jueves, 29 de diciembre de 2011

¿A qué juega Märklin?




El comentario que voy a hacer, ha surgido a veces en reuniones de aficionados a esta escala en algunas ocasiones, pero ayer pude sentirlo una vez más muy de cerca.

Resultó que un compañero de un foro, ofreció la venta de unos cuantos vagones, entre los que estaban tres de la referencia 8605 Este vagón es el clásico vagón cerrado de dos ejes que se ha usado en todos los ferrocarriles del mundo para el trasporte de toda clase de mercancías. Marklin ha fabricado este vagón desde el comienzo de la escala Z, pero curiosamente si miramos el enlace que he puesto en su referencia, aparece ahora en la base de datos de Märklin como "Article not produced anymore", es decir, si mi inglés no desfallece, parece que no sólo no lo fabrican ya, sino que no tienen intención de volverlo a fabricar.

Pero lo grave del caso, es que este caso no es una excepción, hay una determinada variedad de vagones que podíamos llamar "estándar" entre los que están este cerrado, pero también el de bordes bajos 8610, las góndolas 8622, los frigoríficos 8600, las cisternas 8611, etc que son los que la mayoría de los aficionados utilizamos para formar nuestros trenes de mercancías y que han figurado durante décadas en los catálogos, y que ahora, según dice Märklin no se van a fabricar anymore.




Por lo que se ve, Märklin pretende sacar al mercado solamente unos pocos vagones al año y venderlos en series muy cortas. A todos nos gusta tener alguno de estos vagones muy especiales, como el de la imagen superior, pero no se puede pretender formar trenes de mercancías que reproduzcan los reales a base de "piezas únicas" pensadas más para el coleccionismo que para verlos rodar en una maqueta.

El aficionado que quiere ver rodar sus trenes en una maqueta, necesita una variedad de vagones "standard" que se puedan comprar fácilmente y a precios económicos. Los trenes de mercancías se caracterizan por estar formados por cortes de vagones iguales, a veces en tal cantidad que el tren completo tiene un único tipo de vagones.

El tren que vemos en la imagen de la cabecera lleva diez vagones iguales del tipo 8605. Alguno de estos vagones proviene de mi primer set de iniciación, comprado hace más de treinta años. Algunos otros de estos vagones los compré tan sólo ayer a este compañero. El resultado es un tren de mercancías absolutamente fiel a la realidad.

Pero si yo fuese un aficionado que empieza ahora a meterse en esta escala, ¿cómo podría hacerme con diez vagones de ese modelo? Si fuera por Märklin, no podría porque ese vagón, ni ningún otro de tipo "standard" se fabrica ya anymore.

Afortunadamente tenemos el mercado secundario (léase E-Bay), pero hay mucha gente que se siente recelosa de comprar en E-bay, sobre todo cuando se le dice que tiene que entrar en el mercado de Alemania.

Si yo fuera un novato que estuviese pensando introducirme en la escala Z y alguien me dice que el principal y casi único fabricante, sólo saca media docena de vagones al año, eso si, muy especiales y muy caros, pero que no fabrica material mas normal a precios asequibles para poder formar composiciones de muchos vagones, me pensaría muy mucho dar el paso a esta escala.

En definitiva, la política de Märklin parece mucho más enfocada al coleccionista que al maquetista. La verdad es que tampoco trata muy bien al coleccionista con esa costumbre muy suya de sacar un producto especial y exclusivo en serie limitada, y luego volver a sacarlo al cabo de un par de años, pero es que por lo que parece se olvida totalmente de los que queremos hacer rodar sus trenes por nuestras maquetas.

Así que como de costumbre, me quedo perplejo cuando analizo la política comercial de Märklin. ¿no sería lógico que fabricase, al menos en cuanto a vagones de mercancías, una variedad de modelos sencillos y baratos para poder formar trenes reales con muchos vagones iguales? Además los moldes de esos vagones los tiene que tener ya super amortizados. Realmente lo ha hecho durante muchos años, ¿porqué ahora cambia de política? ¿A qué están jugando?



jueves, 22 de diciembre de 2011

Navidad en Suiza


El año pasado, publiqué un artículo (Queridos Reyes Magos....) en el cual contaba como mi regalo navideño, había consistido en el set de dos locomotoras cocodrilo suizas, que Märklin había distribuido como conmemoración de su 150 aniversario (Ref 88888).

También comenté que esta adquisición era atípica en mi colección, ya que me había centrado siempre en locomotoras de vapor alemanas y preferentemente de época II.

El caso es que desde entonces, tengo en mi colección esas dos cocodrilos suizas que junto con la E 44 de la DRG que tenía desde hace bastantes años, formaba un incipiente parque de locomotoras eléctricas.

A lo largo de este último año tuve la oportunidad de adquirir a buen precio en E-Bay una E 94, también de la DRG. La hemos visto protagonizar el video de demostración del control PWM09. Por cierto, no se si he tenido mucha suerte, pero todas las locomotoras que he comprado en E-Bay me han llegado siempre completamente nuevas o con un uso mínimo. No fue este el caso con la E 94, que aunque no estaba deteriorada tenía sígnos de haber rodado mucho. Mas bien muchísimo, Bueno, no me importó porque ya contaba con cambiarle el motor por uno de cinco polos, así que la desarmé totalmente, le di un buen baño de alcohol isopropílico, y le puse un nuevo motor y luces de Leds sumunistradas por Z.Hightech. Me ha quedado como nueva, Bueno, mucho mejor que nueva, porque esta locomotora, de referencia 8822, no ha tenido nunca motor de cinco polos, ni luces de Led.  Por eso se la ve en el vídeo que antes citaba, encendiendo sus luces antes de arrancar, y moviéndose a velocidades super lentas.

Pero en todo caso, esta E 94 es también de la DRG, así que las dos locomotoras cocodrilos del aniversario seguían siendo las únicas no alemanas de mi colección.

Pero este año, me he decidido a volver a explorar el territorio helvético y mi regalo navideño ha consistido en el set de tren 81418 que pillé hace poco por E-bay. La verdad es que este año el regalo ha llegado con un cierto adelanto, así que habrá que atribuírselo a Papá Nöel.

Por contraste con el anterior comentario, este set está absolutamente nuevo, a pesar de que según el catálogo, dejó de fabricarse en 2005. Incluso la caja está perfectamente nueva y brillante, así que ha sido una buena compra.

 La verdad es que siempre me había llamado la atención esa pequeña locomotora eléctrica (de nombre "Ae 3/6 II) con rodaje de "Pacific" que Märklin ha producido durante años con la referencia 8851 en color marrón. Esta, de color verde, sólo se puede adquirir como parte del set 81418, que incluye dos vagones y un furgón a juego. Siempre había pensado que acabaría por comprar una de estas locomotoras, asi que el otro día, vi el juego en subasta, y me fui por él.

La verdad es que es un tren precioso, con su furgón y sus dos vagones marcados con los llamativos logotipos de la SBB. Aunque son vagones iguales de 1ª y 2ª clase, tienen distinto número de matrícula. Supongo que la matrícula de la locomotora 10409 será también distinta de la versión marrón.

El único defecto, si podemos llamarlo así, es que se forma u tren demasiado corto, La solución evidentemente es buscar vagones sueltos que existen con la referencia 8748. De hecho ya he pillado uno y estoy a la espera de localizar algún otro.

Bueno, yo siempre he dicho que me gustaban las locomotoras de vapor, y las eléctricas de la primera época. Creo que sin salirme de Märklin, ya he completado todos los tipos de locomotoras eléctricas de esa primera época, y no parece que Märklin esté por la labor de sacar algo nuevo en esta línea.

Bueno, pues a ver cuando vemos todas estas novedades rodar por la maqueta!






viernes, 2 de diciembre de 2011

PWM (y III)

Habíamos quedado, para este artículo, en comentar el famoso problema que se produce cuando tenemos más de un controlador PWM y un tren pasa de una zona de vía alimentada por uno, a otra zona de vía alimentada por un segundo controlador.

