Treni 9V, binari e l’inclemenza del tempo che passa

I treni LEGO® esistono fin dal 1966, e da sempre hanno un posto particolare nel cuore degli appassionati. Quanti della mia età, da bambini, hanno sospirato sfogliando il catalogo, ammirando i treni e immaginando di poterci giocare.

In oltre cinquant’anni il tema dei treni è stato costantemente aggiornato, beneficiando di materiali e tecnologie più moderne, anche per seguire l’evolvere delle normative sulla sicurezza dei giocattoli.

Di conseguenza, per un AFOL, i treni vengono categorizzati in funzione del periodo e del tipo di funzionamento:

  • 4,5V – alimentati con una batteria piatta da 4,5V tre batterie da 1,5V a bordo del treno stesso (grazie Domenico, ho fatto confusione con il pacco batterie dei trenini Lima, più o meno stessa epoca). I binari erano costruiti usando pezzi separati per traversine e travi: chi è più Adult ricorderà i binari blu.
  • 12V – alimentati a trasformatore, usavano gli stessi binari dei treni a 4,5V con un ulteriore segmento centrale per distribuire la corrente a 12V per tutto il percorso. Era compatibile con il materiale a 4,5V, ma solo come elementi costruttivi, non i motori. Il locomotore aveva un elemento per prelevare l’alimentazione dal segmento centrale.
  • 9V – alimentati a trasformatore. Usavano un tipo differente di tracciato, fatto in un solo pezzo, con una copertura metallica sui binari per distribuire la corrente lungo il percorso. L’alimentazione era prelevata dalle ruote in lega metallica del blocco motore.
  • 9V RC – Con questa serie LEGO ritorna un po’ alle origini, con il locomotore autoalimentato con le batterie, i binari completamente in plastica, anche se identici e perfettamente compatibili a livello di incastro con quelli della serie “9V”. Unica novità è il telecomando a raggi infrarossi (quelli di qualsiasi telecomando della TV). Nel locomotore c’è un monoblocco costituito dal portabatterie e dal ricevitore del telecomando.
  • Power Functions™ (PF) – LEGO ingegnerizza il tutto, creando una serie di elementi componibili (in parte compatibili con la serie “9V”): telecomandi (piccolo e grande), pacco batterie (piccolo, specificamente pensato per i treni, e grande), ricevitore a infrarossi, motore da treno, motori generici (usati spesso con la serie Technic™), luci e connettori.

I più amati

Al netto di qualche eccezione, le serie “9V” è la più amata e cercata dagli AFOL: il Metroliner e il Santa FE sono due icone, per un appassionato. Se siete fortunati, potete ammirarli in qualche diorama di città durante gli eventi, che camminano senza sosta nel circuito ferroviario.

Gli elementi “9V” sono anche molto utilizzati per motorizzare altri treni originali LEGO, come ad esempio l’Horizon Express nella foto sotto.

ItLUG Latina 2014
LEGO Horizon Express motorizzato
ItLUG Porto San Giorgio 2014
Un bel locomotore E656 con i colori delle Ferrovie dello Stato

Nella zona inferiore si vedono bene i binari con la copertura metallica che trasporta l’alimentazione per tutto il circuito.

ItLUG Latina 2013
Il treno Italo di NTV

Nelle foto sopra si vede il riflesso delle ruote metalliche nell’Horizon Express, nel locomotore con la livrea delle Ferrovie dello Stato e nel modello di treno Italo: tutti sono motorizzati a 9V. Nella comunità degli AFOL è presente una folta schiera di appassionati di treni che propongono modelli a mattoncini dei treni più noti o più caratteristici.

Durante gli eventi questi treni sono in continuo movimento, animando il diorama ed attirando lo sguardo dei visitatori.

