a hagyományos motorok bizony jelentős áramfelvétellel, rossz hatásfokkal rendelkeztek. Ebben az időben lett egy csomó különleges megoldású tápegység kifejlesztve. Ekkor jelentek meg a tirisztorok, amelyekkel egyszerűen lehetett fázishasító kapcsolást megvalósítani. Az ilyen tápok igen nagy energiát tudtak átvinni a motorokba, amelyek aztán probléma nélkül indultak (és sokszor le is égtek, mert egyszerűen nem voltak képesek az így leadott elektromos energiát mechanikus energiára változtatni.). A tirisztoros megoldásnak az a fő hátránya, hogy változó feszültségű impulzusokat ad a rendszerbe, amelyek frekvenciája a hálózathoz kötött. Miután a motorok nem éppen ezen a frekvenciát adják le az optimális teljesítményt, keresni kellett más megoldást. Ezt az impulzus szélesség vezérlésében találták meg. Ezekben a tápegységekben van egy változtatható frekvenciájú impulzus generátor és egy másik áramkör, ami az impulzus szélességet tudja változtatni. A frekvenciával beállítható az optimális elektromechanikai egyensúly, míg a szélességgel az átadott energia szabályozható nagyon széles tartományban. Az impulzusok nagysága állandó, és megegyezik a maximális kimenő feszültséggel. Az azt jelenti, hogy a motor induláskor nagyon rövid időre teljes feszültségre van kapcsolva, amivel könnyedén leküzd bármilyen akadályt, súrlódást. A következő pillanatban az áram megszűnik, azaz nagyon finom vezérlés érhető el. A legnagyobb hátránya ennek a rendszernek az elektromechanikai stabilitás beállítása. (Ez függ úgy a motortól, mint a mozdony mechanikai felépítéstől.) Ráadásul, ha ez nincs figyelembe véve, akkor igen könnyen tönkre mehet a motor, hiszen a tápegység hatalmas energiaátvitelre késztetheti, amire az sohasem volt tervezve. Egy-egy ilyen tápegység nagyon jó hatásfokú lehet, ha optimálisan van beállítva, és a modellező is tudja, hogyan kell vele dolgozni (nem túlterhelni a motort). Maga tápegység igen kicsi kivitelben is megépíthető mert akár 7A leadása esetén is (a szerző által használt egyik tápegység) alig keletkezik hő, amit el kell vezetni. Pontosan a veszélyek miatt kellett a rendszert továbbfejleszteni, mert egyes motorokra még a széles beállítási sáv ellenére sem lehetett megtalálni az optimumot, a harangtekercses motorok pedig egyáltalán nem szeretik ezt a fajta vezérlést!!!
Az 5.ábrán egy igen modern és nagyon jó minőségű tápegység elemeit foglaltam össze. Mint már elmondtam a motorok egyik nagyon kényes pillanata az indulás, hiszen hatalmas súrlódásokat kell leküzdeni. A hagyományos motoroknál még ehhez jön a „mágneses ragadás” is. Ezt a lüktető áramú tápegység tudja aránylag jól kezelni, de miután igen sok fajta motor van, másés más súrlódással, ellenállással, meg a mozdonyok mechanikai kivitele is igen szerteágazó az 50 vagy 100 Hz-el lüktető egyenáram, csak egy kis csoportra fejt ki pozitív hatást. Más fajta motorokra, szerkezetekre nem lesz hatásos, sőt azokat túl is terhelheti. Különösen áll ez a harangtekercses motorokra, amelyek tehetetlenségük miatt még a lüktetésre is reagálnak, és ahelyett, hogy folyamatos forgásba lendülnének, másodpercenként 50-szer vagy 100-szor le kívánnak állni.
