铁道模型的演变代表电子行业的发展

最早的铁道模型实施简单，但性能有限。机车电源通过轨道馈入，并通过改变施加的电压（通常最高达 18 VDC）来控制发动机的速度。在较低速度下，发动机性能几乎不值一提。根据直流电机的转矩-电压关系曲线，在较低电压下转矩很小，因此发动机和列车只会一步一顿，而非缓慢行进。

如果改用专为低电压运行而设计的电机来弥补这一缺点，又将导致动力不足而无法拉动多节车厢。这都是因为只采用了基本直流回路而不使用电子器件，但是有些高级业余爱好者在此模型布局中添加了机械脱扣式触点闭合开关，用以激活信号、控制灯光并构建其他真实的动作。

随着固态器件的问世，电子器件很快解决了使用脉冲电源的低速电机控制问题。并非单纯使用低压直流控制低速运行，而是采用脉冲宽度调制 (PWM) 来控制全电压（或接近全电压），几乎可提供全转矩，因而电机在低速下运行良好，但此时电机颤振和振动成了新问题。于是，PWM 直流电源组的供应商提供了各种自适应方案以解决这一问题。这些方案可根据节流阀设置对 PWM 波形进行整形和移位。

图 1：朝上放置在轨道间的光电管是简单轨道占用检测器的核心，却也有一些不良工作特性。（图片来源：Iowa Scaled Engineering, LLC）

除了在电源组中使用供应商推出的电子器件外，铁道模型发烧友（业余爱好者）也开始在布局中使用晶体管和光电器件。占用检测正是这样一个例子，可用于确定某条轨道是否正在使用，并藉此启用半自动列车控制以及其他功能。此外，还有几种光学检测技术也很常用，每种技术都需在复杂性、性能和成本之间进行权衡。

最简单的技术是使用光学传感器，并且这种方法可产生很多变化。在基础版本中，光电管埋在轨道之间（图 1）。如果任一车厢挡住光电管，就可通过简单的比较器电路来检测输出压降。这种方法非常简单，但必须将比较器的跳变点调整为环境光强度，并且因行人通过和其他布局的活动而引起的变化可能会导致误触发。

使用红外 (IR) LED 替代环境光传感器以及对应的光电晶体管是一种更好但更复杂的方法。如果采用传输模式设计，则这对器件分别放置在轨道的两侧，通过车厢阻断光路来进行检测；若通过反射模式实现（物理上更为简单），这对器件就需放置在单一外壳中，但是深色车厢可能无法将足够的光反射至光电晶体管。同样，这种方法也需要在简单性与一致性以及实施简易性之间进行权衡。高级设计甚至可以调制 LED 驱动器，因此不会因环境光而造成误断。

其他占用检测方案不使用光学器件，而是改用电流检测。采用这种方法时，通常需要在车厢相互绝缘的轮对之间安装千欧级的“泄放”电阻器（轮对需在轮轴处进行绝缘以防轨道间短路）。通过电流互感器和某些电子器件可检测电阻器的漏电流，以确定轨道上是否有车厢。请注意，这种方法要求在电气上将整个轨道布局分为相互隔离的区段，从而判断检测到的车厢的确切位置，而非简单确定轨道上有车厢。

双通道电流检测区段占用检测器的典型原理图显示了该电路的复杂程度（图 2）。其中关键的传感器是电流互感器，例如 T1 和 T2 可使用 Pulse Electronics 的 FIS121NL 1:200 电流互感器，用于检测电流的电线可穿过其中心孔。

图 2：电流法取决于整段轨道上流经轮对泄放电阻器的电流，并通过带有中心孔的电流互感器来检测电流。（图片来源：Circuitous.ca）

这种方法也存在缺点：待检测的每节车厢都需添加泄放电阻器，而其最佳阻值则需在灵敏度、误跳闸、轨道长度和相应 IR 压降之间进行折衷。

跳出简单直流回路：建立网络

随着附加电路的数量增多且复杂程度加深，成本、复杂性、不兼容和维护问题均达到无法维持的水平。此外，直接由轨道为电机供电也存在一个不可避免的问题：每台发动机的电压相同，因而无法单独控制。

基于直流的解决方案中，唯一实用的一点是在物理上将轨道分成电气隔离的区段，可使用多个电源组，分别为每台发动机供电。当指定机车从一个区段行进至另一区段时，布局操作员必须切换控制电源组。若同时应付超过两三辆机车的运行，往往令人心烦且疲累；虽然也有一些半自动控制方案，但是通常不够灵活、复杂且价格昂贵。

