Стародавние времена
Когда началось массовое производство игрушечных поездов из жести, система питания переменного тока была самым популярным решением. Это было время расцвета американской компании Lionel — копия такой дороги производилась в СССР под названием Пионерская. На черно-белом кадре из старого фильма про семейку Адамс, если присмотреться, главный герой манипулирует знаменитым двухрычажным пультом.
Причина использования переменного тока (Alternating Current — AC) была скорее всего в том, что для того времени было характерно использовать электромеханические переключатели и реле, сложности с изготовлением миниатюрных двигателей постоянного тока и очень простая конструкция трансформатора с переключением вторичных обмоток (это позволяло регулировать скорость движения поездов). Проблема заключалась в изменении направления движения поезда на противоположное. Чтобы изменить направление вращения двигателя переменного тока, нужно было физически перекоммутировать его обмотки. Это привело к изобретению бесконечных вариантов: от банального тумблера на крыше паровоза, до хитроумного реле в виде барабана E-UNIT, которое переключало обмотки от высоковольтного импульса по тем же рельсам. Это были красивые и оригинальные инженерные механизмы, но очень капризные. Сейчас это скорее наследие, даже компания Märklin, которая очень долгое время поддерживала системы переменного тока и трехрельсовое железнодорожное полотно, перешла на постоянный ток. В нашей стране я знаю только одного моделиста, который владеет такими раритетами.
Именно в эти стародавние времена и был придуман принцип блокировки поездов прямым отключением участка рельс на котором находился поезд. Это делалось ручным перемещением рычажка на семафоре, при этом через систему тяг замыкался/размыкался контактор — очень простая конструкция. Тогда же был добавлен в общую систему второй трансформатор, поэтому стало возможным двигаться двум поездам независимо, но было условие: трассы не должны были соединяться.
Не о какой корректности на соответствие реальным поездам и их масштабам, на чем делают основной акцент сейчас моделисты, не шло и речи, но играть было весело и азартно. И, наверное, по сию пору, интерфейс тех систем был самым дружелюбным. Хотя моделистам тех времен приходилось изрядно бегать вокруг своего макета, но чаще для этого эксплуатировали собственных детей, втягивая их в игровой процесс. Дети взрослели, и через годы принимали эстафету увлечением нашим хобби. Круг замыкался.
Эпоха постоянного тока
На самом деле первыми игрушками двигающимися по рельсам были заводные механизмы. Потом появились батареи (именно батареи, тогда их размеры производили впечатление) и, соответственно, локомотивы с большими коллекторными моторами постоянного тока. На некоторое время переменный ток выигрывал в гонке модельных железнодорожных технологий, так как время движения локомотивов не зависело от разряда батарей или завода пружины. Однако с широким применением в общей радиотехнике сначала селеновых выпрямителей, а потом и диодов, началось победное шествие систем постоянного тока (DC). Принципы оставались теми же, но реверс сильно упростился — достаточно было поменять полярность.
На выход уже существующей системы трансформатора с переключаемыми обмотками добавили диодный мост и сдвоенный переключатель. Со временем переключатель интегрировали в рукоятку управления, и система управления поездами приобрела привычный нам вид: вращающегося от центра в разные стороны верньера. Если вы думаете, что такая рукоятка была придумана производителями в заботе о моделистах, то это не совсем правда. Первые образцы DC (Direct Current) трансформаторов имели на борту двухпозиционный переключатель. Однако моделисты народ веселый, и никто не мешал им на полном ходу перещелкивать его на противоположное направление. Вопреки множеству легенд от «бывалых» про "мгновенное сгорание", на самом деле, поезд некоторое время двигался по инерции, затем, немного побуксовав, двигался в обратном направлении. Электроника тогда была простейшая, даже транзистор в схеме был в диковинку, поэтому при таких шалостях запасенное магнитное поле и небольшая инерция легкого якоря создавала только повышенную механическую нагрузку на детали мотора и легкое искрение. Кратковременные выбросы тока спокойно парировались трансформатором, так как его мощность (и индуктивность) в любом случае разы больше маленького моторчика. Но при многократном повторении такого трюка мотор действительно разваливался. Посыпались рекламации. И вот именно поэтому была придумана такая замысловатая конструкция. Пользователь физически не может мгновенно менять полярность: ему нужно в любом случае докрутить рукоятку до нейтрального положения (нуля вольт), и только после этого, при продолжении вращения, смениться полярность. Надо ли вам говорить о том, что это "новшество" было тогда поднесено как "Не имеющая равных и уникальная функция новых трансформаторов!" Ну а вы теперь знаете, что резкие переключения электромагнитной катушки, как и мотора, создают броски тока и просаживают напряжение в общей схеме. Далее вам это может пригодиться.
