sábado, 5 de abril de 2014

El otro sistema.



Hace unos días, un comunicante me preguntaba si el sistema de detección de trenes por consumo, sería compatible con los limpíavías Gaugemaster. A primera vista me desconcertó la pregunta, porque lo primero que pensé es que no tenía nada que ver una cosa con otra, pero mi comunicante me decía que había visto en un catálogo de Heki que ofrece unos detectores de consumo y advierte de esa incompatibilidad. No he sido capaz de localizar información sobre esos detectores de consumo,seguramente porque Heki como todas las marcas ha abandonado los sistemas analógicos,  pero creo que ya se por dónde va el tema.

En el artículo sobre mis detectores, comentaba que la dificultad de aplicar este sistema en analógico, estriba en ser capaces de detectar una corriente mínima, ya que en los sistemas analógicos la corriente disminuye su tensión según hacemos que las locomotoras vayan más lentas, de manera que en el límite, si al llegar a pararse,  la tensión llega a cero, es imposible su detección. En los sistemas digitales la corriente no disminuye nunca, aunque la locomotora se pare, conservando siempre su valor máximo de tensión, así que es fácil detectarla, de modo que los sistemas de retromódulos detectan los trenes precisamente por este efecto.

Y, ¿que pasa con un sistema PWM como el mío? Como sabemos la tensión de una señal PWM tiene forma cuadrada con pulsos de altura constante y anchura variable, y esta anchura es lo que define la velocidad de la locomotora. Cuando los pulsos van siendo cada vez más estrechos, la locomotora llega a pararse, pero incluso en ese caso, con pulsos de tan solo un 1% de anchura (duty), éstos se siguen produciendo, y aunque de duración muy corta, su tensión de pico sigue siendo la misma. Esto tiene dos efectos: Por un lado mantiene encendidas las luces de la locomotora, cuando éstas son de leds. Realmente lo que ocurre es que los leds se encienden sólamente durante los breves instantes que recibe un pulso, estando apagado el resto del tiempo, pero como no podemos apreciar esa fluctuación, los vemos como encendidos aunque con menos intensidad.

El segundo efecto, es que estos pulsos de tensión son suficientes para que llevados a un condensador, lo mantengan cargado a una tensión cercana a la máxima, y por lo tanto se detecte la presencia de las locomotoras, aún cuando los pulsos sean tan cortos que la locomotora no se mueva. Es decir, utilizo un sistema de detección parecido al de los sistemas digitales y que se basa en las características del control por PWM. Por eso el sistema exige controladores PWM y de hecho, como ya comenté, más bien se trata de controladores con sistema de detección incorporado que de detectores de consumo independientes.

Pero entonces, ¿cómo se funcionan los sistemas de detección por consumo en un sistema puramente analógico? Si la tensión va disminuyendo e incluso llega a cero cuando la locomotora se para ¿cómo podemos detectar el consumo de las locomotoras?

El truco que emplean estos sistemas, como el TRENICO que mencioné en el artículo anterior y seguramente el Heiki al que me he referido antes, es tan expeditivo como el añadir una corriente adicional a la que ya alimenta las locomotoras, y que permanece constante incluso cuando la locomotora se para.

Pero claro, si añadimos una corriente adicional, que nunca se hace cero, la locomotora no se pararía nunca, ya que seguiría rodando gracias a esta corriente.

La forma de conseguir que esto no suceda es hacer que esa corriente adicional, sea alterna y de alta frecuencia. En primer lugar al ser alterna no mueve los motores de corriente continua. Una corriente alterna por ejemplo de 50 Hz aplicada a un motor de corriente continua, tiende a que éste gire en un sentido durante medio ciclo de la corriente alterna y en sentido contrario durante el otro medio ciclo. En consecuencia el motor no se mueve, aunque se produce una vibración y además la circulación de la corriente, aunque sea alterna, por los bobinados del rotor los hace calentarse.

