martes, 18 de marzo de 2014

Detectando trenes ( I )


La imagen que encabeza este artículo, no es precisamente un montaje para impresionar, sino la imagen real de cómo quedó mi mesa de trabajo después de dedicar toda la tarde del domingo a investigar sobre el tema del enunciado: los distintos sistemas que se pueden emplear par detectar los trenes en una maqueta, con objeto de establecer sistemas de bloqueo para asegurar el tráfico de varios trenes en el mismo circuito.

El tema es que últimamente ha habido varios lectores que se han dirigido a mi, preguntándome sobre este tema, que seguramente junto con el manejo de los desvíos, es uno de los que plantean más dudas y problemas a los aficionados.

Como siempre, mi preocupación va encaminada a los sistemas analógicos, ya que para los sistemas digitales ya se encargan las marcas comerciales de resolver los problemas, pero aquellos que prefieren mantener sus trenes como analógicos quedan desamparados y si hacemos caso de los sistemas comerciales, su tecnología quedó congelada en los años 70 del siglo pasado. Quiere esto decir, que si buscamos algún sistema para establecer un bloqueo automático en un circuito de trenes analógico, lo más que vamos a encontrar en los catálogos de las marcas es algún relé biestable, y seguramente algunos tipos de vías de contacto.

La verdad es que establecer un bloqueo automático a base de relés biestables es una opción perfectamente válida hoy en día, e incluso en muchísimas maquetas cuya tracción es digital, se ha establecido un bloqueo por este sistema. Es más, la introducción por Lenz del sistema de frenado progesivo ABC (Automatic Bracking Control) que permite que el frenado de los trenes digitales delante de las señales sea progresivo, y que puede implementarse de forma muy sencilla (y barata) en un bloqueo automático, hace que este sistema siga plenamente vigente.

La imagen siguiente, procede del capítulo Control de Trafico de mi página web, en ella se puede ver el esquema de este sistema de bloqueo. En ese capítulo se describe detalladamente el sistema, por lo que remito a él a los interesados en conocer exactamente su funcionamiento.


El sistema como digo tiene algunas innegables ventajas, una de las cuales es su sencillez técnica, ya que solamente se emplean relés e interruptores, en definitiva tecnología pre-electrónica, y por lo tanto fiable y robusta. Una segunda ventaja fundamental, es que la corriente que alimenta la vía puede ser de cualquier tipo, es decir alterna o continua o incluso digital, ya que lo único que introducimos en su camino es un interruptor, por lo que el sistema funciona siempre con independencia del tipo de corriente y de su voltaje.

En el caso de corriente alterna, lo que hace el papel del carril derecho es la línea de pukos, asi que lo que hacemos no es cortar el carril derecho sino establecer aislamientos en los tramos de ese carril central.

En el caso de digital, si en vez de utilizar el interruptor del relé para cortar la corriente que alimenta el tramo aislado delante de cada señal, lo utilizamos para puentear una cadena de diodos por la que pasa la corriente que alimenta el tramo aislado, podemos usar este sistema para maquetas digitales con sistema ABC.

Todo esto hace que para mí, éste sistema sea la primera opción al pensar en un sistema de bloqueo automático. De hecho, mi propia maqueta tiene un sistema parecido, aunque no se emplean relés, sino que la activación de los sensores se detecta con un hardware y se envía al programa de control.

Quizá el punto más delicado del sistema de bloqueo por relés biestables son los detectores marcados en la imagen anterior como S1 y S2. Siempre se trata de un elemento que cierra momentáneamente un circuito al paso de una locomotora, pero hay varias formas posibles de lograrlo. El sistema clásico son las vías de contacto, como pueden ser las vías 8529 8529 y 8589 de Märklin para la escala Z. Estas vias junto con el relé universal 8945 son el sistema que Märklin propone desde hace más de cuarenta años para conseguir un bloqueo automático en su escala Z.