I problemi arrivano puntuali

Come è facile immaginare, gli AFOL che si cimentano con i circuiti ferroviari devono mettere in conto una serie di problemi:

  • I motori elettrici non sono eterni: conosco alcuni AFOL che hanno un cassetto pieno di motori guasti o esauriti per l’uso. Dopo un evento di due giorni in cui i treni hanno camminato quasi incessantemente, fra surriscaldamento e usura è facile perdere un motore.
  • La copertura metallica dei binari non è indistruttibile: si ossida, si consuma, qualche volta si rompe. L’ossidazione inoltre rende meno efficiente la conduzione dell’alimentazione dal trasformatore al motore del treno, per cui capita che in alcuni circuiti molto lunghi i treni si trovino ad arrancare nella parte più lontana dal punto dove è collegato il trasformatore.
  • LEGO non produce più né i binari, né i motori 9V. Avendo convertito la produzione alla serie Power Functions (PF per gli AFOL), i binari sono sì compatibili come incastro, ma non hanno più la copertura metallica. Non ci sono più i motori con le ruote metalliche, quelli PF hanno i fori per gli assi Technic, invece delle ruote. Ci sono addirittura dei progetti per produrre i binari 9V da parte di fornitori indipendenti, o guide di altri AFOL per trasformare i binari PF in 9V.

Tanto vale che si sappia da subito: non esiste una soluzione che sia facile, economica e accettabile dai puristi. Per prima cosa andiamo a vedere tutti gli aspetti del problema.

A tempo perso

Ho provato ad indagare su possibili sostituzioni del motorino elettrico interno al blocco di trazione, ma le cose si sono da subito dimostrate piuttosto difficili. Il motore utilizzato è prodotto dalla Mabuchi Motor, un’azienda giapponese i cui motori elettrici sono in tutti i giocattoli, i piccoli elettrodomestici (spazzolini da denti, minifrullatori, rasoi) e praticamente qualsiasi cosa a movimento elettrico: specchietti retrovisori, tergicristallo, serrature, avvitatori, minitrapani, aspirapolvere robot, ecc.

Il blocco di trazione aperto
Il blocco motore aperto

Mabuchi produce su specifiche del cliente soprattutto motori personalizzati (ordinativo minimo 10.000 pezzi), e verosimilmente il motore dei treni LEGO a 9V appartiene a questa categoria: ha un doppio albero, con un ingranaggio in ottone ad ogni estremo, una configurazione molto particolare. Non è l’unica difficoltà:

  • il motore è perfettamente incastrato nel suo alloggiamento all’interno del blocco di trazione, senza usare colle, viti o altri meccanismi di blocco, quindi le misure sono calibrate per quel motore specifico.
  • la lunghezza dei due alberini è calcolata esattamente per l’alloggiamento del motore. Un millimetro in più e andrebbero a toccare l’alberino del primo ingranaggio di riduzione
  • Il motore ha i contatti di alimentazione nella parte posteriore, posizionati ad angolo di circa 45° rispetto all’asse di simmetria orizzontale, una configurazione molto meno usata in questa categoria di motori elettrici, dove i contatti sono nella parte superiore rispetto al corpo motore, ed orientati verso l’esterno, rispetto all’albero del motore.
L'interno senza il motore
L’interno senza il motore. Notare la disposizione delle molle che prelevano la corrente dalle ruote

Volendo comunque tentare, ho sfogliato con pazienza il catalogo Mabuchi avendo come campione un motore guasto prestatomi da un altro amico AFOL. Ho anche passato un po’ di tempo sfogliando i cataloghi online di Amazon e AliExpress, ad alla fine ho trovato che il modello appartiene alla serie denominata PC/FF/FC-260, ma qui le cose, paradossalmente, si complicano ancora di più: nessuno di quelli trovati ha il doppio albero, ed è già un problema, e pochissime versioni hanno i contatti sul lato posteriore. Per di più esistono differenti versioni per differenti tensioni di lavoro, ognuna con avvolgimenti specifici per l’uso o la tensione di lavoro.

