jueves, 17 de octubre de 2013

Prácticas de electrónica



Como comentaba en el último artículo, me he construido un controlador "profi" aprovechando uno de los prototipos de PWM04 que he construido, y añadiendo una serie de elementos adicionales. Hoy he querido someter este equipo a una serie de pruebas y para ello he montado un pequeño laboratorio, incluyendo unas vías de prueba y una locomotora, y el osciloscopio para ver qué es lo que estaba generando el controlador.

Lo primero que he querido hacer es algo que llevaba mucho tiempo detrás de ello, y que ahora, tenía muy a mano. Me refiero a medir qué es exactamente lo que produce el famoso limpiavías de Gaugemaster. El problema es que este elemento produce una tensión muy alta, y tenía miedo de cargarme el osciloscopio si lo conectaba sin más. Fundamentalmente eso ha sido lo que me ha retenido hasta ahora, pero hoy me he montado lo que los electrónicos llaman un atenuador. A pesar del nombre no son mas que un par de resistencias de 10 MOhm y de 0,1 MOhm formando lo que se llama un divisor de tensión. Como una es 100 veces mayor que la otra, la tensión queda divida por cien.

Conectando este atenuador a la salida del limpiavías y la sonda del osciloscopio al atenuador, aparece la bonita imagen que recoge la fotografía de la cabecera. Bueno, la salida es exactamente la línea amarilla (canal 2 del osciloscopio) ya que la roja es la entrada de corriente alterna que alimenta el limpiavías y que he conectado al canal 1 como referencia.

Interpretando esa imagen vemos que en las semiondas negativas de la corriente de alimentación, el circuito no produce salida alguna. Por el contrario en las semiondas positivas produce una onda simétrica que en realidad es una onda de 60 kHz (véase la indicación de "Frec" en la pantalla del osciloscopio) modulada de forma simétrica por las semiondas positivas de la tensión de red, que como sabemos es de 50 ciclos. O sea que cada una de esas manchas amarillas de la imagen recoge más de 1000 oscilaciones de la frecuencia de 60 kHz.

Aumentando la frecuencia de barrido del osciloscopio, vemos perfectamente esta onda de 60 kHz aunque la imagen resulta un poco inestable porque su amplitud es variable. En la imagen pequeña vemos la imagen obtenida con este nuevo ajuste del osciloscopio.

Volviendo a la imagen grande, podemos leer en la esquina inferior derecha, que la tensión pico a pico (Vpp) de la señal de salida es de 4 voltios, pero recordando que tengo conectado un atenuador de 100X hay que interpretar que en realidad el circuito está produciendo una tensión de salida de 400 voltios de pico a pico. (Unos 140 voltios eficaces)

La medida de la tensión puede ser engañosa porque realmente tenemos conectado el atenuador, que supone una resistencia de 10 MOhm. Aunque es una resistencia muy alta, como la resistencia interna del circuito debe ser también muy alta, seguramente se produce una caída de tensión apreciable. De hecho la lamparita de neón se apaga, lo cual indica que el circuito está detectando los 10 MOhm como una carga apreciable,

En resumen que este chisme produce una tensión de por lo menos 140 voltios, y seguramente bastante más en vacío, y con una frecuencia de 60 kHz. La extraña forma de la onda modulada, seguramente se debe al circuito que emplean para generar la frecuencia de 60 kHz a partir de la alterna de 50 Hz, Pero probablemente valdría cualquier otra forma de onda.

En la imagen siguiente, vemos el nuevo controlador con la tapa abierta, y se pueden ver los distintos elementos que lo componen



Como se ve, el circuito PWM04 está en la tapa, donde también vemos el amperímetro, Dentro de la caja, a la derecha está la fuente conmutada, y a la izquierda el transformador que alimenta el circuito limpiavías con corriente alterna. En el centro arriba se ve la placa del limpiavías, y debajo el circuito azul es el que produce tensiones de 9 Voltios y de 5 Voltios (para los trenes de escala Z y para el amperímetro) A la izquierda vemos la alimentación y el shunt del amperímetro.

Por fin en la siguiente imagen vemos el montaje para las pruebas con el controlador, el osciloscopio y las vías de prueba.


La prueba ha resultado muy interesante, porque he podido ver, por un lado lo bien que funciona el controlador PWM04, y por otro lado he obtenido unas tomas de vídeo bastante espectaculares de la locomotora que he usado para las pruebas: la famosa BR01 de referencia Märklin 88010.

Aquí tenemos el vídeo:



Aparte de comprobar que tanto la locomotora como el controlador funcionan de maravilla, al final del video se ve lo que ocurre cuando la frecuencia de la señal PWM la subimos hasta los 20 KHZ. El comportamiento de la locomotora varía completamente, y aunque obedece al mando de velocidad, es imposible conseguir las velocidades tan espectacularmente lentas que se consiguen con la frecuencia de 40 Hz.

Mi conclusión después de esta prueba, es que la frecuencia de la señal PWM tiene mucha más importancia de lo que yo creía hasta ahora. Los 40 Hz que vengo empleando casi por casualidad desde el principio, resulta que son perfectos, mientras que las frecuencias altas, se comportan mucho peor.

De hecho el resultado con los 20 kHz ha sido tan malo, que seguramente hay algún factor que ha actuado en contra. De hecho los decoders que se montan en las locomotoras digitales alimentan los motores con señales PWM de frecuencias altas (en algunos casos son ajustables, pero por lo que yo se, siempre en rangos de Kiloherzios) y desde luego las locomotoras digitales no se comportan tan mal como lo que vemos en el video.

Yo creo que la diferencia estriba en el hecho de que en una locomotora digital, la distancia entre el decoder que produce la corriente PWM y el motor de la locomotora es sólo de unos cuantos milímetros, mientras que aquí la señal se genera en el controlador y por lo tanto tiene que recorrer bastantes centímetros de cables, luego pasar a las vías, después a las ruedas de la locomotora, y por fin llegar al motor. Todo esto seguramente introduce una serie de capacidades parásitas que deterioran la forma de la señal. Y además en ese camino la señal atraviesa el bobinado del transformador del limpiavías, que tendrá su correspondiente inductancia. En definitiva que la señal puede deformarse completamente y llegar a la locomotora con una forma muy apartada de la que genera el controlador.

Lo que si es cierto, es que exactamente esto es lo que me está pasando con mi maqueta. No consigo una buena marcha lenta, y eso produce que las frenadas y arrancadas suaves no sean tan suaves como debieran. Ya no me cabe ninguna duda que si quiero mejorar ese tema, no tengo más remedio que ingeniármelas para tener señales PWM de baja frecuencia. Lo cual es un buen follón porque la solución basada en las placas Velleman no me vale.

Bueno, de eso se trata, porque esto era un hobby, ¿no?

Edito el 25/01/2004

Ya se cual es la causa del mal comportamiento del controlador a 20 KHZ. Se trata de que el circuito de puente H L293D que he usado como controlador de motor tiene un límite de 5 kHz en la frecuencia de conmutación, de modo que al meterle 20 kHz lo estaba volviendo loco. Todos tranquilos


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