A mi me llamó la atención sobre este problema, mi amigo Angel, que en su blog, escribió un par de artículos, ilustrados con vídeos acerca de lo que ocurría en estos casos. Estos son los citados artículos:

Transiciones I

Transiciones II

En resumen, el tema es el siguiente: En la imagen de la cabecera, la locomotora avanza de izquierda a derecha, y en un momento dado pasa de una zona de vías que he representado en rojo alimentada por un controlador PWM, a una segunda zona de vías representadas en verde, alimentadas por un segundo controlador PWM

He representado en rojo la corriente generada por el primer controlador y en verde la generada por el segundo controlador. Ambos gráficos (A y B)  corresponden a pulsos de aproximadamente un 25% de anchura, y por lo tanto a una velocidad moderada, que será a la que se mueva el tren al llegar al punto de transición. Con el mando de uno y otro controlador puedo igualar prácticamente la anchura de pulsos, de manera que a uno y a otro lado del punto de cambio el tren se mueva a velocidad muy similar y no se debería notar ninguna anomalía al pasar de una zona a otra.

Pero, si bien puedo igualar la anchura de pulso de las dos ondas A y B, no puedo hacer nada para garantizar que estén en fase. De hecho, por muy iguales que sean ambos controladores las dos ondas tendrán frecuencias ligeramente distintas, de manera que aunque en un momento determinado coincida que estén en fase, enseguida perderán la sincronización.

Bien, pues lo que ocurre es que en una posición como la representada para la locomotora, las ruedas traseras toman corriente de la sección de vía roja, y por lo tanto con la forma de onda B y las ruedas delanteras toman la corriente de la zona verde, y por lo tanto con la forma de onda A. Como ambas ruedas están conectadas al motor, el motor recibe ambas ondas, y como resultado recibe una forma de onda que es la suma (más bien la envolvente) de ambas ondas que en este caso está representada en C.

Como se ve esta onda es también una onda cuadrada pero ahora sus pulsos son del orden del 50% de anchura, lo cual hace que la locomotora tienda a ir más deprisa. Esto solo dura mientras unas ruedas captan corriente de una zona y las otras de la segunda zona, lo cual se traduce en un "tirón" cuando la locomotora atraviesa de una a otra zona.

El efecto es más llamativo cuanto más larga sea la locomotora (porque estará más tiempo a caballo entre ambas secciones), cuanto más despacio se mueva, y además hay un factor aleatorio que depende de lo más o menos desfasadas que estén las ondas en el momento del paso,

Bueno  pues este tirón es lo hace fea la circulación con varios reguladores PWM y puede ser la causa de su poca popularidad, a pesar de sus ventajas evidentes. Como ya dije en otro artículo, pienso que esta es la causa de que las principales marcas huyan de incluir controladores PWM en sus catálogos.

Sin embargo, no es difícil soslayar este inconveniente, y de hecho la forma de hacerlo es una buena práctica en cuanto a la alimentación de varios circuitos de vía, con varios controladores, aunque estos no sean de tipo PWM.

Como ilustración de lo dicho hasta ahora, véase el video siguiente. En la pantalla del osciloscopio vemos la señal producida por dos circuitos PWM idénticos (son los construídos por mi, según lo visto en el artículo anterior). Uno de ellos produce la onda roja y el otro la amarilla. El osciloscopio está sincronizado a la onda roja, que por lo tanto queda inmóvil en la pantalla, La amarilla, sin embargo, vemos que avanza constantemente porque su frecuencia es ligeramente difererente. Este efecto es inevitable, por muy iguales que sean ambos circuitos.

En un momento dado, se pide al osciloscopio que genere la onda SUMA de la roja y la amarilla. El resultado se muestra en la pantalla como una onda verde. Esto no es exactamente lo que llega al motor ya que la suma de dos ondas de 9 Voltios dá picos de 18 Voltios y esto no ocurre en el motor, que como decíamos recibe una onda envolvente y no suma de las dos componentes, pero ilustra bastante bien, el tipo de onda que llega al motor cuando se suman las dos componentes y cómo la forma de onda de esta suma varía grandemente según el punto de desfase que hay en cada momento entre las ondas componentes.

video

Visto el problema y su causa, veamos a continuación la forma de evitarlo:

El circuito más elemental, con el que todos hemos empezado es el típico óvalo alimentado con un solo controlador.

En este circuito, como el representado en la figura 1, no hay ningún problema, porque no hay ninguna transición entre dos circuitos.


Figura 1:  óvalo con una alimentación
Podemos complicar cuanto queramos este circuito, añadiendo desvíos,más vías, apartaderos, vías de sobrepaso, etc etc. Mientras no haya más que un controlador no hay problema. Pero claro, el tema es que con esta situación no podemos hacer circular más de un tren al mismo tiempo.
Es curioso que, a día de hoy, dada la preponderancia de los sistemas digitales, muchas personas piensan que la única escapatoria a esta situación es pasar al sistema digital, donde en efecto, en un circuito así pueden circular independientemente varios trenes. Hace poco en un foro muy conocido,  un comunicante decía que tenía trenes analógicos y quería hacer circular dos trenes simultáneamente, y que en su comercio le habían dicho que era imposible. Lo más curioso es que varias respuestas del foro iban en el sentido de darle la razón a la tienda, hasta que algunos veteranos, entre los que me contaba yo, le dijimos a él, y de paso a los otros comunicantes digitaladictos, que había muchas soluciones que se habían empleado desde muchos años antes de que se inventasen los sistemas digitales, con enormes instalaciones y multitud de trenes funcionando.  

Pero vayamos poco a poco:

La primera ampliación que se suele hacer, consiste en convertir nuestro óvalo simple en un óvalo de doble vía. El deseo es imitar las líneas de doble vía, y hacer circular trenes por esta línea, cada uno por su vía en sentido contrario. Hay quien deja los dos circuitos de vía completamente aislados, pero evidentemente las posibilidades de juego aumentan mucho, si tenemos unos desvíos que permitan pasar de uno a otro de los óvalos. En resumen, en su forma más simple el circuito será algo así:


Figura 2 - Doble óvalo
Obsérvese, que lo que hemos hecho es poner unos desvíos que unen ambos óvalos. En la unión entre cada pareja de desvíos hay un aislamiento eléctrico (en el programa que he usado para dibujar las vías, AnyRail, las uniones aisladas se representan con un cuadradito a diferencia de las uniones normales, representadas con un circulito) A cada uno de los dos circuitos de vía así formados le alimentamos con un contralador distinto, de manera que el de la izquierda alimenta el circulo interior (verde), y el de la derecha alimenta el circuito exterior (rojo).

Cuando queremos pasar un tren de un óvalo al otro, además de mover los desvíos, habrá que ajustar los reguladores para que el tren encuentre a ambos lados de la unión aislada la misma polaridad, y aproximadamente la misma tensión. Esto ya es un poco delicado incluso con controladores normales (No PWM) ya que normalmente el tren sale de un circuito en marcha adelante pero entra en el otro en lo que sería marcha atrás. Desde luego si los controladores son PWM se produce el salto de un circuito a otro cuando el tren pasa sobre la unión, con el consiguiente tirón.

Hay una forma muy sencilla de solucionar todos esos problemas haciendo la conexión de la forma siguiente:



Figura 3 - Doble óvalo con controladores conmutados



Lo que hemos hecho es añadir dos conmutadores, de manera que el circuito interior (verde) puede alimentarse tanto del controlador de la izquierda (negro) como del de la derecha (violeta), y así mismo, el circuito exterior (rojo), se puede alimentar también de uno u otro controlador. Cuando hacemos circular dos trenes, conectamos cada circulo a un controlador de manera que ambos trenes funcionan de forma independiente.

Sin embargo, con un solo tren funcionando, podemos poner ambos óvalos conectados a un solo controlador, y entonces el tren podrá circular por ambas vias, pasar de una a otra por los desvios, y todo ello sin ningún problema, y sin que haya que tener cuidado de que ambas vías estén en la misma polaridad, porque siempre está controlado por una única alimentación. Evidentemente, los controladores pueden ser PWM pero como ahora no hay transición de un circuito a otro no se produce el problema del tirón. 

Consideremos ahora que un tren un tren va circulando por uno de los dos óvalos, por ejemplo el rojo, y el comnutador del óvalo rojo está conectado al controlador derecho (violeta). Si en ese momento, con el tren en marcha y en cualquier punto del recorrido, cambiamos el conmutador, y el óvalo rojo pasa a tener alimentación del regulador izquierdo (negro), ¿que ocurre?  Pues evidentemente, si este segundo regulador está bien ajustado en cuanto a sentido de la marcha y con una velocidad semejante al primero, no pasa nada y el tren continua su marca obedeciendo ahora al controlador izquierdo.

Pero resulta que si en este caso los controladores son de tipo PWM tampoco se produce ningún tirón, porque la conmutación de uno a otro controlador es instantánea y no se produce ninguna situación en la que unas ruedas captan tensión de un regulador y otras de otro.