Tre differenti motori
Tre differenti motori: al centro il tipo 260, quello LEGO, a sinistra il tipo 280, 3 mm più lungo di quello LEGO, a destra il tipo 130, più piccolo

Per capirci, lo stesso motore può avere un avvolgimento pensato per lavorare a 12V costanti, mentre un altro lo ha per poter lavorare con una tensione fra 3 e 6V: scambiando i due, quello da 12V non girerà fino a quando non avrà almeno 6-7V in ingresso, e comunque con pochissima coppia (che sarebbe in parole povere la forza di torsione che può esercitare sull’asse), mentre quello da 6V alimentato a 12V girerà come se avesse il turbo, per poi bruciarsi in poche ore di funzionamento. Poi ci sono i motori costruiti per girare in un solo senso, quelli a coppia elevata, quelli ad alta velocità di rotazione… insomma, è impossibile individuare il motore giusto.

Pur ammettendo di rinunciare al doppio albero, di accettare il rischio di prendere un motore con la tensione di lavoro sbagliata e di adattarsi a modificare il collegamento dell’alimentazione usando i contatti in alto, invece che posteriormente, abbiamo ancora due elementi di cui capire il funzionamento.

In un alloggiamento fra il motore e i contatti a molla delle ruote c’è un piccolo disco di circa 5mm di diametro, spesso meno di un mm. Misurandolo con un tester è un buon conduttore, ma ha una caratteristica ben precisa: se scaldato oltre una certa temperatura si trasforma in un cattivo conduttore.

Il termistore
Il termistore PTC

Il nome tecnico di questo componente elettronico è PTC o più precisamente termistore PTC: la sua resistenza al passaggio della corrente dipende dalla temperatura. Più si alza la temperatura, più oppone resistenza al passaggio di corrente, diventando simile ad un interruttore. La sua funzione è doppia: se il motore si surriscalda, il calore aumenta la resistenza del termistore, che gradualmente riduce ed annulla la corrente che passa nel motore, impedendo che si bruci. L’altra funzione è di prevenire il sovraccarico: tutti i motori elettrici hanno un assorbimento di corrente che dipende dal carico applicato. A vuoto, ossia senza alcun carico, con l’albero libero di girare, l’assorbimento è minimo; man mano che si aumenta la forza frenante, ad esempio aggiungendo vagoni al treno, l’assorbimento aumenta fino a raggiungere la cosiddetta corrente di stallo, ossia la corrente assorbita quando il motore è carico al punto che non riesce a girare pur essendo alimentato alla tensione giusta. In questa situazione la corrente assorbita è massima e l’energia assorbita viene tutta convertita in calore: se non si interviene il motore si brucia, ma il termistore al passaggio di una corrente elevata si scalda ed inizia ad aumentare la propria resistenza, diminuendo la corrente che passa per il motore.

Dettaglio dei contatti elettrici
Il cilindretto nero inserito fra i contatti di alimentazione

L’altro componente elettronico, il piccolo cilindretto nero, è un diodo soppressore di transienti, detto anche transzorb, ossia un componente che assorbe i disturbi elettrici generati durante il funzionamento dallo strisciare delle spazzole sul rotore interno. Questi disturbi possono risalire il circuito di alimentazione e passare indietro dal trasformatore alla linea elettrica, causando interferenze ad apparecchiature elettroniche collegate alla stessa rete di distribuzione: per questo è necessario l’uso di un soppressore di transienti.

La sua sigla completa è BZW04P15B, ed è capace di assorbire tutti i disturbi generati dal motore. La sua tensione di intervento nominale è di 15V, come indicato dalla sigla stessa, per cui se si tenta di alimentare un motore 9V con tensioni superiori a 14-15V si brucia prima questo componente, che può sopportare correnti di oltre 12A ma solo per millesimi di secondo (che è caratteristica propria del tipo di disturbi generati da un carico induttivo come appunto un motore elettrico), di seguito si brucia il motore, per il sovraccarico, se non interviene prima il termistore.

Il Power function

Il motore treni PF è apparentemente identico, ma fin dal metodo di apertura si notano le differenze: mentre il 9V occorre “romperlo” (si devono tagliare tutte le linguette nella parte inferiore con un coltello da modellismo, il famigerato X-acto di Lord Business), il PF usa sei viti a testa Torx.

