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.

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"