No es que funcione mal, pero al requerir unas piezas de vía especiales, requiere que todo el sistema de bloqueo se planifique previamente y que sea muy difícil cualquier modificación. Por eso seguramente muchos aficionados prefieren utilizar los interruptores reed, que se pueden colocar fácilmente en un trazado ya terminado, pero que como es sabido, requiere que se coloque en las locomotoras un pequeño imán, que al pasar sobre el reed, hace que se cierren sus contactos. Yo descubrí en un artículo de Internet los detectores de efecto Hall y los recomendé en uno del artículos de este Blog. A juzgar por el número de lecturas los comentarios de este artículo, y la correspondencia que me llega sobre el tema,  parece que mi propuesta está siendo usada por bastantes aficionados. Bueno, al menos un sistema de bloqueo por relés biestables, basado en detectores de efecto Hall no puede considerarse que tenga una tecnología demasiado obsoleta

En todo caso, el sistema requiere la colocación en la vía de algún tipo de sensor, lo cual siempre es delicado en una vía ya instalada, y además el correspondiente cableado. ¿No habrá algún sistema que funcione sin necesidad de sensores? la respuesta es si, pero no nos adelantemos.

Todos los sistemas que hemos visto, ya sean mediante vías de contacto, interruptores reed, sensores Hall, o incluso detectores de infrarojos o fotocelúlas, tienen en común el hecho de cierran un circuito de forma momentánea, cuando una locomotora pasa sobre ellos, pero inmediatamente que ha pasado, vuelven a la inactividad. Por eso los englobamos todos en lo que llamamos detectores de paso.

Sin embargo lo que el sistema necesita para regular el tráfico es saber cuando un cantón está libre u ocupado. Entonces lo que hacemos es situar al principio de cada cantón un sensor de paso, y asumir que cuando se activa, es que ha entrado un tren y por lo tanto el cantón está ocupado, y cuando se activa el del cantón siguiente, de nuevo asumimos que el tren ha salido y por lo tanto el cantón queda desocupado. Esto es correcto en la mayoría de los casos, así que el sistema funciona bien en general.

Lo malo es que por determinadas circunstancias el sistema se puede dessincronizar y entonces comienza a funcionar mal. Por ejemplo, si ponemos a mano una locomotora (o un tren completo) en un cantón, el sistema no lo detecta hasta que arranque y pase por el siguiente sensor. A la inversa, si quitamos con la mano un tren, el cantón sigue permaneciendo como ocupado para el sistema. Si un tren entra en un cantón por un desvío lateral que no está controlado, puede entrar en un cantón que estaba ya ocupado por un primer tren. Lo malo es que cuando el primer tren salga del cantón, éste quedará libre, y el segundo tren estará en un cantón que el sistema no reconoce como ocupado......etc.

Afortunadamente los relés biestables mantienen la posición incluso después de cortar la corriente, de modo que al arrancar de nuevo la maqueta, la situación del bloqueo será la misma que cuando se apagó, asi que si no hemos movido trenes a mano, el sistema estará sincronizado. Viene esto a cuento de que en algunos comentarios se dice que la función de un relé biestable puede simularse con dos relés ordinarios, y es cierto, pero esta combinación de dos relés pierde la posición al quedarse sin tensión, con lo cual, al volver a arrancar el sistema estará totalmente dessincronizado.

Lo que queda claro entonces es que necesitamos algún sistema para actuar manualmente sobre los relés, de manera que podamos cambiar sus posiciones y dejarlas en consonancia con la situación real de los trenes. Una práctica habitual, es  poner todos los relés abiertos (todos los semáforos en rojo) y esperar a que se paren todos los trenes, luego cortar la corriente de tracción  y buscar qué tren tiene delante un cantón libre, y poner su semáforo en verde. Entonces este tren, al dar de nuevo tracción entrará al cantón siguiente, lo ocupará y liberará el anterior, etc. restaurando así la situación. Pero fijémonos que hemos tenido que actuar manualmente sobre los relés. Con un circuito eléctrico como el que veíamos en el último esquema, esto no es posible porque no hay elementos manuales que actúen sobre la corriente que llega a las bobinas de los relés.