Así que este tipo de conexión, no solo es más flexible, sino que es una buena forma de evitar los problemas de la transición entre conmutadores PWM.

En general es una buena práctica, tanto para controladores analógicos como (y sobre todo) para los PWM evitar cualquier situación en la que un tren pase de una sección de vías a otra, alimentadas por controladores distintos. Es siempre mucho mejor que cuando un tren pase de una sección a otra, en el momento del paso, a ambos lados de la unión tengamos la misma alimentación. Si luego es necesario que un tren pase a estar controlado por una segunda alimentación es mucho mejor que el cambio se produzca por una conmutación en la alimentación de la vía, incluso con el tren en marcha sobre ella.  Si se respeta esta práctica. los controladores PWM no tienen ningún problema.

Tenemos la tendencia a considerar que un controlador corresponde a una sección de vía determinada, por lo que esta forma de conexión choca un poco con este concepto, pero la alternativa que aquí he descrito es mucho mas flexible y evita muchos problemas, y en cuanto se coge la costumbre resulta tanto o más fácil de manejar que la clásica. En Estados Unidos es mucho más popular que en Europa esta forma de conexión, hasta el punto que la han bautizado con el nombre de "Cab Control"

Hay una infinidad de variaciones, y no hay que pensar que estamos limitados a dos circuitos y dos controladores. Es más ni siquiera tienen porqué coincidir el número de controladores con el número de circuitos. En la siguiente imagen vemos un ejemplo de tres circuitos con dos controladores:
Figura 4 - Tres circuitos con dos controladores


Este es un caso clásico de una estación atravesada por dos circuitos (verde y rojo) en la cual tenemos una vía de sobrepaso(azul) que como las otras puede conectarse a uno u otro de dos controladores. Cuando queremos que un tren del circuito rojo pase a la vía central, conectamos el circuito rojo y el azul al mismo controlador, mientras el otro puede continuar manejando trenes en el circuito verde. Si queremos luego que esos trenes salgan por ejemplo del circuito azul al verde, conectaremos verde y azul al mismo controlador. Etc,etc
Quiero dejar claro que, en todos estos esquemas, he representado de forma simplificada los conmutadores para interconectar circuitos y controladores. En realidad cada uno de estos conmutadores debe manejar los dos hilos de alimentación de la vía. Es importante que tengamos en cuenta que el aislamiento entre los circuitos debe ser total, es decir tienen que estar aislados los dos carriles y hay que llevar los dos hilos de alimentación a cada sector. Asi que un esquema más real de lo que sería cada uno de estos conmutadores, es el siguente:
Figura 6 - Detalle de la conexión de los conmutadores

Se trata por lo tanto de conmutadores de tipo DPDT o "dos posiciones dos circuitos" de manera que se conmuten ambos conductores (normalmente marrón y rojo) de la alimentación.

Tambén podemos utilizar conmutadores de tipo "tres posiciones dos circuitos", de manera que tendrían una posición central en que el circuito quedaría aislado, Esto es particularmente apropiado  para situaciones, como la vía azul de la figura 4. en la que podemos dejar trenes estacionados.

Estamos pensando en conmutadores manuales, pero determinadas funciones pueden automatizarse. Si en lugar de conmutadores manuales ponemos relés biestables de tipo DPDT, estos pueden ser accionados por contactos de vía (reeds, vías de contacto...) y así automatizar determinadas funciones que impliquen el cambio de controlador de alimentación para determinados sectores de vía.

El siguiente esquema, muestra una forma muy simple de conseguir una transición entre dos circuitos alimentados por PWM que funciona de forma completamente automática. Es el circuito que vemos funcionar con éxito en el segundo de los artículos del Blog de Angel antes referenciados

Figura 7 - Circuito de conmutación automática para dos controladores PWM


En el esquema, vemos una vía que se recorre en el sentido indicado por la flecha. La parte izquerda (roja) está alimentada por un controlador PWM, y la parte derecha (verde) está alimentada por un segundo controlador PWM. Lo que hacemos entonces es hacer entre ambas zonas roja y verde un tramo aislado, representado aquí en azul. En este tramo ponemos un contacto de vía (B) y otro en el tramo rojo, (A) poco antes del corte. El tramo azul sertá lo suficientemente largo como para que entre el contacto B y el corte entre la sección roja y la azul quepa holgadamente la locomotora más larga que tengamos, o incluso dos locomotoras si queremos hacer dobles tracciones.
Los contactos de las vias podrían ser las vías de contacto de Märklin o ampollas reed accionadas por imanes colocados en las locomotoras. El rele que he representado es un relé biestable de doble bobina y conmutador DPDT. Por ejemplo el que yo uso siempre: V23079-B1203-B301 de Tyco Electronics

Cuando un tren llega por la via roja, cierra el contacto A y entoces el relé conecta el tramo azul a la alimentación roja. En consecuencia cuando el tren pasa por la unión entre el tramo rojo y el azul, ambos tramos están alimentados por el mismo controlador, luego el tren pasa de uno a otro sin ninguna alteración. Cuando el tren alcanza el contacto B, el rele conmuta la alimentación del tramo azul y la une al controlador del tramo verde. Como todo el tren (al menos toda la locomotora) está sobre el tramo azul, la conmutación es instantánea y no se produce el efecto de tirón.

Cuando el tren alcanza el tramo de via verde, a ambos lados del corte la alimentación procede del controlador verde, luego de nuevo pasa sin ninguna alteración.

Como vemos la filosofía es siempre la misma: Cuando el tren pasa de un tramo a otro, ambos tramos están conectados al mismo controlador. Cuando el tren pasa de estar manejado por un controlador a estarlo por otro, se hace conmutando la alimentación de la via. Nunca el tren pasa de un tramo con una alimentación a otro con alimentación distinta.

El circuito está hecho para circulación en un sólo sentido. Con un poco más de complicación se puede hacer para ambos sentidos de circulación

Hay incluso una posibilidad toadavía más simple, y que se recoge en el esquema siguiente:


Figura 8 - Conmutación automática a la entrada de un cantón

Aquí ni siquiera hay un tramo aislado como el azul de antes. Cuando el tren cierra el contacto A el relé conecta el controlador de la izquierda al tramo verde, de manera que tanto el tramo verde como el rojo están manejados por el mismo controlador. Una vez pasado el corte, al cerrar el contacto B se vuelve a conectar el controlador de la derecha al tramo verde quedando el de la izquierda solo con el tramo rojo.

El problema de este sistema es que durante un cierto tiempo, TODO el tramo de vias a la derecha del corte, es decir todo el tramo verde, ha pasado a ser alimentado por el controlador de la izquierda, afectando por tanto a trenes que pudieran estar circulando en ese tramo verde bajo el mando del controlador derecho. Solo se debería emplear este sistema si podemos garantizar que cuando se produce esta conmutación no hay ningún tren en toda la extensión del tramo verde. Es decir, que conceptualmente el tramo verde es un cantón que está libre.

Como se puede apreciar, este automatismo está muy próximo al que se utiliza para conseguir automatizar la circulación de trenes en un circuito con acantonamiento. Si se hacen coincidir los tramos de vía que aquí hemos manejado con cantones (en el sentido de tramos de vía en los que no puede haber más de un tren simultáneamemte) los cortes de vía y los contactos que detectan los trenes pueden servir para ambas funciones. También se puede asimilar este circuito con los controles de bucles de retorno, utilizando los mismos sectores de vía y los mismos sensores

Esta filosofía es también la que se aplica en mi maqueta. (bueno que algún día se aplicará en mi maqueta). Yo voy a tener varios reguladores (en principio cuatro aunque con posibilidad de pasar a seis u ocho) y varios tramos aislados (ocho) El sistema de conmutación funciona exactamente como se ha descrito aquí, pero con la diferencia de que los controladores tienen mando electrónico, manejados por el ordenador, y los conmutadores que asignan los controladores a los tramos de vía. también son electrónicos y manejados por ordenador.

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Editado 21/05/2014

Con esta fecha se ha publicado en este Blog un artículo que vuelve a tratar este tema y presenta una solución basada en un circuito electrónico que resuelve el problema.

Este es el enlace

El "Efecto Agarpin"


jueves, 24 de noviembre de 2011

PWM (II)


Acababa el artículo anterior exponiendo las dificultades que presenta el regulador de System Jörger y preguntándome si no habrá una solución que solvente esos problemas. Tengo que decir antes de nada que estos problemas aparecen cuando se pretende utilizarlo para situaciones para las que no está diseñado, es decir para grandes maquetas en las que hay más de un circuito, para manejar varias locomotoras a la vez, etc. Como elemento para manejar una pequeña maqueta con una circulación sencilla, el regulador de Jöerger es ideal.