Confronto fra un 9V ed un Power Function (sopra)
In alto un motore Power Function, in basso il 9V

Il motore è lo stesso, anche se ha i contatti di alimentazione disposti sul lato del corpo motore, invece che sul fondo, e sono saldati. Manca il soppressore di transienti, mentre il termistore è saldato su uno dei contatti di alimentazione.

Dettaglio del termistore
Il motore estratto dalla sede, il dischetto giallo è il termistore

Per il resto la configurazione di massima è identica. Il soppressore di transienti non serve perché il treno è alimentato a batteria, quindi i disturbi non possono arrivare alla linea di distribuzione elettrica, non essendoci un collegamento.

Prima soluzione (i puristi passino oltre)

Sostituire il motore del 9V con il motore usato dal PF. Vi sono dei tutorial su Youtube in proposito. Occorre un saldatore a stagno per l’elettronica (a bassa potenza, 40W al massimo) e un po’ di manualità.

Occorre però notare che la soluzione presenta qualche svantaggio:

  • Si rovina un motore PF (prezzo di listino 14€, anche se si può trovare a meno su Bricklink)
  • Serve buona manualità e saper saldare

La soluzione è valida, ma non alla portata di tutti.

Seconda possibilità (meno lavoro, qualche compromesso)

Dopo un po’ di brainstorming con il mio amico Ernesto (creatore del modello Italo di NTV), complice il caldo dell’evento di Albano e una birra ghiacciata, abbiamo pensato ad un sistema meno laborioso, accoppiando un motore 9V guasto con un motore PF.

Dopo aver aperto il blocco motore 9V, si estrae il motore, si sfilano i contatti elettrici a molla che tengono il cilindretto nero del soppressore di transienti e si tolgono i due alberini più piccoli. Lo scopo è di scollegare il motore dal circuito di alimentazione e far sì che le ruote girino libere, senza passare il movimento al motore. Si deve togliere anche il dischetto del termistore, dato che la corrente non passerà più attraverso di esso, e sfilandosi dalla sede potrebbe andare a creare cortocircuito da qualche parte.

Gli elementi da rimuovere
I pezzi da rimuovere

In questo modo le ruote pescheranno alimentazione dai binari come nel funzionamento normale, ma non alimenteranno più il motore. Invece i contatti elettrici nella parte posteriore del blocco motore saranno alimentati, e qui viene l’idea: usando un cavetto di prolunga tipo #60656, venduto singolarmente nel set #8886, che funziona anche da adattatore fra il sistema 9V ed il sistema PF, si collega il motore PF ai contatti elettrici del blocco 9V, che sarà così alimentato dai binari 9V, attraverso il blocco motore 9V.

L'interno con le parti rimosse
L’interno con i pezzi rimossi. Deve essere tolto anche l’altro alberino, ovviamente

Il motore guasto deve rimanere al suo posto per appesantire il blocco di trazione 9V, altrimenti il contatto elettrico fra le ruote ed i binari non sarà affidabile. Si può anche sostituire del tutto il motore con un peso equivalente in metallo, oppure utilizzare qualcosa tipo la pasta modellabile che solidifica all’aria (tipo il DAS), stando ben attenti a non ostacolare la rotazione delle ruote o a non cortocircuitare i contatti elettrici.

Lo svantaggio di questa soluzione è che riduce un po’ il campo di applicazione, in quanto è utilizzabile solo nei modelli che usano due carrelli identici, uno dei quali come blocco motore. Adattarlo ad altri modelli potrebbe essere difficoltoso, o comunque richiedere una parziale revisione del modello.

“…non mi piace nessuna delle due!”

Eh, peggio per te. Oppure…

Sto lavorando ad alcune ipotesi di alimentare i treni con accumulatori al Litio, usando circuiti e soluzioni non LEGO. Appena ho terminato gli esperimenti pubblicherò progetti ed istruzioni e staremo a vedere. Per ora portiamo pazienza.

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