PWM77: ¿Analógico o digital?

Una vez que hemos visto el PWM77, "Simulador de locomotoras" en funcionamiento, quizá alguno de los lectores se esté preguntando cómo demonios he conseguido esa imitación del movimiento de una locomotora. Ya en el artículo "Simulador de locomotoras"  puse una fotografía del circuito electrónico que genera la corriente que alimenta las vías, y que, desde luego, al estar hablando de trenes analógicos, es justamente la que alimenta directamente el motor de la locomotora.

Seguramente muchos lectores que tengan conocimientos de electrónica, habrán pensado que para hacer eso, hay que recurrir a algún dispositivo programable, tipo Arduino o microcontrolador y seguramente hacer un complejo programa que calcule cuál debe ser la velocidad de la locomotora en cada momento, en función de cuál era en el momento anterior, de la posición de los controles, y de las características que se quiera dar al movimiento (inercia, rozamiento, etc). Esto supone programar una función que nos de la velocidad en función del tiempo, teniendo en cuenta la influencia de todas las variables que influyen, y con ello calcular la velocidad en cada instante, con la complicación de que hay unas cuantas variables como la posición del mando del regulador o de la palanca del freno, que pueden variar en cualquier momento por la acción del operador. Con ello, resolver la ecuación para cada incremento de tiempo, y obtener un valor numérico de la velocidad, que luego hay que convertir en una tensión eléctrica que se hace llegar a la locomotora para que ésta se mueva a esa velocidad. Y así continuamente.

Bueno, pues no hay nada de eso. Ya la fotografía que puse o la que acompaña estas líneas, podían ser una pista, pero para mayor  abundamiento este artículo va encabezado con el esquema real del circuito del PWM77, Seguramente más de uno se sorprenderá por lo simple que parece, pero no solamente por los pocos elementos que aparecen sino porque se trata de circuitos integrados muy elementales y nada tienen que ver con microprocesadores ni nada parecido (si no se ve bien el esquema, recuerdo que haciendo click en él se amplia la imagen) Realmente en el esquema vemos cuatro circuitos integrados pero realmente son solo tres, porque los dos de la izquierda están físicamente en un único chip, y realmente son simplemente dos multivibradores NE555 en un solo chip, o sea, probablemente el circuito integrado más conocido del mundo. Luego hay dos potenciómetros digitales DS1804 y a la derecha un comparador LM339. Total, los tres chips que se ven en la fotografía.

Por cierto, que alguno dirá ¡te pillé!, en esta fotografía se ve que hay otra placa debajo. Es cierto, pero esa segunda placa es la misma que llevan todos mis controladores, y es simplemente la etapa de potencia que convierte la señal PWM de 5 Voltios de valor de pico, que genera la placa de arriba, en una corriente más potente, de 9, 12, o 15 voltios que es la que llega a la vía. 

Entonces, ¿Dónde está el truco?. Pues simplemente en que ahora todo el mundo está acostumbrado a resolver los problemas en modo digital, es decir utilizando dispositivos que saben hacer operaciones aritméticas, y que por lo tanto requieren datos numéricos y dan los resultados también en forma numérica. Por eso decía antes que con un microprocesador vamos a obtener una sucesión de valores de la velocidad, pero que hay que convertir en una tensión variable con que alimentar el motor de nuestras locomotoras . Por supuesto, también hay que expresar en forma numérica la posición de los mandos en cada momento, para que el resultado de cada cálculo de velocidad tenga en cuenta esas posiciones.

Sin embargo, en los primeros tiempos de los ordenadores, existían los llamados ordenadores analógicos, por oposición a los ordenadores digitales que son los universalmente utilizados ahora. Un ordenador analógico no calcula, es decir, no utiliza cálculo numérico, sino que simula un fenómeno físico con un dispositivo que admite en forma física unos datos de entrada y tiene unos elementos internos que se comportan análogamente a lo que se quiere estudiar, de manera que midiendo los valores de las salidas producidas se sabe cual va ser el resultado del  sistema que se está estudiando.

De esa palabra, "análogamente" viene la expresión "analógico" que se sigue usando en contraposición a la expresión "digital"

Un ejemplo muy simple, Supongamos que yo, que soy muy tonto, tengo una tubería por la que llegan 10 litros por minuto y otra por la que llegan 5 litros por minuto, y ambas tuberías se juntan en una sola, y quiero saber su caudal. Entonces hago un dispositivo eléctrico que tiene un cable por el que sale 10 Amperios y otro cable por el que salen 5 Amperios. y junto ambos cables y mido la intensidad con un amperímetro. Me dará efectivamente 15 Amperios y entonces ya se el caudal del tercer tubo. Obsérvese que ese sistema me valdría sean cuales sean los caudales de los tubos de entrada, y si soy capaz de traducirlos a una corriente de los amperios correspondientes, la medición de los amperios de salida me dará el caudal del tubo de salida.