Pero yo me pregunté: ¿no se podría hacer un regulador con mando por PWM, pero sin pretender hacer los automatismos para arranque suave, que cuando se utilizan en más de un circuito resultan perjudiciales, y dotarle de más potencia, de modo que pueda mover cómodamente dos o tres locomotoras?  Y puestos a pensar, me di cuenta de que tenía todos los mimbres, puesto que en el circuito COLA1 tenía el diseño de un generador de pulsos de ancho variable, y en el diseño del Etapa de Potencia, tenía el diseño de una salida con una potencia más que suficiente. Así que como sólo faltaba hacer el cesto, me puse a ello, aprovechando que estaba liado con la realización de circuitos para el manejo de servos.

El diseño electrónico se ha materializado en este circuito:



Es un circuito muy sencillo, derivado del utilizado en COLA1, pero con una diferencia fundamental, ya que el pequeño transistor MPSA13, ha sido sustituído por el TIP110, montado además con un disipador. Esto hace que la corriente de salida pueda alcanzar tranquilamente los 2 Amperios. Naturalmente le he puesto una protección contra sobrecargas que en teoría corta a 1,85 Amperios.



Me plantee también la forma de alimentar este circuito. Podía haber pensado en una fuente de alimentación completa que se conectase a la red, pero he preferido seguir la tendencia actual de utilizar un "adaptador de red" que se conecta en un enchufe, y proporciona ya una corriente de tensión reducida y rectificada. En la tienda de electrónica me vendieron el adaptador que vemos en la imagen capaz de dar 2 Amperios a 12 Voltios.

¿Doce voltios? Si, en efecto parece excesivo toda vez que los trenes de Z no deberían pasar de 9 Voltios. El motivo de esto, es que no me fío de la calidad del adaptador de red, y he preferido complementar el circuito con un filtro y un estabilizador de tensión. El circuito de estabilización es el que vemos a continuación:



Aunque en esta fotografía no se ve, porque está situado debajo del disipador, el corazón de este circuito es un estabilizador L78S09 que también resiste 2 amperios Así que este circuito proporciona una corriente estabilizada de 9 Voltios con un limite de 2 Amperios. No lleva protección, porque el propio L78S09 incorpora sus propias protecciones contra sobrecarga y sobrecalentamiento.



En un principio hice un único circuito incluyendo el controlador y el estabilizador en una única placa, pero al probarlo me di cuenta que los disipadores que había usado resultaban pequeños y tanto el estabilizador como el regulador se calentaban en exceso. Tuve que buscar unos disipadores mucho más grandes, y me decidí entonces a hacer dos placas de circuito separadas. Una de las ventajas de hacer esto, es que puedo hacer por ejemplo un controlador dual con dos reguladores y un solo estabilizador. En teoría un estabilizador no puede alimentar dos reguladores ya que solo da 2 A que es el limite del estabilizador, pero ¿cuando iban a funcionar los dos reguladores a su máxima potencia simultáneamente?

Y podía decir que eso es todo, porque con esto ya funciona, pero he querido darme el capricho de hacer un montaje de aspecto profesional. No hay más que ver la fotografía de portada para darse cuenta de que efecto, he conseguido un acabado muy digno.

El montaje está hecho sobre una caja de la marca Retex, con forma de pupitre, cuerpo de plástico y tapa de aluminio. Sobre la tapa he pegado una lámina impresa con el ordenador y posteriormente barnizada, lo cual le da un aspecto muy profesional. La carátula es muy sencilla ya que contamos solamente con el mando del potenciómetro que regula la velocidad, un conmutador para el cambio de dirección, y dos pilotos para indicar el funcionamiento y la posible sobrecarga del circuito.

He bautizado este montaje como PWM09V lo cual no es muy original sabiendo que su misión es generar una corriente de tipo PWM con  9 Voltios de tensión.

Y ya en plan "chulo" le he puesto como marca, el logotipo del programa ControlZ.

Un pequeño comentario: los controladores PWM no llegan nunca a cerrar completamente la corriente. Con el mando al mínimo aún llegan a la locomotora unos pulsos muy cortos, con los cuales no se mueve, pero que tienen dos efectos curiosos: Por un lado se puede oír un ligero zumbido en la locomotora que a mucha gente le parece peligroso. Por otro lado, si las luces de la locomotora son de leds, en función de como esté hecho el circuito de luces, puede ocurrir que estos pequeños picos de tensión sean suficientes para encender las luces. Así que llevando el mando a cero, la locomotora se queda ronroneando y con las luces encendidas. La solución a esto es poner un interruptor para cortar la corriente que llega a las vías. Los reguladores de Jöeger llevan el clásico interruptor asociado al mando de velocidad, de manera que llevando el mando al mínimo y haciendo el click al final de  movimiento la corriente se corta. Bueno es una solución, pero a mi no me gusta demasiado.

Lo que yo he hecho es utilizar un conmutador de tres posiciones para el cambio de marchas hacia delante y hacia atrás. Dejando el comutador en la posición central, cortamos la corriente. Por eso el mando está marcado con tres opciones "adelante" "paro" "atrás". Dejando el mando en esta posición central, la corriente está cortada. Pero lo curioso es que estando el regulador al mínimo, si movemos el conmutador a la posición "adelante" la locomotora no se moverá, pero se encienden las luces de marcha adelante. Por el contrario, si ponemos el pulsador en la posición de "atrás" se encienden las luces correspondientes a la marcha atrás. Todo esto naturalmente suponiendo que la locomotora cuente con luces de leds. Asi que de una forma muy simple se simula el efecto que todo el mundo asocia al mando digital: La locomotora es capaz de permanecer parada con las luces encendidas y cambiar el sentido de las luces según si va a moverse en uno u otro sentido, antes de empezar a moverse.

Por la parte trasera, la caja lleva la conexión para el adaptador de red, un interruptor general, para encender y apagar el equipo y las conexiones para conectar a la vía. Inspirado en los reguladores de Märklin que llevan unas pinzas para conectar los cables, he utilizado aquí algo muy parecido, Se trata de un conector del tipo utilizado para conectar altavoces en muchos aparatos, ya que también son unas pinzas que atrapan directamente el cable pelado.

En definitiva, que ha quedado muy bonito y muy profesional, pero claro la pregunta del millón es: ¿Y funciona?

¡Naturalmente! ¿Alguien lo había dudado? (aparte de mi naturalmente).  Bueno el caso es que funciona perfectamente, tal como puede verse en el siguiente vídeo, en el que hago hincapié en las dos características más sobresalientes: La capacidad de controlar las locomotoras a velocidades muy lentas, y la posibilidad de manejar varias locomotoras de forma simultánea.




Yo creo que este regulador es una alternativa muy buena a las otras soluciones existentes para controlar nuestros trenes de escala Z, asi que como es habitual, próximamente se encontrará en la página de descargas de este blog, todo lo necesario para construir de forma artesanal uno de estos reguladores.

Y a todo esto, nos faltaba hablar de los problemas que surgen cuando alimentamos circuitos de vía contiguos, con reguladores de tipo PWM. Como el tema requiere algunas explicaciones un poco largas, lo dejaremos para un próximo capítulo.





miércoles, 23 de noviembre de 2011

PWM (I)

A lo mejor algún lector se ha sorprendido de que el artículo anterior dijese que los circuitos utilizados para mover los servos y el control de velocidad que desarrollé en su momento (COLA01) fuesen tan semejantes, que incluso me había llevado al error de utilizar para el primero el mismo transistor utilizado para el segundo, lo cual no resulta muy adecuado, aunque desde luego funcionaba perfectamente.

Pero efectivamente sorprende la semejanza de ambos circuitos, ya que ambos se basan en el circuito integrado NE555. Es curioso que este integrado, que suele denominarse como "timer" tiene un montón de aplicaciones, todas ellas relativas a la generación de impulsos.

En nuestro caso, en ambos casos, se utiliza para crear lo que se denomina una señal PWM (Pulse Width Modulation) que es una onda cuadrada de ancho de pulso variable



Las imágenes muestran el aspecto de la onda generada. Como vemos es una onda cuadrada en la cual el valor de "ancho de pulso" puede hacerse variar respecto del periodo, desde un mínimo prácticamente nulo, hasta un máximo casi igual al periodo, lo que llega a convertir la onda prácticamente en corriente continua. En la imagen siguiente vemos tres ejemplos de ondas PWM en las cuales el periodo es siempre el mismo, pero el ancho de pulso adopta distintos valores equivalentes al 25, 50 y 75 por ciento del periodo.