На картинке вы видите упрощенную схему такого трансформатора, и внимательный глаз может заметить четыре выходные клеммы. Две клеммы справа предназначены для питания дистанционно управляемыми стрелочными переводами, сигналами и прочим. Успешные попытки реализовать управление с единого с пульта всеми устройствами на макете предпринимались и раньше, но в эру DC уже сформировались единые способы подключения и сами стандарты этих электрических приборов. Важно, что способы подключения были не сложнее бытовой сборки из вилки, двух проводов, выключателя и лампочки накаливания; которую мог повторить любой.
Такая простота схем вызвала у моделистов сильный энтузиазм в самостоятельном построении панелей управления. И хотя каждый производитель продвигал свои аксессуары используя уникальные разъемы (привет Apple), способы крепления и разное напряжение, принципиально их устройства не отличались. Более того, в 70-80 годах моделисты стали активно применять сторонние детали: бытовые и промышленные реле, лампочки, переключатели — все шло в ход. Проблем совместимости еще не существовало, все было, как стали говорить позже, аналоговое. Нужно только было немного знать электрику и согласовать по мощности и напряжению разнородные элементы. С ростом количества подключенных к центральной панели управления устройств росло и количество проводов. Росла и мощность трансформаторов, а вместе с ними и размеры. К этому добавились элементы автоматизации, которые также массово стали устанавливаться на макеты. И постепенно, схемы становились весьма запутанными. Особенно неочевидными они стали, когда стали использовать несколько трансформаторов. При этом железнодорожные линии свободно соединяли через изоляторы, но переход поездов с линии на линию требовал согласованного положения рукояток тяги.
Релейная логика
Маленькой революцией того времени стали семафоры переключающие свое положение двумя линейными электромагнитами, по сути такая же конструкция переключала и стрелки, но в этот механизм была добавлена еще пара контактов и получилось своеобразное реле. Это было логичное продолжение семафоров типа Lionel, но без ручного дергания рычажков. Вот типичный рисунок, который демонстрировал возможность блокировки поезда при запрещающем сигнале семафора.
Некоторые производители стали интегрировать такие же механические переключатели в стрелки, и если даже такая функция отсутствовала, все быстро догадывались использовать внешние реле. Таким образом при переключении стрелки, а еще лучше сразу станционных путей, всего двумя кнопками с пульта, автоматически переключались лампочки светофоров и одновременно блокировались/деблокировались пути.
Развитие микроэлектроники в середине 70-х прошлого века дало возможность начать широко экспериментировать с TTL логикой. Компактные чипы оказалось гораздо удобнее для создания сложной логики взаимного переключения сигналов и стрелок, по сравнению с релейными сборками. На рельсы стали ставить герконовые датчики и использовать временные задержки. Все вместе это позволило создавать макеты со сложным автоматическим траффиком поездов. Один из таких макетов, собранный в московском магазине Лейпциг, в автоматическом режиме, запускал сразу несколько поездов. При этом они останавливались у платформ, изменяли маршруты и… Это было зрелищно, очень дорого, невероятно сложно и скучно — скорее это уже была диорама и возможность ручного управления просто игнорировалась.
В профильных зарубежных журналах всем рекомендовалось изучать бинарные системы, составлять карты Карно, паять сложные сборки из множества логических микросхем и даже пытаться программировать. Сверху накладывалась сложность согласования по напряжению и току слаботочных выводов микросхем и мощных, по сравнению с TTL, исполнительных устройств. Это было преодолимо, но такие решения требовали профессиональных знаний и опыта. Сообщество стало стремительно делиться на касты. С одной стороны было большинство, которое хотело получать удовольствие от управления своими поездами; с другой стороны были футуристы, которые стремительно наращивали возможности и сложность своих макетов, а некоторые из них даже стали применять радиоуправление позаимствованное у авиамоделистов.
DCC (Digital Command Control)
К началу 80-х двумя компаниями была была предпринята первая и провальная попытка внедрения цифрового контроля на рынок модельных железнодорожных систем. Идея витала на поверхности уже долгое время и, вопреки существующему сейчас мнению, звучала примерно так: "А давайте посадим виртуального машиниста в кабину каждого локомотива, и тогда владелец железной дороги сможет переключаться между ними, независимо управляя каждым поездом". Для реализации этой идеи была выбрана концепция состоящая из единого пульта, от которого по рельсам передавались адресные команды на конкретный локомотив. Чтобы успешно передавать цифровой сигнал с командной станции через отвратительную среду состоящую из рельс со множеством стыков, затем колесную пару и скользящие контакты, до устройства, которое должно распознать этот сигнал и названого декодером DCC; был выбран самый сложный, но и самый помехозащищенный дифференциальный метод. Компьютерщики сразу могут найти аналогию с первой версией USB, с весьма нетривиальным программным протоколом обработки данных даже для программистов, а также "фирменную" для Windows "ошибку распознавания новых устройств".