Pero si aumentamos mucho la frecuencia, del orden por ejemplo de kilohertzios, ocurre lo siguiente: Como el bobinado del motor tiene una impedancia relativamente alta, al aumentar mucho la frecuencia se comporta como un "choque" (un filtro "paso bajo" que no deja pasar las frecuencias altas) de manera que la corriente alterna que atraviesa el motor es mínima y deja de producir ningún efecto en el motor. Normalmente las locomotoras de corriente continua analógicas tienen además un condensador en paralelo con el motor para conseguir un efecto antiparasitario. Este condensador no tiene efecto alguno sobre la corriente continua que hace moverse la locomotora, pero cuando recibe la corriente alterna de alta frecuencia de los sistemas de detección, la deja pasar puesto que un condensador actúa como filtro paso alto (deja pasar las frecuencias altas y no las bajas ni la continua).

En definitiva si una locomotora de corriente continua recibe una corriente alterna de alta frecuencia superpuesta a una continua, la componente continua atraviesa el motor y lo hace funcionar normalmente, según el valor de tensión de la corriente continua. Por el contrario la corriente alterna no circula (apenas) por el motor, pero si por el condesador, de manera que mientras haya una locomotora en la vía, y aunque la componente continua sea cero, y por lo tanto la locomotora esté parada, la corriente alterna atraviesa la locomotora por el condensador y por lo tanto puede ser detectada.  En el momento en que levantamos la locomotora de la vía, la corriente alterna deja de circular y por lo tanto ya no se detecta que el circuito esté ocupado por una locomotora.

Quizá algún lector esté pensando cómo se pueden mezclar en un circuito eléctrico una corriente alterna y una continua. La verdad es que es muy sencillo: la corriente alterna como sabemos es simétrica de manera que oscila por ejemplo entre +6 y -6 voltios. Si a esto le sumamos una corriente continua de por ejemplo 8 voltios, lo que tendremos es una corriente alterna desplazada que ya no es simétrica, sino que oscila entre +14 y +2 voltios. Y, ¿cómo sumamos las dos corrientes? Pues con un transformador. Observemos la imagen de la cabecera. He puesto una fuente de corriente continua BAT , representada aquí por un símbolo de batería , una fuente de corriente alterna V1 y un transformador representado por TR.

Imaginemos que tenemos V1 apagada. La corriente continua producida por BAT, de 8 V de tensión, circula por el secundario del transformador, pero como es corriente continua, no afecta para nada al transformador, así que tendremos la corriente continua de 8 V por todo el circuito, excepto por la rama del condensador, ya que éste no permite circular a la corriente continua.

Pongamos ahora en marcha la fuente de alterna V1 que alimenta el primario del transformador, y vamos a suponer que el transformador es de relación 1: 1 En el secundario se induce una tensión alterna del mismo valor que en el primario (6 Voltios de pico o 4,25 Voltios eficaces) que riza la corriente continua que ya circulaba por el secundario, convirtiéndola en una corriente cuya tensión tiene la forma representada en el recuadro 3, y que oscila entre +2 y + 14 Voltios.

Cuando esta corriente llega al punto en que se bifurca el circuito, por la rama superior no puede pasar la corriente alterna porque se lo impide la bobina representada por L1, asi que por esa rama circula solo la corriente continua, como vemos en el recuadro 4. Por el contrario, por la rama inferior no puede circular la corriente continua, porque lo impide el condensador C1, de manera que por esa rama pasa sólo la corriente alterna como vemos en el recuadro 5.

Cuando volvemos a la rama común tenemos de nuevo la corriente sumada como se ve en el recuadro 6 que es igual al 3.

El conjunto de bobina y condensador representa la locomotora. La bobina sería el inducido del motor, y el condensador sería el antiparasitario. Asi que como decíamos independientemente de si la corriente continua tiene mayor o menor tensión, la componente alterna siempre circula mientras la locomotora esté en el circuito, de manera que un dispositivo tal como el que hemos representado en D, capaz de detectar esta corriente alterna, será capaz de detectar la presencia de la locomotora, esté parada o en marcha.

Asi que este es el truco del que se valen los detectores de presencia para determinar si un cantón está o no ocupado, con independencia del punto en el que se encuentre la locomotora, y de si está parada o en marcha. Como se ve, no tiene demasiado que ver con el sistema que yo he propuesto basado en los pulsos de PWM, asi que por eso he titulado este artículo como "El otro sistema"

Y ahora una cosa curiosa: Antes dije que suponía que ese transformador, que conectamos a la corriente alterna de 4,25 voltios, tenía una relación de transformación de 1 a 1, es decir que la tensión alterna inducida en el secundario resulta ser también de 4,25 voltios.