En un motor de corriente continua, para regular la velocidad, lo que hacemos normalmente es ir aumentando la tensión desde cero hasta un máximo que en el caso de los motores de la escala Z es de 9 voltios. El problema de esto es que estando el motor parado, si vamos aumentando lentamente la tensión, hasta que no se llega a una tensión capaz de vencer el rozamiento (de las escobillas, los cojinetes del motor, el tren de engranajes, etc) el motor no se mueve. Cuando se alcanza esta tensión, que puede ser con tres o cuatro voltios, el motor arranca, pero ocurre que el rozamiento una vez en marcha es menor que con el motor parado, de manera que una vez que la locomotora arranca, lo hace ya con una cierta velocidad, y si entonces disminuimos un poco la tensión, provocamos una situación inestable que produce la parada de la locomotora en muy poco tiempo.

Supongamos ahora que alimentamos el motor con una onda cuadrada en lugar de corriente continua, de forma que el pulso pase de 0 a 9 voltios y viceversa cada cierto tiempo.

Cuando a la locomotora le llega el pulso de 9 Voltios, como esta tensión es muy superior a la que le hace arrancar, la locomotora arrancará con intención de salir corriendo a toda velocidad, puesto que le llegan 9 voltios, su máxima tensión. Sin embargo, antes de que se alcance esa velocidad máxima, por ejemplo un milisegundo después, la corriente pasa otra vez a cero, con lo que la locomotora tiende a pararse. De nuevo antes de que se pare llega otro pulso de 9 voltios, etc. En principio la locomotora iría a tirones, pero la inercia, principalmente la inercia de giro del rotor del motor, que actúa como un volante, estabiliza el giro, alcanzando una velocidad que viene a corresponder aproximadamente a un porcentaje de la velocidad máxima, equivalente al porcentaje del ancho del pulso respecto al periodo de la onda. O sea: si el pulso dura la mitad del periodo, la locomotora se moverá como si la alimentásemos con corriente continua de 4,5 Voltios, que es la mitad de la tensión máxima.

¿Cuál es entonces la ventaja? Pues que en el momento en que la locomotora recibe un pulso de 9 Voltios, supera todos los rozamientos y arranca (digamos que no sabe si el pulso va a ser muy largo o muy corto: arranca en cualquier caso) De modo que con pulsos extrordinariamente cortos que correspondan por ejemplo a un 10% del periodo, la locomotora se moverá como si la estuviésemos alimentando con 0,9 voltios, ¡pero se moverá! De hecho la velocidad es muy lenta, pero la locomotora no deja de moverse porque los pulsos de 9 Voltios vencen los rozamientos en cada periodo.

Hay otra ligera ventaja adicional: si queremos que una locomotora se mueva despacio con corriente continua , la tendremos que mantener alimentada con corriente continua de tensión reducida, por ejemplo 4 voltios. Por el contrario con una onda cuadrada, hay momentos en que la tensión es cero, pero cuando hay tensión, hay 9 voltios. Por lo tanto es menos sensible a las caidas de tensión que se pueden producir por un contacto deficiente entre las ruedas y las vías. Lo cual es un tema extraordinariamente importante en nuestra escala.

Se podrá pensar si esta forma de mover el motor puede representar algún problema para la locomotora, por ejemplo un mayor calentamiento. No hay ningún problema puesto que el calentamiento es siempre producido por la disipación de la energía electrica consumida en la locomotora y no transformada en movimiento. La onda cuadrada transporta una energía que es proporcional al ancho del pulso, llegando a ser igual a la tensión continua cuando el ancho del pulso iguala al periodo. O sea que si el periodo es del 50% la locomotora se calentará lo mismo que si la alimentamos con 4,5 voltios de continua, que es el 50% de los 9 Voltios que puede soportar. De hecho, a velocidades muy bajas, como la locomotora alimentada con onda cuadrada, se sigue moviendo, algo de energía se emplea en ese movimiento, mientras que con la continua equivalente la locomotora no se mueve, toda la energía se transforma en calor, luego el calentamiento será incluso mayor.

Todos los decoders digitales generan corriente PWM para alimentar los motores de las locomotoras a las que se conectan. Esto ha contribuido a la buena fama de los sistemas digitales, ya que la gente asocia este buen comportamiento al sistema digital, e incluso hablan de corriente digital, cuando en realidad, los motores conectados a los decoders digitales son alimentados por corriente PWM, que no es en absoluto digital ni podría serlo, ya que un motor es un dispositivo analógico, no digital.
Todo este sistema puede funcionar en principio con cualquier frecuencia, pero parece que para la escala Z resultan especialmente apropiadas las frecuencias por debajo de los 100 Hz. Esto corresponde a un periodo de 0,01 segundos, de manera que un pulso del 10% del periodo tendrá una duración de 0,001 segundos. Obsérvese que para frecuencias mucho más altas, del orden de Kilohercios, el sistema funciona exactamente igual, pero los efectos de la inductancia de las bobinas del rotor o el efecto del condensador antiparasitario ya no pueden ignorarse, así que es mejor quedarse en estas frecuencias bajas. En los sistemas que yo he diseñado procuro quedarme en frecuencias del orden de 40 Hz, ya que ir a frecuencias más altas, estaremos dentro del espectro de frecuencias audibles, y puede ocurrir que algunos elementos del motor entren en resonancia con esa frecuencia de modo que las locomotoras produzcan un sonido, lo cual puede resultar chocante (Y hasta alarmante). En algo tan pequeño como una locomotora de Z es imposible encontrar algo que pueda entrar en resonancia a 40 Hz

La consecuencia de todo esto, es que alimentando las locomotoras con una corriente pulsante de ancho de pulso variable (que es lo que conocemos como PWM) se obtiene una regulación superprecisa de la velocidad, y en particular a velocidades lentas y muy lentas, que no se pueden alcanzar con reguladores de tensión continua variable.

Con respecto a los servos, la situación es parecida, porque el driver genera también una señal de tipo PWM, pero en este caso, esta señal NO alimenta el motor, que recibe corriente continua constante de 5 V por dos hilos (normalmente rojo y negro) La señal PWM se hace llegar al servo por un tercer cable (normalmente blanco) y no llega al motor, sino a un circuito electrónico situado en el interior del servo. Variando el ancho de pulso de esta señal, el circuito del servo hace que el servo se mueva justo a la posición determinada por la anchura del pulso. Así que si el pulso se hace más ancho, el servo se mueve a la nueva posición que corresponde a ese nuevo ancho de pulso. Normalmente los servos están construidos de forma que con pulsos de 0,001 segundos se sitúan en la primera posición extrema de su recorrido, y con 0,002 segundos se sitúan en el otro extremo. Valores intermedios hacen que el servo se pare en una situación intermedia. El periodo de la señal es poco relevante, pero suele estar alrededor de los 0,02 segundos, o sea que se trata de señales PWM con un porcentaje de pulso respecto al periodo bastante bajo.

Explicado todo esto, cuesta trabajo entender la razón por la cual es tan difícil encontrar alimentaciones de tipo PWM para la escala Z. (no hablo de otras escalas, porque desconozco su mercado, pero en ellas la tendencia clara es ir a sistemas digitales, por lo que no se necesitan alimentaciones analógicas PWM). Ciñéndonos a la escala Z, yo conozco solamente tres productos que utilicen este sistema:

System Jörger Fabrica el más conocido de los reguladores PWM, al menos para Europa. En realidad fabrica dos modelos, uno más sencillo, que vende a 22 € y el modelo de luxe que vende a 39 €. En ambos caso se trata sólo del circuito, sin caja, alimentación, y ni siquiera conmutador de inversión.


Ztrack Snail Speed Controller Es curioso el nombre de este dispositivo ya que su traducción viene a ser "Controlador de velocidad de caracol" Es un modelo bastante sencillo pero al menos tiene caja y conmutador de inversión. Su precio: 35,75 $ Está pensado para ser alimentado con una pila, pero naturalmente podemos conectarlo a una alimentación portátil.

Gaugemaster Aunque Gaugemaster no lo aclara bien, parece ser que entre sus reguladores, los tipos denominados "UF" y "UDF" y que Gaugemaster identifica como Feedback producen corriente pulsada. Al menos eso se deduce de esta frase copiada de sus especificaciones;  "FEEDBACK controllers feature a pulsed design, with excellent low speed running and Constant Speed over points, around curves and up and down gradients." El precio: 35 libras No incluye alimentación, pero si un panel para situar en un cuadro.