Моделисты, до этого имеющие четкое представление о том, как работает их аналоговая система, восприняли это как непостижимую магию. Но основным подводным камнем оказалась элементарная физика: сигнал очень быстро терял форму на существующей на тот момент аналоговой инфраструктуре — нужно было поднимать напряжение, использовать крайне низкую частоту кодирования, менять материал рельс на более проводимый и ставить промежуточные усилители-корректоры сигнала (бустеры). В итоге из-за кратно возросшей цены, неприятных задержек от подачи команды на движение с пульта, до начала реального перемещения поезда и малой надежности первый подход к цифровизации был отвергнут большинством моделистов.
Тем не менее, такая попытка показала всем крупным производителям, потенциальную возможность заработать на обновлении практически всего парка товаров для железнодорожного хобби. Денег на маркетинг еще хватало, не отличавшиеся и раньше особой лояльностью по отношению к покупателям, фирмы придумали три слогана, теперь уже намертво вбитые в умы потребителей как преимущества DCC перед аналоговыми системами. Причем в их изначальной ложности может убедиться любой вменяемый человек. Давайте я их вам напомню:
- провода больше не нужны, все аксессуары подключаются прямо к рельсам через собственные декодеры;
- рельсы представляют собой единое полотно, никаких разрывов с изоляцией путей на сегменты;
- добавлены: инерция, звук и световые эффекты, которые создают бОльшую реалистичность движения цифрового локомотива, по сравнению с аналоговым.
Первая рекламная кричалка развалилась сразу. Переключение нескольких электромагнитных приводов стрелок подключенных через их декодеры к рельсами вызывало в них такие броски тока, что вся система управления успешно коллапсировала. Поэтому тихонечко были возвращены провода, которые через отдельный бустер со своим блоком питания обслуживали индуктивные устройства. Дальше-больше — все бустеры, детекторы, реверсеры нуждались в отдельном питании или передаче сигналов через свои проводные шины. С развитием систем количество проводов стало расти даже быстрее, чем в аналоговых схемах.
Второй слоган был опровергнут позднее, так как большинство моделистов собирало круговые рельсовые треки с относительно небольшими станционными разветвлениями и просто гоняло паровозики. Они успешно боролись с потерей управляющего сигнала устраивая сплошную пропайку всех стыков или ставя интервальные линейные бустеры. Чертик из табакерки выскочил тогда, когда всплыл принципиально неустранимый недостаток DCC: отсутствие обратной связи.
Тут важно подробное объяснение проблемы: при передаче адресного сигнала управления Командная Станция не имеет никакого представления, где в данный момент на макете находится поезд, которому назначена команда. Это может делать только человек вращающий рукоятку тяги, который своими глазами контролирует движение поезда обеспечивая таким образом визуальную обратную связь. В аналоговых системах такой проблемы просто не было: досточно было манипулировать напряжением на изолированном участке пути, и если на нем находился поезд, то он подчинялся этим изменениям. То есть обратная связь, например сенсор-сигнал-остановка, реализовывалась элементарно, да и сам оператор хорошо знал в каком направлении фокусировать свой взгляд.
Масло в огонь подливала сама DCC провоцирующая запускать сразу много составов. В итоге у оператора у пульта разбегались глаза, он не успевал следить за всеми событиями на макете и стала очевидна необходимость возвращения сегментации путей. Внимательные зрители роликов на YouTube могут подтвердить, что в большинстве случаев из-за этого на больших макетах каждый поезд двигается по своему замкнутому треку. Тогда возникает справедливый вопрос: зачем вообще нужна многоканальная система DCC, если так же работает любая аналоговая система? Но это было только начало…
Более-менее правдивым был последний слоган, за исключение инерции. Опять таки, в аналоговой системе реакция на вращение рукоятки верньера немедленно приводила к изменениям движения поезда. В цифровых системах всегда существуют временные задержки, а при низкой скорости передачи данных, слабом железе рубежей веков и первых DCC протоколах это были очень ощутимые величины. На DCC пульте нажималась кнопка выбора адреса, вращалась рукоятка: и ничего не происходило в течении почти секунды. При торможении поезда это было просто невыносимо. Тогда маркетологи тех времен совершенно по хамски выкрутились из этой неразрешимой ситуации придумав термин «инерция». Остались только световые эффекты и весьма паршивый звук. Не самая сильная компенсация за вышеописанные факапы.