Parece que la solución es tan fácil como añadir al circuito anterior unos pulsadores que situaremos en el cuadro de mandos, y que alimenten las bobinas. Pero realmente la solución no es tan fácil. Refiriéndonos al esquema del acantonamiento anterior, si accionamos un pulsador que alimente la bobina b del relé R2 efectivamente pondremos este relé cerrado (semáforo en verde). Pero si ahora vamos al relé R1 y con otro pulsador alimentamos la bobina b del relé R1 éste se pondrá en verde, pero como la bobina a de R2 está en paralelo con la bobiba b de R1 ocurrirá que simultáneamente el relé R2 que habíamos dejado en verde pasará a rojo.

En una palabra, al cambiar cada señal, se afecta a las contiguas, de modo que es dificil y a veces imposible dejarlas como queremos. Solucionar esto tiene dos alternativas: una, que esos conmutadores con que cambiamos los relés sean algo mucho más complicado con, conmutadores que los conecten o aíslen del resto del circuito, o también alimentando los relés con corriente continua y utilizando diodos para que las órdenes de cierre y apertura de las señales contiguas solo vayan en un sentido. En cualquier caso una complicación importante, y que no funciona siempre. Por ejemplo no podremos evitar con diodos que si una señal se pone en rojo se ponga en verde la anterior, porque esa es la función normal del sistema, y si la impedimos no funcionará el bloqueo.

El diseño siguiente es un proyecto para un circuito electrónico que incluya un relé biestable, con sus conexiones a la vía y a los módulos contiguos y que incluye conexiones para semáforo señalización en cuadro e incluso para pulsadores para activación manual (aún a costa de las limitaciones comentadas).

Como relé biestable se utiliza el V23079E1203B301 de TE Conectivity


Debido a que este relé funciona con corriente continua, el circuito lleva un circuito de diodo y condensador que genera tensión continua, la cual se aprovecha para la posible alimentación de sensores Hall, de forma que con este circuito la conexión de sensores Hall será tan simple como la conexión de un Reed.

Bien, y ¿cuál es la alternativa?. La solución buena sería saber en todo momento si en cada cantón hay o no una locomotora, esté ésta en cualquier posición dentro del cantón y por supuesto independientemente de cuando y como ha entrado en el cantón, y esto sin necesidad de sensores de ningún tipo. Obsérvese que esto elimina de un plumazo todas las complicaciones de la falta de sincronización, entre los trenes y el sistema, porque basta con colocar con la mano una locomotora en cualquier punto de un cantón para que dicho cantón pase a ser ocupado, y basta quitarla de las vías para que pase a quedar libre (suponiendo que no hubiera otra locomotora en el mismo cantón). Tanto es así que un sistema así no necesita ningún elemento para actuar manualmente sobre los relés, porque no tienen sentido: Cada relé estará en la situación del cantón que protege, y la situación del cantón depende de la presencia o no de una locomotora en el cantón.

Eso en todo momento, incluso en el instante inicial al encender la maqueta aunque la posición de los trenes haya variado desde que se apagó.

No cabe duda de que es un sistema mucho más perfecto, pero, algún problema había de tener, es más delicado y complicado de realizar. La complicación claro está, deriva de la forma en que se puede detectar un tren en cualquier lugar del cantón. En este caso, el sistema ya no es universal, de modo que hay una forma para hacerlo con corriente continua, otra con corriente alterna y si me apuran una tercera con corriente digital.