Y yo no conozco más oferta de controladores por corriente pulsada.

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Edito en 12/2012:

Ha aparecido un nuevo controlador PWM en el mercado americano: Medvend AN-1-C






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Lo primero que llama la atención, es la poca oferta que hay, pero sobre todo el hecho de que provenga de fabricante marginales ¿porqué no tenemos un regulador PWM fabricado por Märklin para la escala Z? ¿porqué los más conocidos fabricantes americanos o japoneses de esta escala no fabrican este tipo de alimentaciones? Como vemos por los precios, son productos algo caros pero no prohibitivos.

La explicación que se me ocurre es que estos productos tienen algunas limitaciones. Por lo que yo se, no funcionan bien con motores que no sean de escobillas, por lo cual esta podría ser la causa de su nula utilización en el mercado americano y japonnés que tienden a utilizar motores coreless.

Pero ¿y Märklin? sus antiguos motores de escobillas funcionan de maravilla con las alimentaciones PWM así que no hay motivo para que Märklin no oferte una alimentación de este tipo para su escala Z. Vista la enorme mejora en el comportamiento de sus locomotoras no se entiende que Märklin no lance un regulador PWM, obligando a sus clientes a sufrir con sus primitivas alimentaciones de corriente continua, o a recurrir a Herr Jörger.

Solo se me ocurre una explicación: Las alimentaciones por PWM tienen un problema cuando pretendemos utilizar mas de una en una maqueta con varios sectores de vía. En primer lugar los aislamientos entre los sectores contiguos de vías que vayan a reguladores distintos tienen que se totales (los dos carriles aislados) y además cuando un tren pasa por una zona de cambio de regulador, puede hacer "cosas raras" que luego explicaremos.

Ya hemos comentado que Märklin tiene la filosofía de que sus productos deben poder ser manejados por cualquier persona sin ninguna idea de electricidad y sin ninguna complicación. Así que un sistema que hace que en determinadas circunstancias un locomotora de "un tirón" o un "parón" al pasar de un sector a otro le parece inadmisible a Märklin. Bueno: es la filosofía de la marca.

Muchos aficionados utilizan los reguladores de System Jörger, y yo mismo, a la espera de resolver completamente el control de tracción por ordenador, tengo instalado en mi maqueta un control de System Jörger. Todos los videos de mi maqueta en los que vemos trenes circulando, están manejados por este control. Como se puede comprobar, en ningún caso circula más de un tren a la vez, porque efectivamente tengo un solo control instalado.

Esto me lleva a una cuestión: El control de System Jörger sólo permite manejar una locomotora. La causa es que tiene un limitador de corriente que interrumpe la alimentación cuando pasamos de 500 mA. Bueno, esa es la teoría, porque en realidad corta bastante antes, quizá con 300 0 350 mA. Es decir, que sólo puede manejar UNA locomotora. Jörger lo advierte en sus especificaciones.Esto tiene varias consecuencias negativas: En primer lugar, hay que olvidarse de trenes con dos cabezas motrices, como pueden ser el Senator o el VT11. Eso ya es francamente invalidante para muchas personas, aunque no es mi caso, ya que no tengo ese tipo de trenes.

Sin embargo, tampoco se puede hacer una doble tracción, con dos locomotoras, cosa que era bastante habitual en la época del vapor, así que eso si que me afecta. Y por último, en algunos casos, se puede dar el caso de que una locomotora, no llegue a arrancar con el regulador de Jörger. Posiblemente la locomotora necesita un limpieza, pero a mi, me ha pasado.

Por otra parte, este regulador tiene un sistema de "simulador de inercia". Es decir que si tenemos una locomotora parada y le damos marcha con el regulador de System Jörger, la locomotora se mueve inicialmente despacio y va ganando velocidad poco a poco. Se trata de un efecto de arranque suave más que de un simulador de inercia, porque la velocidad final se alcanza en unos segundos. Esto está muy bien, por ejemplo para un circuito con bloqueo por cantones en analógico, ya que los arranques en los semáforos serán suaves. Muy bien, peeeeeeero:

Supongamos que tenemos un trazado en que un tramo está alimentado con un regulador de System Jörger, y después de un corte aislado entramos en un segundo circuito alimentado por un segundo alimentador de Jörger. Ponemos los dos reguladores en la misma dirección y lo más exactamente posible a la misma velocidad. Si viene un tren a velocidad de crucero manejado por el primer regulador y llega al empalme, al pasar al segundo regulador, para este segundo se trata de un tren nuevo que no existía, de modo que al hacerse cargo del tren pretende hacerle un arranque suave. Como el tren no estaba parado, el resultado es un frenazo seguido de una nueva aceleración hasta la velocidad de régimen. No es de recibo.

Nótese que este problema no se debe a que el Jörger sea un PWM sino al efecto de arranque suave. En esa misma situación, es decir cuando pasamos de un circuito a otro, ambos regulados por controles PWM, hay otro efecto que con el Jörger se superpone al explicado, produciendo un comportamiento poco predecible y que veremos en el próximo artículo.

Así que aunque son batante buenos los System Jörger tienen sus problemas. En algunos foros en los que participo se han señalado estos problemas y los aficionados se quejan de que no encuentran una solución buena.

Bueno pues la solución,,,, en el próximo capitulo.

Editado 02/07/2013

Incluyo esta edición. porque me han llegado algunas comunicaciones acerca de que la corriente pulsada o PWM produce un mayor calentamiento que la equivalente continua, porque la corriente PWM tiene un valor eficaz igual al valor de pico, mientras que el valor eficaz de la continua es igual al valor de pico dividido por la raíz cuadrada de 2 (aprox. 1,41). He visto también algún artículo en el que se cae en el mismo error.

El origen del error está en que cuando se habla de valor eficaz o valor RMS  (root mean square) se suele decir que para una onda cuadrada el valor de la intensidad eficaz coincide con el valor máximo de la intensidad, o sea lo que hemos llamado aquí intensidad de pico. Véase por ejemplo el artículo de Wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficaz.

El error está en que eso se refiere a una onda cuadrada alterna, es decir la que pasa de un valor positivo de la tensión a un valor negativo, (normalmente simétrico, aunque no necesariamente) de manera que la tensión o tiene el valor positivo o tiene el valor negativo, pero nunca tiene el valor cero. Es el caso de la señal que producen las centrales digitales.

Por el contrario, una onda PWM, pasa de un valor positivo a un valor cero, y permanece en cero una determinada fracción del periodo, hasta que vuelve a tomar el valor positivo.  Es por tanto una cosa bien distinta, porque por ejemplo para una anchura de pulso muy pequeña la mayoría del tiempo la tensión es cero mientras que en una onda cuadrada alterna la tensión nunca es cero. La primera consecuencia de esto, es que en la señal cuadrada alterna, la intensidad eficaz es constante e igual al valor de pico con independencia del periodo y de la anchura de los pulsos. En cambio el valor eficaz de la corriente PWM es proporcional a la anchura de pulso y por lo tanto varía en función de la relación entre la anchura de pulso y el periodo, llegando a ser nula si los pulsos se estrechan hasta desaparecer.

Por eso es totalmente distinto colocar una locomotora analógica de corriente continua en una vía alimentada por corriente digital o por corriente PWM. En el primer caso la locomotora se puede mover o no, pero en todo caso su motor está sufriendo un calentamiento equivalente a una corriente del valor de pico de la señal digital, o sea muy por encima de lo que ocurre con corriente continua, así que se puede calentar y estropearse en muy poco tiempo. Por el contrario con PWM, el calentamiento corresponde a la intensidad eficaz de la corriente PWM. Como la intensidad eficaz de la corriente PWM es siempre mucho menor que la corriente de pico, la locomotora no se recalienta. De hecho solo cuando la anchura de pulso llega a igualar el periodo ( o sea a tope de velocidad) la intensidad eficaz de la corriente PWM llega a igualar a la continua equivalente, de manera que en ese momento, a máxima velocidad, el calentamiento del motor sería el mismo que con corriente continua, pero no más.

Una buena imagen, es que cuando representamos la gráfica de la intensidad de una corriente en función del tiempo, la potencia entregada por esa corriente es proporcional al área encerrada entre la gráfica de la señal y el eje horizontal. En una señal cuadrada alterna simétrica ese área está formada por rectángulos de altura igual al valor de pico, y situados unos por encima y otros por debajo del eje. Si los sumamos todos obtenemos siempre un área igual a la de un rectángulo de altura igual al valor de pico, con independencia del periodo y de la frecuencia.