A sokéves tapasztalatok azt mutatják, hogy tolatáshoz, induláshoz egy más fajta áram kell, mint a nagyobb sebességű vontatáshoz. Ezért fejlesztettek ki egy nagyon különleges szerkezetet, amelyik induláskor, valamint nagyon kis sebességű mozgáshoz (10 modell km/h alatt) impulzus áramot juttat a sínekbe, míg e sebesség felett az impulzusok eltűnnek és egy nagyon sima egyenáram veszi át a táplálást. Ráadásul, hogy minden motor optimálisan legyen kezelve induláskor, illetve lassú haladásnál, változtatható az impulzusok frekvenciája valamint a szélessége (P5 és P6). Ezek a jellemzők igen széles sávban szabályozhatók (20-2000 Hz, 1-99% impulzusszélességig). Így gyakorlatilag minden motorhoz optimális érték állítható be. Külön élvezet nézni a kúszó mozgást, amikor a vonat egy óra „morgással, brummogással” kb. 30 cm-t tesz meg (egy tipikus érték 3 pólusú motorral 1:20 áttétellel. Dieselmozdonyoknál a keltett zaj még előnyös is lehet – más fajta mozdonyoknál sajnos nem). Ha tovább csavarjuk a vezérlő gombot a vonat nagyon kultiváltan lendül sebességbe, s halad tovább a síneken. Ugyanez történik a lassításnál is. Az impulzus áram keverését annyira pontosan lehet szabályozni, hogy a mozdony tényleg csak 0 V kimenetnél álljon meg. Az impulzus betáplálás úgy van megoldva, hogy az 0 V feszültségnél, illetve egy bizonyos feszültség felett megszűnik (a maximuma tolatáshoz- S1 elektronikus kapcsoló).
Miután az egyéb elektronika a tehetetlenséget, illetve a terhelést is modellezi, nagyon hatásos mozdonyvezérlést lehet elérni. A terhelés függetlenítést az LC blokk végzi, amelyik figyeli a kimeneti feszültség változását és automatikusan kompenzálja annak a változását. Az ilyen áramforrással a mozdonyok a terheléstől majdnem teljesen függetlenül, a beállított sebességgel haladnak a pályán. A luxus kivitelű pultokon egy display mutatja a beállított sebességet.
A VC blokk az iránykapcsolót vezérli, amelyiknek az a fő feladata, hogy mozgásban levő vonatnak ne tudjuk még akarva sem megváltoztatni az irányát. Ez figyeli a kimeneti feszültséget, és amíg az nem nulla, nem engedi, hogy a beépített relé átkapcsolódjon.
Ezen típusú vezérlőegységek legmodernebb darabjai már mikroprocesszorral lettek ellátva. Ezek a rendszerek kiküszöbölik az analóg rendszerek szórásából keletkezett hibákat, és a sok potenciométert nyomógombokkal helyettesítik. A nyomógombok segítségével programozhatjuk a rendszert, és a mikroprocesszor tárolja az egyes beállításokat. Ilyen esetben ismét visszajutottunk a diszkrét (átkapcsolós) vezérléshez, hiszen a kimeneti feszültség nem változik folyamatosan, hanem lépcsőzetesen. A legolcsóbb megoldásokban legalább 16 lépcső van, ami kb. 1V változást jelent fokozatonként. A legmodernebb tápegységek 128 fokozattal dolgoznak, ami már igen finom vezérlést tesz lehetővé (egy potenciométerrel elképzelhetetlen finom szabályozás). Ráadásul egy ilyen rendszerű rendszer már kompatibilis a számítógépekkel, tehát aránylag könnyen csatlakoztatható bármilyen PC-hez.
Egy ilyen tápegység pl. a listán feltüntetett MRC TECH IV. A vezérlőgomb sem egy potenciométer, hanem egy különleges egység amelyik kódokban adja tovább az állását, ami kb. 10-szer pontosabb mint pl. egy potenciométer csúszókája. Egy ilyen szabályzóval a műszeriparban akár 500 állás is elérhető a modellvasútnál ennek a töredéke is elegendő. A legjobbak 128 fokozattal dolgoznak, az ennél olcsóbb berendezések ennek a felével, harmadával. Ez azt jelenti, hogy asebesség határok 1/128-ával tudjuk fokozatonként változtatni a kimeneti feszültséget. Azért nem mondok itt konkrét számokat, mert a rendszer egy másik szabályozó paraméterével a maximális kimeneti feszültséget tudjuk beállítani, míg egy harmadik paraméter a minimumot szabályozza (ugyanúgy fokozatosan, azaz ismételhetően). A főgombbal tehát mindig e két érték különbségének a 1/128-a adja a szabályozás finomságát. Ez pedig már egy nagyon komoly eredmény, ha meggondoljuk, hogy némelyik N mozdony kb. 3 V-nál indul, és 8 V-nál éri el a maximális sebességét. Egy hagyományos trafóval (7 állás a gombon, 2 V-os fokozat, pl. F2) az első fokozat elveszik, mert a modell nem indul – (2 V kimenet), a 4. fokozat pedig már a száguldás (8 Volt), azaz csak 3 fokozat áll a rendelkezésünkre, hogy vonatot szabályozzuk. Természetesen nem a mikroprocesszoros pultnál, ahol ehhez a modellhez is 128 fokozat áll a rendelkezésre.