Realmente. la forma más simple la tenemos con corriente alterna. Recordemos que en el sistema de corriente alterna ( o de tres carriles) los dos carriles llevan un polo de la corriente y la linea de pukos el otro. Solemos decir que los dos carriles están eléctricamente unidos, pero realmente las vias de Märklin para este sistema, tanto las de tipo C como las de tipo K (no asi las antiguas M con base de chapa) tienen los carriles montados en bases de plástico, de manera que se pueden dejar eléctricamente unidos o no. Si los dejamos aislados, solo uno llevará el retorno de corriente hacia el transformador y el otro estará aislado. Si metemos una cierta tensión a ese carril aislado haciendo un circuito de detección, como está aislado, no circula ninguna corriente por este circuito.  Sin embargo en el momento en que una locomotora o cualquier otro vehiculo se meta en ese tramo con el carril aislado, como los ejes de los vehículos de 3 carriles son conductores, se cierra el circuito entre los dos carriles, y circula corriente por el circuito de detección lo que se interpreta como que el cantón está ocupado. Obsérvese que esto funciona tanto para analógico como para digital, porque esta corriente detectora no tiene nada que ver con la de tracción que circula por el carril unido permanentemente a masa y por la linea de pukos.  Estos tramos de carril aislado pueden limitarse a zonas concretas o bién si queremos detectar los trenes en cualquier situación podemos hacer sucesivos tramos con carril aislado por todo el trazado y detectar así la posición de un tren en cualquier lugar. Por cierto que esto se parece mucho a lo que se hace en el tren real.

Esto funciona tan bien que se usa de forma universal por los marklinistas en prácticamente todas las maquetas digitales de tres carriles. De hecho el sistema es muy antiguo: yo tengo una vieja maqueta de Marklin con vía M de chapa, que en un punto determinado tiene un paso a nivel. Pues bien, las vías de ese paso a nivel y un par de tramos antes y después, son unas vías especiales que vendía Märklin ya hace más de cincuenta años, que a pesar de ser de chapa tienen un carril aislado. Cuando un tren entra en esa zona cierra el circuito entre los dos carriles y eso mueve el motor que baja las barreras del paso a nivel.

Y ¿Qué pasa con los sistemas de dos carriles? Aquí viene el problema, porque no podemos hacer prácticamente nada con la corriente de las vías, que está dedicada a la tracción. Bien, si hay una cosa que podemos hacer: detectar si circula o no corriente. Es decir: si aislamos eléctricamente cada cantón de los contiguos y alimentamos cada cantón de forma independiente desde un controlador (que puede ser individual para cada cantón, o común a varios o a todos los cantones) podemos detectar qué cantones están consumiendo corriente y que cantones no consumen nada, o dicho mas exactamente que cantones están en circuito abierto.

Esto requiere por supuesto un sistema electrónico, que además debe ser bastante sensible por lo siguiente: En un sistema analógico cuando en un cantón hay un tren circulando, la alimentación de ese tramo estará suministrando unos cuantos miliamperios a la vía (por ejemplo unos 300 mA para escala N) lo cual es relativamente fácil de detectar, pero si vamos bajando la velocidad, llega un punto en el cual la locomotora incluso se para. Sin embargo todavía pasa una débil corriente por la locomotora, sobre todo si tiene luces, así que con el adecuado dispositivo electrónico es todavía posible detectar una locomotora parada.

Aquí intervienen dos factores: Por un lado depende del controlador lo que ocurre cuando lo llevamos a tope al mínimo. Es posible que algunos tipos de controladores, cuando hacemos esto, dejen la tensión totalmente a cero. En este caso la locomotora desaparecería, por sensible que fuera el sistema, lo cual es una mala noticia. Precisamente lo que yo he querido probar este fin de semana es cómo se comportaban mis controladores PWM respecto de este punto, y el resultado ha sido muy satisfactorio porque a pesar de que llevando el control al mínimo la locomotora se queda totalmente parada, todavía circula una mínima corriente que permite la detección de la locomotora. Por otro lado hay que ver que pasa cuando dejamos una locomotora en un apartadero que tiene un interruptor para conectar o desconectar la tracción. Evidentemente si abrimos el interruptor no llega nada de corriente a la locomotora, asi que esa locomotora no se detecta, pero cabe hacerse la pregunta de si una locomotora situada en un apartadero en el que ha quedado estacionada y por lo tanto apartada de la circulación, ocupa realmente el cantón o no.