Por el contrario con la corriente PWM el área está formada sólo por rectángulos situados sobre el eje y su área es mucho menor que la de un rectángulo de altura equivalente al valor de pico, y además ese área depende de la anchura de los pulsos, llegando solo a alcanzar el área del rectángulo de altura igual al valor de pico cuando los pulsos han llegado a su máxima anchura.

lunes, 21 de noviembre de 2011

Llegan los servos (y III)


Una de las cosas buenas que tiene el publicar en un blog las ideas que voy llevando a la práctica, es el hecho de que recibo comentarios y sugerencias de los lectores, bien directamente en el mismo blog, o bien en foros donde se comentan estos artículos.

Este es el caso del último artículo, donde comenté que había construido un circuito para manejar servos con un sistema compatible con los habituales para el manejo de los motores de bobinas.

Efectivamente, este circuito ha sido comentado en varios foros, y se me han hecho un par de sugerencias importantes: La primera es una crítica por haber utilizado un transistor Darlington en la etapa de salida del circuito. Ya comenté que había utilizado este transistor, porque me había fijado en el circuito que hice hace tiempo para el manejo de trenes (COLA01). Pero claro, en ese caso, a pesar de ser un circuito muy parecido, por el transistor de salida circula toda la intensidad que alimenta la vía, luego se necesita un transistor con una ganancia de corriente elevada. Por el contrario en el driver para servos, por la etapa de salida sólo circula una débil señal de control, por lo que no se justifica utilizar un transistor tan especializado como el MPSA13.

Pero la sugerencia más interesante que me hicieron era la posibilidad de ajustar el recorrido del servo. Esta posibilidad es interesante, puesto que permite, por ejemplo en el caso ser el servo que mueve el desvío, ajustar el ángulo que se mueve la leva exactamente a lo necesario, de manera que la varilla de acero que mueve los espadines del desvío se deforme lo justo para mantener la posición de las agujas, pero no más, ya que esto no hace más que endurecer el desvío frente al talonamiento.

Curiosamente, el circuito original en que me basé, tenía un potenciómetro, pero este potenciómetro tiene la misión de mover el servo al actuar sobre él. Como ya comenté yo lo sustituí por una resistencia fija y un conmutador, de manera que se tienen dos posiciones extremas fijas para la posición del servo.


En la figura vemos la situación de partida (A), la opción que yo empleé, con un conmutador (B) y la solución que he adoptado al final. De nuevo se utiliza un potenciómetro de ajuste, pero con la misión de preestablecer el ángulo de giro. Como se puede ver en la opción C, con el cursor completamente arriba estamos exactamente en el caso B. Si movemos el cursor hacia abajo, el movimiento es cada vez menor, hasta que situado en el punto inferior, el servo no se mueve nada. El potenciómetro se deja ajustado a la posición que proporciona el ángulo de giro requerido para cada caso.

Me convencí que con esta pequeña modificación, el circuito ganaba bastante en funcionalidad, así que merecía hacer el cambio. Lo malo es que esto supone rehacer el PCB, en definitiva rediseñar todo el dispositivo. La imagen de la cabecera muestra el resultado final, y se puede ver claramente en el centro el potenciómetro de ajuste (marcado como 10K 825 M). Si nos fijamos, abajo a la derecha, el transistor de salida también tiene un aspecto distinto del de la versión anterior. Se trata de un BC 107.

Pero si eso fuera todo, quizá no hubiese merecido la pena este nuevo artículo referido a los servos. Y es que gracias a que tuve que rehacer el diseño del circuito impreso, que ya es muy pequeño, me plantee que tenía que tener mucho cuidado con el nuevo circuito para que me cupiesen todos los componentes, incluyendo el nuevo potenciómetro, en el mismo tamaño de placa que tenía anteriormente.

Como ya he comentado, yo utilizo un programa de dibujo muy semejante a PhotoShop para diseñar los circuitos impresos, por lo que no tengo ninguna de las ayudas con que cuentan los programas especializados. Así que cuando diseño un circuito tengo que tener cuidado, no solo del espacio requerido para alojar los pines de los componentes por el lado del cobre, sino que tengo que cuidar de las partes superiores de los componentes no interfieran entre si. La parte de los pines es relativamente fácil de diseñar porque en general todos estos elementos tienen un "paso" de 2,54 mm (1/10 pulgadas). En cambio para la parte superior, hasta ahora,  lo que hacía era medirlos con un calibre y además imprimir de vez en cuando el diseño del circuito y situar sobre el papel impreso los propios componentes para ver si cabían perfectamente o si chocaban unos con otros. Muchos elementos tienen una "huella" mucho mayor que la que corresponde a los pines, como es el caso de conectores, disipadores, condensadores, etc.

Como se ve, es un tema bastante entretenido, y además requiere tener encima de la mesa todos los componentes que se van a usar, cuando se diseña el circuito. Pero el otro día se me ocurrió una idea que me parece muy interesante, para todos aquellos que hacen sus propios diseños. Consiste en colocar en el scanner todos los componentes y sacar una imagen de cada uno de ellos. Teniendo la precaución de utilizar al escanear la misma escala que la utilizada al diseñar el circuito (yo uso 600 ppp) las imágenes que se obtienen son rigurosamente exactas en cuanto a su tamaño, por lo que pueden situarse en una capa del dibujo y usarlas como referencia super precisa del tamaño que ocupa cada componente.

Tampoco hay que obtener demasiadas imágenes. Por ejemplo no se trata de escanear una resistencia de cada uno de los valores posibles, sino una sola, o en todo caso una de cada uno de los dos o tres tamaños existentes. Ya sabemos que los colores de la imagen no corresponderán con los valores que deberían tener según el valor de la resistencia, pero aquí se busca exclusivamente el tamaño. Tengo así tres ventajas: El sistema es mucho más preciso, voy mucho más rápido, y no necesito disponer a la hora de diseñar el circuito, una muestra de cada componente, si es que ya lo había usado anteriormente y conservo la imagen. Puedo llegar a crear así una "librería" de imágenes de componentes.

Y una ventaja adicional: Durante la fase de diseño obtengo una imagen muy realista del circuito que estoy diseñando. Esto aparte de "ser bonito" puede servir como referencia para el montaje.

La imagen siguente es un ejemplo de la dicho: A la izquierda tengo una fotografía del circuito terminado (la misma de la cabecera) y a la derecha la imagen de componentes obtenida durante la fase de diseño.



Como se ve, la coincidencia es perfecta, pero lo bueno del caso es que la imagen de la derecha está obtenida durante la fase de diseño, es decir, antes de grabar el PCB y de montar el circuito. Sin esta herramienta, no hubiese sido posible saber con certeza si el relé que vemos a la izquierda, cabría entre el potenciómetro de ajuste y el conector de la izquierda. La imagen dijo que si cabía, y la realidad confirmó que así era.

Pensé que mi idea era original, pero al ver las imágenes obtenidas, las encontré "familiares". Yo ya había visto en alguna ocasión imágenes de este tipo. Por ejemplo recordé que en el artículo en que me basé para hacer mi primer controlador de velocidad, aparecía la imagen que se reproduce a la izquierda:

Al verla ahora, me doy cuenta que es una imagen tremendamente parecida, pero que las imágenes de componentes en ella son dibujos, no imágenes reales.

No tengo ni idea de cómo obtuvo esa imagen el autor del artículo, pero supongo que algunos programas de diseño son capaces de generarla. Lo bueno es que yo lo he hecho sin ninguna herramienta especializada.

Bueno, pues he quedado muy contento de esta idea que me facilita el diseño de circuitos impresos, y seguramente la emplearé en lo sucesivo. También incluiré estas imágenes en los documentos de descarga que pongo a disposición de mis lectores.

Por cierto, me comentan que para conseguir descargar los documentos que sitúo en la página de descargas, se exige que el usuario esté dado de alta como usuario de Google. No es mi intención limitar de ninguna forma el acceso a cualquier lector a estas descargas, pero parece que Google impone esa condición, y yo no tengo posibilidad de soslayarla. En todo caso abrir una cuenta en Google no supone ningún problema y pocas organizaciones habrá en Internet con más seriedad que ésta.