Esto es porque la suma de las corrientes de agua en dos tuberías se comporta análogamente a como se comportan las corrientes eléctricas que se juntan. Obsérvese que la simulación se puede hacer con elementos eléctricos o electrónicos aunque lo que se modeliza sean otro tipo de magnitudes físicas.

Simulador analógico del movimiento de la locomotora

Seguro que el que haya llegado hasta aquí, se estará preguntando, que tiene todo esto que ver con el funcionamiento del PWM77. Pues a ello vamos: En la imagen anterior, que optimistamente he titulado "simulador analógico del movimiento de la locomotora", vemos una muy pequeña parte del circuito presentado en la cabecera, pero es la más importante, ya que efectivamente aquí se simula el estado de funcionamiento de la locomotora en todo instante.

Arriba a la derecha vemos una salida rotulada VO  (de Velocidad Objetivo). Aquí queremos obtener una tensión entre 0 y 5 voltios que marca la la velocidad a la que queremos que "tienda" la locomotora. Es decir si esta velocidad objetivo es mayor que la actual, la locomotora deberá ir aumentando la velocidad, pero si es menor deberá disminuir la velocidad en ambos casos hasta alcanzar la objetivo .

En rigor nunca la alcanza exactamente la velocidad objetivo: como los incrementos y decrementos de velocidad son en 100 pasos discretos, siempre hay un punto en el no llega y el siguiente en que se pasa, con lo que la velocidad queda oscilando alrededor de esa velocidad objetivo. pero al ser los incrementos pequeños, no se aprecia ninguna "oscilación".

¿Cómo variamos esa tensión?. Veamos: por la izquierda llega un cable rotulado NVO que viene del regulador. El regulador es simplemente un potenciómetro conectado entre una tensión de 5 voltios y 0 voltios. Por lo tanto según movemos el potenciómetro obtendremos en el cursor una tensión entre 0 y 5 V que materializa la posición del regulador (va sonando a analógico ¿no?) 

En principio, si C9 está descargado la tensión NVO se transmite a través del diodo D3 y la resistencia R8 a la salida VO, por lo que si no estuviera C9, VO tendría prácticamente la misma tensión que NVO, de manera que al aumentar la tensión del regulador aumentaría la velocidad objetivo y al disminuir, la del regulador disminuye también la tensión objetivo. 

Pero aquí, al estar conectado a VO el condensador C8 se carga a la tensión VO. Si entonces subimos el regulador aumentará NVO, subirá VO y el condensador se carga a la nueva VO, por lo que la velocidad objetivo aumenta, y la locomotora acelera. Pero si el regulador baja la tensión NVO, incluso hasta 0, como el condensador esta cargado, VO permanece a esa tensión. Por eso, cuando bajamos el regulador la velocidad de la locomotora, no disminuye, porque se mantiene la misma velocidad objetivo.

Si NVO permanece mucho menor que VO, lo que ocurre es que el condensador se va descargando lentamente a través de la resistencia R9, y por eso con el regulador cerrado, la locomotora va disminuyendo muy lentamente la velocidad.

Y que pasa con el freno? Pues al bajar la palanca del freno, al primer escalón, lo que hacemos es cerrar el interruptor SW1 y por lo tanto VO se pone inmediatamente a cero voltios, (independientemente de cual sea la posición del regulador, y para eso están R8 y D3 que quedará aguantando la tensión NVO). O sea que con SW1 cerrado la velocidad objetivo es cero y por lo tanto la velocidad empieza a disminuir hasta que el tren se para.

Sin embargo aquí entra otro tema: ¿a que ritmo sube o baja la velocidad?. Esto depende de la frecuencia que genera el segundo de los mutivibradores NE555 y que a su vez depende del valor de un condensador, aquí identificado como C6  Con el valor de 10 uF la frecuencia es de unos 2   pulsos por segundo, lo cual quiere decir que para pasar de velocidad 0 a la máxima, en 100 escalones tiene que recibir 100 pulsos y por lo tanto tardará unos 50 segundos en pasar de cero a la velocidad máxima o de la velocidad máxima a cero. Esto es lo que ocurre con el primer punto de frenado: la velocidad baja al mismo ritmo con que sube al al subir el regulador. Pero luego hay dos puntos de frenado más, que lo que hacen es sustituir el condensador de 10 uF por otro de 5 uF y por otro de 1uF con lo cual la velocidad del frenado se dobla en el primer escalón y se multiplica por 10 en el segundo.

O sea que en realidad, el valor de este condensador que va cambiándose materializa la potencia del freno en las distintas posiciones, y por ejemplo la resistencia R9 materializa las resistencias dinámicas que hacen que la velocidad disminuya  con el regulador cerrado.