En todo caso, se podría poner un resistencia entre los contactos del conmutador que deja la vía sin tensión, de manera que aún desconectando, circule una mínima corriente por el sistema.

Como vemos, las dificultades mayores de este sistema se derivan de la posibilidad de dejar sin alimentación totalmente determinados tramos del trazado, cosa muy habitual en maquetas analógicas porque es la forma de dejar locomotoras paradas en determinados puntos mientras otras circulan. Quizá sea un poco excesivo de todas formas preocuparse mucho por esto, porque realmente un sistema de acantonamiento se organiza sobre un recorrido de vías que los trenes recorren sin paradas (aparte de las ordenadas por los semáforos) por lo que estos tramos aislados quedan en general fuera de la zona controlada por el acantonamiento.

Es curioso darse cuenta de que en los sistemas digitales, no tenemos estos tramos que podemos aislar con un interruptor, porque podemos dejar cualquier locomotora parada en cualquier zona de la maqueta y aún así recibe toda la corriente digital. Tanto es asì que los sistemas digitales (los "retromódulos") utilizan prácticamente de manera universal este sistema para detectar la ocupación de los cantones. Estos retromódulos proporcionan alimentación a un cantón o en general a un sector aislado eléctricamente, y a su vez detectan si se produce consumo en el sector que están alimentando lo que da lugar a la correspondiente señal que indica si el tramo está libre u ocupado, Como aunque la locomotora esté parada recibe toda la tensión de la señal digital y el decoder siempre tiene un cierto consumo, aunque la locomotora esté parada y sin luces, es relativamente sencillo detectar la ocupación por éste método.

Así que el problema queda reducido a las instalaciones analógicas, que pueden tener dificultades en detectar una locomotora parada si es que el controlador baja la tensión a cero o se queda en un sector aislado por un interruptor.
Como comentaba al principio, algunos lectores se han dirigido a mi, preguntándome si sería posible realizar un sistema basado en este principio, he incluso he recibido documentación de un sistema que al parecer se comercializó hace tiempo en España bajo la marca TRENICO, que por lo que parece hoy ha desaparecido, seguramente arrastrada por el vendaval digital. Como digo, por lo que yo he visto por la documentación, parte de la cual vemos a la izquierda de éstas líneas, era un sistema completo, constituido por una unidad central llamada DPT-4 y cuatro circuitos que llama relés, aunque deben de ser algo más, pensado para cuatro cantones.

No sé cual será el sistema de detección utilizado, pero por lo que dice el folleto debe ser bastante sensible.

Seguramente hoy no sería comercial fabricar este tipo de elementos, porque su demanda, circunscrita a aficionados de cierto nivel pero con sistemas analógicos (rara avis) no permitiría una fabricación rentable. Sin embargo, como mis lectores saben, este tipo de desafíos me encantan, asi que esta ha sido la razón de que me haya decidido a investigar este tema.

En primer lugar me dediqué a seleccionar el tipo de elemento capaz detectar si en un determinado circuito eléctrico se está produciendo un consumo. La forma mas utilizada para esto es utilizar un optoacoplador, que es un elemento que tiene por un lado un fotodiodo que al ser recorrido por la corriente que queremos detectar se activa, y un fototransistor que entra en conducción al recibir la luz que genera el fotodiodo. Todo ello encapsulado en un chip y con la evidente ventaja de que ambas zonas están físicamente separadas, de manera que no puede haber ninguna interferencia de un circuito con otro.

Un circuito como el siguiente es suficiente para detectar la corriente de tracción de un circuito de vias  alimentado por uno de mis controladores PWM

En el centro vemos el optoacoplador (U1) y vemos dos conectores J1 y J2, el primero de los cuales se conecta al controlador y el segundo a la vía, asi que la corriente atraviesa el circuito primario del optoacoplador. Cuando se activa, el emisor del fototransistor se pone al valor de la tensión de alimentación Vcc y cuando corta cae a cero.