Az ilyen modern vezérlő egység el van látva mindenféle luxussal, pl. csatlakozó a távvezérlés (Walk Around Control),aPC, sőt kontaktusok stb. Számára is.
A távvezérlésnél (WAC) fontos, hogy minél kevesebb áramkört kelljen csatlakoztatni, hiszen a sokpólusú kábelek, csatlakozók drágák, vastagok, és nehezek is. Ismerek olyan megoldást, ahol egy 3 eres kábel is teljes ellenőrzést kínál. Az természetes, hogy a távvezérlés dugójának kihúzása a csatlakozó aljzatból, sem annak csatlakoztatása, nem okozhat semmilyen változást a vonat haladásában.
A PC csatlakozóhoz rendszerint egy software is tartozik, ami lehetővé teszi a pult vezérlését egy PC-n keresztül. Esetleg egy nyitott protokoll bizonyos integrációt is lehetővé tesz, azaz egy másik terepasztal vezérlő program a váltók, jelzők stb. állása szerint szabályozhatja a vonatok mozgását. Ma már ismerünk rendszereket, ahol a vonatok vonalkóddal vannak ellátva, amelyek beolvasása alapján történik a vonat optimális vezérlése, illetve a vonat helyes irányba történő továbbítása. Természetesen ilyen bonyolult szoftwarek nem kaphatok készen, hanem maguknak a modellezőknek kell sok-sok órát eltölteni a képernyő mögött.
A rendszereknek sokszor van kontaktus csatlakozója, ami lehetővé teszi az egyenáramú rendszereklidércálmát (a hurokvágány) vezérelni. A beépített kontaktus átkapcsolja a tápegység irányát, mégpedig kétféleképpen (programozhatóan). Vagy úgy, hogy a vonat megállás nélkül haladjon át a hurkon, vagy egy közbeiktatott, időben szabályozható, megállással. Természetesen a megállás folyamatos lassulással, az indulás folyamatos gyorsulással történik. Lehetnek még kontaktusok a sebesség szabályozására is.
Mint látható a mikroprocesszorok világában csak az emberi elme képezhet bármilyen akadályt, és minden vágy most, vagy belátható időn belül teljesíthető. Az sem mindig igaz, hogy megfizethetetlen áron. Csak az újdonságok szoktak nagyon drágák lenni, addig míg egy másik gyár hasonló, de olcsóbb megoldással nem állít fel újabb mércét. Ezekből az tápegységekből fejlődtek ki a mai modern digitális modellvezérlés dekóderei is. Azokban az apró elektronikákban egy teljes, az utóbbi fejezetekben leírt áramforrás található, azzal a kiegészítéssel, hogy ott van egy interface is, ami a kapcsolatot tartja a központi egységgel. Valamennyi paraméter programozható (az ún. CV paraméterek). Azaz beállítható a mozdony gyorsulása, végsebessége stb. A mozdony tehát magával viszi a vezérlő pultját. De ez már egy más világ, és egy másik leírás témája.
Gyári trafók felépítés szerint: ( lista nem teljes ).
1. ábra: FZ1, F2, TITAN, ROCO, MEHANO, TRIX
2. ábra: ROCO, GAUGEMASTER, ATLAS, ARNOLD
3. ábra: ATLAS, MRC Railpower, GAUGEMASTER
4. ábra: ROCO ASC, GAUGEMASTER, MRC Tech II
5. ábra: MRC Tech IV, TATV,
Források:
http://www.modelrec.com/trains/index.htm
http://www.gaugemaster.com/