전자 분야의 대안 - 모델 철도 작업의 진화

철도 초기 모델은 작동은 간단했지만, 성능이 제한적이었습니다. 전력은 트랙 레일을 통해 기관차로 전달되고 엔진 속도는 인가 전압(최대 18V DC) 조절을 통해 제어됩니다. 전압이 낮으면 DC 모터의 토크 대 전압 커브가 약해지기 때문에 낮은 속도에서 필요한 최소한의 엔진 성능이 제공되어 엔진과 기차가 천천히 전진하는 대신 정지와 전진을 반복하게 됩니다.

이러한 단점을 보완하기 위해 낮은 전압에서 운전할 수 있도록 특별히 설계된 모터를 사용하면 객차 몇 대 이상을 움직이는 데 필요한 전력이 부족하게 됩니다. 전자 부품은 없고 기본적인 DC 루프가 전부였지만, 일부 얼리어답터는 신호 활성화, 조명 제어, 기타 실질적인 작동을 위한 모델 레이아웃에 기계적으로 트립되는 접점-클로저 스위치를 사용했습니다.

무접점 상태 장치가 출시되자 전자 부품 덕분으로 펄스 전력을 통해 저속 모터 제어기 문제가 해결되었습니다. 저속을 위해 단순한 저전압 DC를 사용하는 대신 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 최고(또는 최고에 가까운) 전압이 인가되었습니다. 따라서 저속에서 모터가 정상적으로 작동했으며 최고에 가까운 토크를 제공했지만, 모터 채터링과 진동이 새로운 문제가 되었습니다. 이러한 PWM DC 전력 팩 벤더들은 스로틀 설정에 따라 PWM 파형을 변형하고 전환하는 다양한 적응형 체계를 통해 이 문제를 해결했습니다.

그림 1: 트랙 사이에 위치한 상향 광전지는 단순한 트랙 사용 감지의 핵심이지만, 작동 특성에 단점도 있습니다. (이미지 출처: Iowa Scaled Engineering, LLC)

벤더들이 전력 팩에 전자 부품을 사용하는 것과 더불어, 여러 모델 철도 애호가(아마추어)들도 레이아웃에 트랜지스터와 전기 광학 부품을 사용하기 시작했습니다. 대표적인 예 중 하나는 트랙 사용 감지로, 트랙의 해당 섹션이 사용 중인지 여부를 파악하는 데 사용되었습니다. 이를 통해 반자동 제어뿐 아니라 다른 여러 기능도 가능하게 되었습니다. 여러 광학 감지 기법이 널리 사용되었으며, 기법마다 복잡성, 성능, 비용 사이의 상호 보완적 균형이 있었습니다.

가장 단순한 기법은 광학 센서를 사용하는 것으로 이밖에 다른 다양한 방식이 있습니다. 기본적인 버전에서는 광전지가 트랙 사이에 매설됩니다(그림 1). 차량으로 인해 광전지가 가로막히면 단순한 비교기 회로가 출력 강하를 감지합니다. 이는 매우 간단하지만, 비교기 트립 포인트를 주변광 강도에 맞추어 조절해야 하며 사람들의 움직임이나 다른 레이아웃 작동으로 인해 허위 트리거가 발생할 수 있습니다.

이보다 효과적이고 복잡한 방식은 주변광 대신 적외선(IR) LED와 보조적인 광 트랜지스터를 사용하는 것입니다. 전송 모드 설계에서는 한 쌍이 트랙의 서로 반대편에 장착되고 빛의 경로가 차량에 의해 차단됩니다. 물리적으로 더 단순한 반사 모드 작동에서는 한 쌍이 단일 하우징에 위치하지만 차량의 색상이 어두운 경우 빛이 광 트랜지스터로 충분히 반사되지 않을 수 있습니다. 이 경우에도, 단순성을 일관성과 실행의 용이함으로 트레이드 오프하게 됩니다. 첨단 설계에서는 LED 장치를 변조하여 주변광에 의한 혼란을 방지하기도 합니다.

트랙 사용 감지 체계가 광학을 전혀 사용하지 않고 대신 전류 감지를 사용하는 경우도 있습니다. 이러한 방식에서는 차량 트럭의 정상적으로 격리된 바퀴 2개 사이에 킬로옴 범위 “블리더” 저항기가 부착되어 있습니다(윤축은 각각의 축에서 서로 격리되어 트랙 레일로부터 발생하는 단락을 방지합니다). 전류 감지 변압기와 일부 전자 부품은 저항기 누출 경로를 통한 흐름을 감지하여 트랙 위에 차량이 있다는 사실을 표시합니다. 이러한 방식의 경우 전체 레이아웃 트랙이 개별 블록으로 분리되어 있어, 트랙 위에 차량이 있다는 사실을 넘어 감지된 차량의 실제 위치를 알 수 있어야 합니다.