El diodo D1, tiene dos funciones: la primera sería la protección del optoacoplador que es muy sensible a corrientes inversas, la segunda garantizar que se detectan los trenes que circulan sólo en un sentido. Si no queremos cortar la posibilidad de que los trenes circulen en ambos sentidos, basta poner un diodo en sentido contrario por fuera del circuito, pero estos ya no serían detectados. Lo normal es establecer un bloqueo automático para un solo sentido de circulación.

Se observará que he puesto un condensador de 22 microfaradios que se carga a través del diodo D4 y que por lo tanto permanece cargado si la detección se corta. El objeto de esto es evitar que los microcortes que se producen al rodar la locomotora no sean interpretados como faltas de detección. Evidentemente habrá que ajustar el valor de C1 en función de lo que conectemos a partir de ese punto, de manera que se mantenga la detección un cierto tiempo, por ejemplo entre medio y un segundo o algo así.

Pues bien, como decía este circuito me ha funcionado perfectamente con mis PWM, incluso con locomotoras sin luces. Es una gozada ver cómo se enciende el led que detecta las locomotoras nada más ponerlas en la vía incluso con el mando de velocidad al mínimo y por lo tanto sin que la locomotora se mueva.

Pero cuando estaba tan contento, me di cuenta de algo preocupante: Mis controladores PWM llevan un conmutador de tres posiciones y la posición central es la posición de parada, mientras que las otras dos son las marchas adelante y atrás. Pero con la posición de parada, la salida de corriente del PWM queda cortada, de manera que a la locomotora no le llegará ni siquiera la mínima corriente que aunque no mueve la locomotora permite su detección. Lo malo entonces es que si pongo el conmutador en la posición central, no llega corriente a la locomotora y esta deja de ser detectada. Y lo peor no es eso, sino que si mantenemos la idea de que los trenes se paran antes de entrar en un cantón ocupado, porque entra en un tramo aislado, que recibe o no alimentación según la posición de un relé, resulta que esa solución tan fácil ya no es posible, porque si hacemos eso, cuando una locomotora se parase en un tramo aislado por un relé abierto ante un semáforo, dejaría de ser detectada y por lo tanto el cantón dejaría de considerarse ocupado.

En resumen que si queremos mantener un sistema fiable que asegure que cualquier locomotora sea detectada en cualquier situación, esté en marcha o parada, no se puede poner ningún elemento que deje la vía sin corriente, sino que las paradas serán por recibir la corriente mínima que produce el controlador pero nunca se desconecta ni con conmutadores ni con relés.  Y aquí aparece un nuevo factor: si las locomotoras que están paradas lo están porque reciben la corriente mínima, y si resulta que tiene que haber al mismo tiempo otra u otras locomotoras moviéndose, se requieren al menos dos controladores, uno manejando la(s) locomotora(s) en marcha y otro controlador, u otro circuito que funcione como un controlador que genera permanentemente la corriente mínima, y que alimenta las locomotoras que están paradas.

Es curioso que las últimas frases que he escrito describen algo muy parecido al sistema de las "Centrales de Frenado" que se usan en los sistemas digitales. Cuando se emplea ese sistema, hay una central digital que gobierna las locomotoras que circulan normalmente y una segunda central "de frenado" que emite continuamente una orden de parada y que llega a las locomotoras cuando entran en un tramo en el que deben pararse. También se parece al ABS en el cual cuando las locomotoras entran en un tramo en el que deben pararse, reciben una señal especial (en este caso asimétrica) distinta de las que reciben las locomotoras que circulan normalmente.

Todo esto me está llevando a un sistema que me parece que va a ser demasiado complicado, pero cuanto más lo pienso menos alternativas le veo.

Asi que, la solución, en el próximo capítulo.


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