所幸，IC 和片上电源控制 (MOSFET) 另辟蹊径。20 世纪 90 年代中期，美国国家铁道模型协会 (NMRA) 与行业供应商共同制定了开放标准——数字命令控制 (DCC)，将铁道模型引入了网络世界。借助 DCC 可始终向轨道提供全功率，并为每辆机车分配一个 ID 作为网络节点。编码信号经由轨道发送，电流约为 1 A，用于指示通过嵌入式电机控制 IC 向该 ID 电机输送的功率大小。由于 DCC 解决了一系列实质性问题，并且与 Wi-Fi 类似，适用于所有供应商，因此很快深受青睐。机车是网络的节点，而轨道作为数据总线将指令发送至各个节点。

很快，DCC 的影响不再局限于机车速度控制。经编程的音效 IC 可与微型扬声器一起安装至电路板上，并由 DCC 命令控制。此外，还有一些兼容 DCC 的电机，可用于设置轨道道岔（也称为转辙器）及其他非动力功能，均可通过专用 DCC 解码器 IC 和唯一的节点 ID 来实现。DCC 现已用于绝大多数布局，而且技术已然相当成熟，几乎可作为“即插即用”系统。只需预先设置运行场景和自动转辙顺序，也可通过 PC 甚至智能手机来操控整个布局。

电源中断仍是个问题

与多数网络一样，DCC 也存在一个主要缺点：断电时不工作。诸多原因可能导致解码器直流电源发生短暂但严重的掉电，以致于电机断电：用于隔离运行轨道区段的轨道间隙、在轨道相互交叉的反向回路中“即时”切换极性的间隙（图 3）、道岔处轨道物理连续性上的间隙，以及轮毂与轨道的断续接触。在较低速度下，动量可能不足以滑过间隙，甚至可能需要手动干预（推动）。

图 3：只要使用双轨供电并且轨道回环反接，就不可避免会出现反向回路。列车处于回路中时，必须隔离回路，并通过双刀双掷开关反转主轨道的电源极性。（图片来源：The Spruce Crafts）

同样，新型元器件也为这一问题提供了解决方案。串联数个超级电容器使输出达到约 20 至 25 V，并将其固定在机车上，即可在“死区”时间提供“掉电保持”（"keep-alive" 或 "stay-alive"）。超级电容器可通过轨道持续充电，提供了一种简单却有效的解决方案（图 4）。超级电容器的一个可行选项是 Kemet 的 FM0H103ZF 10 mF 5.5 V 器件。使用五个电容器串联，产生的直流电压和电能足以维持典型的 HO (1:87) 比例机车运行一到两秒。

图 4：通常，将串联的超级电容器与电机控制 IC 的电源并联连接，即可在机车通过电源轨道间隙时作为发动机的备用电源。实际电容值可能会有所不同，具体取决于所需的备用电源运行时长。（图片来源：Model Railroader Hobbyist Magazine）

这种解决方案存在一个问题：即便使用小型超级电容器，O (1:48) 比例等中小型柴油机车模型往往也容纳不下，更不用说更小比例的模型，例如 HO (1:48)、S (1:64)、N (1:160)、TT (1:120) 和 Z (1:220)。不过，老式蒸汽机车模型可以使用“掉电保持”超级电容器组，因为这类模型具有附加的煤水车（实际应用中用于装载木材或煤炭），可为电容器提供安装位置。

下一步：无轨供电

机车供电常常被误以为是个简单问题。毕竟，明摆着两台轨道可用作电源轨，并传输 DCC 系统的编码数据。然而，基于上述原因，通过轨道供电的可靠性其实一直都是个问题。

对基本电气元件的改良再次带来了创新型替代方案。如果使用车载充电电池提供所需的电能，而非通过轨道供电呢？与轨道供电相关的诸多问题瞬时一扫而空。一些模型爱好者在 G (1:24) 等较大比例的模型上完成了此操作，常用于室外“庭院”布局。在这种环境下，由于生锈、腐蚀、树叶、草丛及其他障碍物，基于轨道的电源路径特别麻烦。

因此，若不通过轨道提供线路连接，又该如何控制发动机？可以使用短程无线链接模块，其中嵌入带射频前端的 DCC 解码器，可替代基于轨道的 DCC 路径。所需模块均可由专业供应商以标准现货供应，安装时间一般为 20 至 30 分钟。

随着电池的改良，车载电源对于常见较小比例的模型可能更为可行。与 DCC 一样，这将真正成为铁道模型领域的一次范式转移。由此可见，受益于电池能量密度提高的不仅只有电动汽车 (EV)。事实多次证明，在明确定义的目标领域中取得进步，往往会使不相关的应用也从中受益。

参考文献及拓展阅读：

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