Bueno pues supongamos que ponemos un transformador de relación de transformador 1:50 La corriente alterna inducida en el secundario es de 212 Voltios, de manera que tendremos una corriente suma que es casi alterna con tensión de pico de 300 Voltios desplazada los mismos 8 V de la continua, es decir que oscila entre 308 y -292 voltios. Lo primero que piensa uno es que con esto, la locomotora va a saltar por los aires, pero la verdad es que no ocurre nada de eso. La parte del motor, solo recibe la continua, o sea, los 8 voltios de siempre, así que sigue funcionando normalmente. La parte de alterna sigue atravesando el condensador, y mientras éste resista 300 voltios, cosa fácil en un condensador cerámico, tampoco pasa nada. Realmente este condensador se comporta ante la corriente alterna como una resistencia de valor R=1/ωC, siendo ω la frecuencia de la corriente alterna y C la capacidad del condensador. Queda claro que cuanto mayor es la frecuencia más pequeña es la resistencia, por lo que hay que limitar esta corriente de algún modo para que no resulte excesiva.

Y si algún lector se pregunta, que a qué viene esto de meter 300 voltios de corriente alterna de alta frecuencia por las vías, la respuesta es que esto es exactamente un limpiavías de Gaugemaster. En efecto el Gaugemaster funciona asi. Hay que tener en cuenta que la fuente de alimentación de alterna que Gaugemaster conecta al primario del transformador como V1 tiene una resistencia interna alta, por ejemplo 500 kOhm. La teoría nos dice que las resistencia del circuito primario se ve desde el secundario multiplicada por la relación de transformación, de modo que si la relación de transformación es de 1 a 50 será como si en el secundario tuviésemos 25 megaohmios, de modo que aún con 300 voltios de tensión sólo circularán 12 miliamperios. De esta forma se limita la corriente a valores muy bajos que no suponen peligro alguno, y esta caída de tensión ocurre en el propio transformador, que se comporta como una fuente de tensión con una enorme resistencia interna.

Pero supongamos ahora que la locomotora pasa sobre una ligera capa de grasa o de óxido que aísla la rueda del correspondiente carril. Tanto la grasa como el óxido son aislantes así que se interrumpe la corriente (tanto la alterna como la continua), pero al dejar de circular corriente ya no hay caídas de tensión de modo que toda la tensión alterna, los 300 voltios, aparecen entre los puntos que se han separado: la rueda y el carril. Como la separación por una capa de grasa u óxido es mínima, del orden de micras, lo que ocurre es que esos 300 voltios entre dos superficies muy próximas con esa tensión producen un arco eléctrico (una minúscula chispa) que quema la suciedad y restablece el contacto, con lo cual la locomotora continúa su marcha sin acusar ninguna irregularidad.

De hecho los Gaugemaster tienen una lamparita de neón que se enciende cuando no hay ninguna locomotora en la vía, y se apaga en cuanto colocamos una. Asi que actúa exactamente como un detector de consumo. De hecho podría hacerse un detector de consumo basado en el Gaugemaster, pero lo que está claro es que un sistema de detección de consumo como el que hemos descrito, que tendría su propia frecuencia y tensión, resulta completamente incompatible con un Gaugemaster con sus propios valores de frecuencia t tensión. Es más, posiblemente el detector (D) que usáramos para detectar la corriente del circuito sería destruido por la alta tensión de la corriente del Gaugemaster, y como poco lo descontrolará totalmente.

Así que no me extraña que esos fabricantes de detectores de consumo declaren que sus productos son incompatibles con los limpiavías electrónicos tipo Gaugemaster.

Y qué pasa con mi sistema? Pues que como no tiene nada que ver con ninguna corriente alterna ni nada parecido funciona de forma independiente y no se ve afectado por la existencia de un Gaugemaster en el circuito. De hecho la detección se hace en el propio controlador, antes por lo tanto de que la corriente generada pase por el transformador del Gaugemaster, asi que digamos que el sistema de detección no se entera de si hay o no un Gaugemaster conectado. Lo cual me da mucha alegría porque los limpiavías electrónicos son una gran aportación para las pequeñas escalas.

Espero poder hacer pronto unas pruebas, y no dejaré de reflejarlas aquí




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