En todo caso, pongo a continuación el esquema eléctrico de este circuito con las reformas incluidas (pulsando en él se obtendrá la imagen a tamaño original)



Espero que sea de utilidad.

domingo, 13 de noviembre de 2011

Llegan los servos II


En el artículo anterior, quedé emplazado a construir un driver de servo, es decir un dispositivo capaz de manejar un servomotor de radiocontrol, haciéndole tomar dos posiciones extremas mediante un conmutador manual o un relé biestable.

Bueno, pues ya está: La foto de la cabecera muestra este dispositivo ya terminado y conectado a un servo de los que probé en el artículo anterior. Ha sido un bonito diseño puesto que al final el circuito mide solamente 39 x 36 mm y además tiene las dos posibilidades de utilización, la manual, por conmutador, y la automática, por relé.

Aunque el objetivo sigue siendo el manejo de las puertas de las cocheras, he querido probar a hacer el clásico sistema de mover los desvíos mediante un servo situado debajo del tablero, y eso es exactamente lo que muestra la imagen de la cabecera, que por este motivo parece estar cabeza abajo, y es que lo que vemos es la parte inferior del tablero y el servo con su circuito de control, colgados debajo mediante una pieza de aluminio atornillada al tablero.

Las conexiones que vemos son las siguientes. En la parte inferior vemos el cable tricolor que conecta el circuito al servo. A la derecha, los cables rojo y negro son la alimentación de 5 voltios que necesita el circuito. Y los tres cables rojo gris y verde que vemos en el centro van al conmutador, ya que esta imagen corresponde a la configuración para mando por conmutador manual.

En la siguente imagen vemos lo que hay encima del tablero:


Evidentemente he utilizado un desvío que estaba roto (los experimentos se hacen con gaseosa) el cual he modificado para esta prueba. Como se ve, lo primero que he hecho ha sido eliminar el motor de bobinas, incluyendo la parte de la base de plástico que soporta el motor. Es bastante fácil, yo lo he hecho cortando el plástico con varias pasadas de cutter. Sólo hay que tener una precaución: respetar la piececita de plástico blanco que une los espadines y sobre la que actúa el fino alambre de acero que está unido a la armadura del motor de bobinas. Además hay que preservar este alambre de acero porque lo vamos a volver a usar.

Después hay que taladrar un agujero alargado justo bajo el extremo de la citada pieza que une los espadines, y situar el montaje del servo de manera que la leva del servo quede precisamente bajo este taladro.

Utilizando el alambre desmontado del motor del desvío.lo he sujetado a la leva del servo con una gota de cola termofusible. Adviértase que he situado el servo en posición vertical con objeto de que el eje quede bastante hacia abajo ( y de paso ocupando el mínimo espacio lateral) y el alambre se conecta a la parte inferior de la leva. Así el alambre de acero conserva toda su longitud, y por lo tanto toda su elasticidad, de manera que el desvío resulta talonable, como el original de Märklin. Si no se desea que el desvío sea talonable se podría sujetar la varilla de acero más sólidamente a la leva del servo. La punta del alambre atraviesa el pequeño taladro que tiene la pieza que une los espadines ("traviesa móvil"), una vez que se ha eliminado la parte de esta pieza que cubre el taladro.

Respecto del circuito, está sujeto a la misma pieza de aluminio que soporta el servo mediante una cinta adhesiva de doble cara.

Y ya está! Basta conectar la alimentación de cinco voltios y estamos en disposición de mover el desvío actuando sobre un conmutador que podemos situar en un cuadro de mandos. El siguiente vídeo es una bonita demostración de como funciona.

video

En el vídeo se puede ver que se está manejando por medio de un conmutador. Como ya comenté esa es la forma más fácil (y por lo tanto la más barata) de mover los desvíos, pero tiene el inconveniente de que es incompatible con cualquiera de los sistemas empleados para mover los desvíos tanto en sistemas analógicos como digitales, (salvo los sistemas digitales especialmente preparados para mover servomotores) ya que éstos actúan por impulsos de tensión.

Así que hice el diseño del circuito incluyendo la posibilidad de manejarlo mediante impulsos de 12 voltios. Para ello hay que situar un relé en el zócalo que se ve vacío en las imágenes anteriores. En realidad el circuito completo tiene el siguiente aspecto:


El colector Molex de tres vías que se ve en primer término sirve para conectar los tres hilos clásicos, dos azules y uno amarillo, que llevan los desvíos con motor de bobina. Haciendo este cambio de conexión, este circuito se conecta y responde exactamente como  un motor de bobinas clásico, así que puede manejarse con botoneras, con cuadros de mando, con pulsadores, con decodificadores K83, o en definitiva con cualquier sistema previsto para los motores que se mueven por impulsos de tensión.

En el siguiente vídeo vemos ya el circuito funcionando en esta segunda forma. Por cierto que para este segundo vídeo hice un cambio en la forma de sujetar el alambre de acero que mueve los espadines a la leva del servo se una forma distinta. Queda mucho más sólido y el movimiento es más potente, pero la fuerza que hay que hacer para forzar los espadines por un tren que entrase talonando el desvío, es excesiva, y por lo tanto haría descarrilar el tren.  Naturalmente Märklin no vendería nunca un desvío que hiciese descarrilar los trenes si el operador comete un error, pero a mi me gusta mucho que los desvíos no sean talonables, de modo que nos ocurra en la maqueta lo mismo que ocurre con el tren real: si no situamos correctamente todas las agujas del itinerario provocaremos un descarrilamiento. Este es el vídeo, que puede localizarse también en YouTube y en la pestaña de vídeos de este blog:


En la última parte del vídeo se ve como se aprovecha el segundo conmutador del relé para sincronizar el cambio de luces de un semáforo con el movimiento del desvío. Por cierto que esto es una petición que he visto repetida en varios foros últimamente, aunque en mi opinión no tiene mucho sentido que un semáforo cambie sus luces sincronizadamente con la posición de un desvío. Yo la única situación en que le encuentro sentido a esto, sería la que que representa en el vídeo, en la cual el semáforo evitaría que un tren talonase el desvío, pero esto no se hace nunca en la realidad con un semáforo situado junto al desvío.

Me ha gustado mucho este experimento, aunque naturalmente no tengo la intención de cambiar los motores de los desvíos de mi maqueta por servos. La ventaja más clara que se obtiene es estética, al hacer desaparecer de la parte superior los atiestéticos motores de bobina. Por otra parte el movimiento es más "franco" aunque no precisamente más lento. Algunos desvíos con motores de bobinas fallan porque el motor parece estar muy justo de fuerzas, de manera que ante cualquier problema de suciedad o similar, el desvío funciona mal. Me cuesta mucho trabajo imaginar un desvío movido por un servo fallando por esta causa. El ruido es desde luego diferente, pero francamente no es más silencioso. También es cierto que los motores situados junto a las vías pueden interferir en algunos trazados con otras vías, aunque Märklin ha cuidado mucho la geometría para que esto no ocurra. Con los desvíos situados bajo el tablero no puede haber interferencia con las vías y cada servo puede colocarse en dos posiciones distintas por si en algún caso hubiese interferencia entre ellos. Como inconveniente hay que señalar que la colocación de los motores debe ser muy precisa para que las varillas de acero se sitúen adecuadamente respecto de la traviesa móvil. Esto implica que los desvíos deben estar colocados "muy definitivamente" antes de situar los motores.

Para mi, este sistema es ideal para una instalación de alto nivel modelístico donde se busque la máxima perfección en el trazado de la vía. Estoy hablando prácticamente de trazados realizados con vía artesanal, o al menos con desvíos artesanales como los que vimos en "Vía artesanal 1".

Como ya comenté en aquél artículo, uno de los problemas de los desvíos artesanales es que se necesita  algún sistema para polarizar el corazón del desvío según cual sea la posición de los espadines. Como ya he comentado, este circuito tiene un conmutador sincronizado con el movimiento del desvío que resulta ideal para esta misión.

Así que lo tengo claro: si alguna vez hago algún diorama, módulo, u otra pequeña maqueta con gran precisión y realismo en el trazado emplearé este sistema de motorizar los desvíos, y sobre todo si son artesanales. De momento me voy a limitar a lo que tenía pensado: mover las puertas del depósito y del taller de locomotoras.

En la pestaña de Descargas de este blog, están accesibles los esquemas, palantillas para PCB, listas de materiales y demás elementos que permitirán a quién lo desee fabricar estos drivers para servo.

Edito el 9/02/2014

Se ha publicado en este Blog un nuevo artículo sobre un circuito para manejar servos que resulta interesante como complemento a éste.

El enlace es: Algo más que un inventillo