이중 채널 전류 감지 차단 사용 감지기의 전체 회로도를 보면 회로가 얼마나 정교한지 파악할 수 있습니다(그림 2). 중요한 트랜스듀서는 Pulse Electronics FIS121NL 1:200 전류 감지 변압기와 같은 변압기로, T1과 T2에 사용되며 감지되는 전류를 전달하는 전선의 경로를 제공하기 위한 중앙 홀이 있습니다.

그림 2: 전류 흐름 방식은 윤축 블리더 저항기를 통해 트랙을 통해 흐르는 미량의 전류에 따라 달라집니다. 전류는 중앙 홀을 통해 변류기로 감지됩니다. (이미지 출처: Circuitous.ca)

이러한 방식에는 나름의 단점이 있습니다. 감지되는 모든 차량에는 블리더 저항기가 추가되어 있어야 하는데 블리더의 최적값은 감도와 허위 트립, 트랙 길이, 관련 IR 강하 등의 요소 간의 관계를 조정한 값입니다.

단순한 DC를 넘어선 네트워크

애드온 기판이 점점 다양해지고 정교해지면서 비용, 복잡성, 비호환성, 유지보수 문제가 지속이 불가능한 수준에 이르렀습니다. 또한 트랙 레일로부터 직접적으로 모터에 전력을 제공하는 경우 불가피한 문제가 있습니다. 모든 엔진의 전압이 동일해 개별적인 제어가 불가능하다는 점입니다.

유일한 실질적인 DC 기반 해결책은 트랙을 전기적으로 분리된 블록으로 나누고 여러 전력 팩을 엔진당 하나씩 사용하는 방법입니다. 기관차가 한 블록에서 다음 블록으로 이동함에 따라 레이아웃 작동자가 제어 전력 팩을 전환해야 합니다. 동시에 2대 ~ 3대 이상의 기관차를 운행하면 관리가 어려워집니다. 반자동 체계가 있기는 하지만 유연하지 않으며 복잡하고 비용이 많이 들기 때문입니다.

다행히 IC와 온칩 전력 제어(MOSFET)로 이러한 문제를 해결할 수 있었습니다. 1990년대 중반, NMRA(National Model Railroad Association)와 업계 벤더들은 모델 철도 작업을 네트워크화하는 DCC(Digital Command Control)라는 공개 표준을 제정했습니다. DCC에 따르면 트랙에 항상 최대 전력이 공급되며 각 기관차에는 ID와 네트워크 노드가 할당됩니다. 코딩된 신호가 트랙에 전달되어 용량이 약 1암페어(A)인 내장형 모터 제어기 IC를 통해 해당 ID에 얼마나 많은 전력이 전달되어야 하는지 알려줍니다. DCC는 여러 문제를 해결하고 Wi-Fi와 마찬가지로 모든 벤더에 걸쳐 사용되면서 빠르게 주목받기 시작했습니다. 기관차는 네트워크 노드로, 각 기관차는 데이터 버스의 역할을 하는 레일을 통해 지시를 받았습니다.

곧 DCC는 기관차 속도 제어를 넘어 더욱 폭넓게 사용되었습니다. 기판에 실장된 IC와 작은 스피커에 모두 DCC 명령으로 제어되는 음향 효과가 프로그래밍되었습니다. 트랙 분기선(스위치라고도 함) 설정과 기타 비동력 기능을 위한 DCC 호환 모터가 있으며, 이는 모두 특수 DCC 디코더 IC와 고유 노드 ID 덕분에 가능했습니다. 현재 DCC는 대부분의 레이아웃에 사용되며 거의 “플러그 앤 플레이” 시스템으로 발전했습니다. 이를 통해 작동 시나리오와 자동화된 스위칭 시퀀스를 사전 설정하면 PC나 스마트폰을 통한 레이아웃 작동도 가능합니다.

여전히 문제가 되는 전력 차단

대부분의 네트워크가 마찬가지로, DCC에는 한 가지 큰 약점이 있습니다. 전력이 차단되면 작동하지 않는다는 점입니다. 트랙 간의 간격으로 인해 트랙 작동 블록이 분리되는 경우, 레일이 서로 겹치는 역방향 루프로 인해 극성이 즉시 전환되어야 하는 간격이 있는 경우(그림 3), 분기점에서 트랙의 물리적 연결에 간격이 있는 경우, 바퀴와 트랙 접점의 간헐적 혼선 등 다양한 이유로 디코더에 이어 모터에도 짧지만 손상을 일으키는 DC 전력 손실이 발생할 수 있습니다. 저속 상태에서는 간격을 통해 전달될 만큼의 모멘텀이 발생하여 수동적인 개입(미는 힘)이 필요한 경우도 있습니다.