Да кого это тогда волновало — компании производители стремительно создавали свои стандарты цифровых систем. И выводили на рынок новые продукты, часто несовместимые со всем, что выпускалось в предыдущие годы. Наше хобби нельзя назвать особенно доступным, и моделисты народ весьма консервативный. Продажи стали стремительно падать, сообщество стало сокращаться, и только когда несколько именитых фирм обанкротились настала пора конвергенции.
С очень большим скрипом ситуация начала исправляться. Появились комплекты для переделки аналоговых локомотивов в цифровые. Были внедрены общие для всех мини разъемы для подключения поездных декодеров типа NEM и PLuX. Благодаря созданию ассоциации NMRA более менее всеми стал поддерживаться протокол Open DCC. Проблемой оставалось программирование DCC систем и самих декодеров через маленькие экранчики и кнопочки специализированных пультов. Поэтому в Командные Станции были установлен компьютерный LAN RJ45 интерфейс и появился JMRI. Заметили сколько зубодробительных аббревиатур я засунул всего в три предложения? На самом деле их гораздо больше — то есть успешные попытки свести моделиста с ума продолжались. А еще надо впихнуть, пусть и миниатюрные, декодеры с проводами под крышку локомотива где очень мало места. Для масштабов TT, N и Z это часто вообще невозможная операция, не говоря о размещении там миниатюрного динамика. Стагнация на рынке железнодорожных моделей продолжается: по сути единственным способом гарантирующим нормальное функционирование всего DCC оборудования является только покупка его по новому, при этом уже требуется эксперт, который поможет его подобрать.
И, чтобы окончательно всех запутать, благодаря подключению к Командной Станции компьютера, а затем и беспроводных сетей, программисты написали бесконечное множество программ. В схемотехнику рельсового хозяйства успешно вернулись не только изоляторы, но и бесконечно множимые бустеры с возможностью перепрограммирования, специализированными протоколами обратной связи "поверх DCC" и передачей многоадресных команд. И прочая, и прочая. Ни о каких играх речь уже не идет, все свелось к бессмысленной гонке наращивания функционала.
Эпилог
Я сознательно оставил за кадром этого повествования множество альтернативных систем управления. Проблемы DCC описанные выше в полной мере касаются и уже забытого BlueRail, попыток использовать микроконтроллеры со встроенным Wi-Fi вместо декодеров американской LocoFi и других, и совершенно потрясший меня в свое время способом разрешения проблемы обратной связи проект Faller Car System Digital, хотя он имеет отношение не к поездам, а к автомобилям масштаба HO.
В нашей стране ситуация и лучше и хуже одновременно. В девяностых годах в нашей стране было явно не до увлечения паровозиками, и фальстарт DCC прошел мимо российских любителей ЖД моделей. У нас по прежнему много моделистов которые помнят простые основы конструирования аналоговых систем, да и уровень технических знаний выше. С другой стороны, однозначное принятие любых новинок с запада, вместе с языковым барьером, привело к созданию множества самых нелепых мифов. Отсюда почти фанатичная и весьма агрессивная преданность к DCC и некоторым ставшим культовыми командными станциям со стороны «бывалых» членов сообщества. Такое поведение вообще характерно для нашей культуры, и приводило буквально к клановым войнам в русскоязычном сегменте интернета. Спасало только то, что таких людей оказалось бесконечно мало, хотя они успешно отвадили от железнодорожного хобби очень многих. Хорошо что сейчас, в связи с катастрофическим сокращением ассортимента, их "опыт" и "знания" оказались невостребованными и они постепенно сходят на нет.
Тем временем компании производители стали тихой сапой возвращать на рынок аналоговые модели. Кто-то стыдливо их именует как DСC ready, кто то прямо пишет в описании: только для аналоговых систем. Хотя на самом деле они и не прекращали их производство — секрет весьма прост, только такие модели по прежнему обеспечивают продажи.
Проект URB
Я написал свою версию истории развития железнодорожного моделизма, и, к моему сожалению, она получилась весьма злобной. Возможно у вас возникнет множество контрдоводов или других интерпретаций вышеописанной истории, посему комментарии и дискуссии приветствуются.
Поддерживая принцип: "Критикуя — предлагай", сообщаю, что используя информацию с моего сайта вы можете создать собственную систему значительно превосходящую по возможностям DCC комплексы.