그림 3: 전력 공급에 2개의 트랙 레일을 사용하면 역방향 루프는 불가피하며 트랙이 자체적으로 역방향으로 회전할 때 발생합니다. 루프를 분리하여 기차가 루프 상태인 동안 DPDT 스위치로 메인 트랙의 전력 극성을 전환해야 합니다. (이미지 출처: The Spruce Crafts)

첨단 부품으로 다시 한번 이 문제가 해결됩니다. 부품은 약 20V ~ 25V의 출력을 제공하기 위해 몇 개의 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결하고 패키지를 기판에 장착함으로써 “데드 존” 기간 내내 “킵-얼라이브”(“스테이-얼라이브”라고도 함) 전력을 제공합니다. 슈퍼 커패시터는 레일을 통해 지속적으로 충전되어 단순하면서도 효과적인 솔루션을 제공합니다(그림 4). 대표적인 슈퍼 커패시터로는 10밀리패럿(mF), 5.5V 장치인 Kemet FM0H103ZF이 있으며, 5개를 순차적으로 사용하여 1초 ~ 2초간 일반적인 HO(1:87) 크기의 기관차에 충분한 DC 전압과 에너지를 공급합니다.

그림 4: 일반적으로 일련의 슈퍼 커패시터가 모터 제어기 IC 전력 연결과 나란히 위치하면 전력 레일의 간격을 넘나들며 엔진에 예비 전력을 제공할 수 있습니다. 실제 정전 용량 값은 원하는 예비 전력 사용 시간에 따라 달라질 수 있습니다. (이미지 출처: Model Railroader Hobbyist Magazine)

이러한 솔루션에는 한 가지 문제점이 있습니다. O(1:48)와 같은 소형에서 중형 모델 디젤 기관차에는 작은 슈퍼 커패시터를 위한 공간이 없는 경우가 많고 HO(1:48), S(1:64), N(1:160), TT(1:120), Z(1:220)와 같은 더 작은 기관차에는 공간이 전혀 없습니다. 하지만 구식 증기 기관차 모델은 슈퍼 커패시터를 위한 공간을 제공하는 텐더(실제로 목재 또는 석탄)가 부착되어 있어 슈퍼 커패시터 “킵-얼라이브” 팩을 사용할 수 있습니다.

향후: 트랙 없는 전력 공급

기관차에 전력을 공급하는 것은 간단하다고 생각하기가 쉽습니다. 전력 레일뿐 아니라 DCC 시스템의 인코딩된 데이터로도 사용할 수 있는 확실한 트랙 레일이 2가지 있습니다. 하지만 현실적으로 이러한 레일을 통해 전력을 안정적으로 공급하는 것은 위에 언급된 이유로 인해 계속 문제가 됩니다.

이 경우에도 기본적인 전기 부품의 발전으로 인해 혁신적인 대안을 마련하고 있습니다. 트랙 레일에서 전력을 끌어오는 대신 충전용 배터리를 통해 필요한 전력을 기판에 보유할 수 있다면 어떨까요? 트랙을 통한 전력 공급에 관련한 다양한 문제가 갑자기 전부 사라지게 됩니다. 특히 녹, 부식, 나뭇잎, 풀, 기타 장애물로 인해 레일 기반 전력 경로가 방해받을 수 있는 실외 “정원” 레이아웃인 G(1:24)와 같은 비교적 큰 모델에 이를 구현한 모델러들이 있습니다.

트랙이 선으로 연결되어 있지 않다면 엔진을 어떻게 제어할까요? 레일 기반 DCC 경로 대신 RF 프런트 엔드가 있는 DCC 디코더를 내장하는 단거리 무선 링크 모듈을 사용합니다. 모든 필요한 모듈은 표준형, 특수 제조업체의 규격품으로 제공되며 일반적인 설치 시 런타임은 20분 ~ 30분입니다.

배터리가 발전함에 따라 많이 사용되는 비교적 작은 규모에도 온보드 전력 사용이 가능해질 수 있습니다. 이는 모델 철도 작업에 있어 DCC만큼이나 극적인 진정한 패러다임의 전환이 될 것입니다. 이는 향상된 배터리 에너지 밀도의 이점을 활용할 수 있는 전기 자동차(EV)만이 아닙니다. 여러 번 확인된 것처럼 잘 지정된 대상 영역에서의 개선은 관계가 없는 응용 분야에도 혜택을 제공하는 경우가 많습니다.

참고 자료 및 자세한 정보:

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