Creo que con esto queda cumplido el objetivo de este artículo. Se trataba de demostrar que con un sistema analógico tremendamente sencillo, como es el incluido en la última figura, en la que hay tres condensadores un diodo y dos resistencias, se puede modelizar cómo queremos que se comporte una locomotora, reconocer la posición de los elementos de control, y generar una salida que directamente nos da un valor de tensión variable en el tiempo que sirve para controlar el movimiento de la locomotora.

Evidentemente los sistemas analógicos tienen un fallo: solo sirven para un caso específico, mientras que un sistema programable, tipo Arduino, admite que se pueda programar casi cualquier cosa, aunque también el programa será específico para cada caso. 

PWM77

Bueno, pues como lo prometido es deuda, aquí dejo el video que he grabado, mostrando las primeras pruebas del famoso "Simulador de locomotoras".

De hecho está grabado la primera vez que ha funcionado completamente bien, porque fiel a su historia ha seguido dando problemas hasta el final, pero bueno, ha merecido la pena.

Yo creo que con la explicación del artículo precedente, y los rótulos que se insertan en el video, no hay mucho más que decir sobre su funcionamiento.

Aclaro una cosa que no se ve en el video: La conexión de este controlador es igual que todos los demás, es decir tiene simplemente una toma coaxial para enchufar uno de los clásicos alimentadores, que se conectan a la red y proporcionan salidas de 9, 12, o 15 V, según sea la escala Z, N o H0. Y naturalmente dos cables de salida que van a la vía. Nada más.

Si algún susceptible me dice que en las imágenes se ven unos cuantos cables más, que salen de la parte trasera, le diré que es cierto, pero es que como he dicho ésta ha sido la primera prueba que ha salido bien, y los cables que se ven, corresponden a tomas hechas provisionalmente para monitorizar distintos parámetros, durante la prueba. De hecho, si nos fijamos en las imágenes, se ven, detrás del tablero por donde circulan los trenes, dos elementos de control que son los que están conectados a esos cables provisionales: A la izquierda vemos un polímetro que está leyendo una tensión que varía entre 0 y 5 voltios y que representa el valor de la tensión de control, que ya mencionaba en el artículo anterior, y que es la que se puede llevar a un velocímetro VELAN para que nos de una indicación precisa de la velocidad, mucho más precisa, desde luego, que el velocímetro analógico que lleva este PWM77.

El otro instrumento, situado también detrás del tablero. a la derecha, es el osciloscopio. Desafortunadamente no se ve muy bien la pantalla, ya que había mucha luz ambiental, pero con un poco de atención, se puede ver que está representado la forma de la señal PWM que estamos enviando a la vía.

Me queda todavía algo muy importante: Para hacer este prototipo, hice un diseño en Proteus, en el cual la simulación funcionaba perfectamente, y a partir de ese diseño, encargué un juego de placas de circuito impreso. Sin embargo, cuando monté el circuito en esas placas fue cuando empezaron los problemas. Esto que parece raro, tiene su explicación: Las simulaciones que hace Proteus sirven para ver si el concepto del circuito que queremos hacer es correcto, pero la simulación se hace en condiciones ideales, es decir todos los componentes son perfectos, no interfieren unos con otros y no hay elementos que perturben el funcionamiento de los circuitos. 

La realidad es que en los circuitos se producen "transitorios" "acoplamientos" "interferencias" etc, que hacen que muchas veces haya problemas. Algunos son clásicos y ya cuento con ellos, como los famosos condensadores de desacoplo que aparentemente no hacen nada, pero que como no los pongas puedes acabar desesperado. De hecho, en la simulación no solamente no hace falta ponerlos para que funcione, sino que ni siquiera hay lugar para incluirlos en el esquema 

Lo que ocurre aquí es que hay muchos elementos mecánicos que intervienen en los circuitos, como los dos conmutadores rotatorios que llevan el regulador y el freno. y los elementos mecánicos son muy peligrosos porque cuando los contactos se abren y se cierran hacen como un rebote, que abre y cierra el circuito varias veces hasta que se cierra (o se abre) el contacto. No hace falta decir que un sistema como éste, que está funcionando con impulsos para crear los PWM, se lleva muy mal con esas vacilaciones, Realmente es también un clásico poner condensadores en todos estos elementos mecánicos como conmutadores, interruptores, pulsadores, etc. Se suelen llamar condensadores anti-rebote. Buenos pues al final, he tenido que repartir un puñado de condensadores por todas partes y así es como por fin se han solucionado los problemas.

Pero todo esto es a base de chapucear en la placa de circuito impreso, así que lo que ahora me falta, es rediseñar las placas para incluir todos esos condensadores, y de paso el circuito que eleva la tensión de control  desde el rango 0-5 V al rango 0-15 V para activar el voltímetro que hace de velocímetro, como ya conté en el artículo anterior. Total: a encargar nuevas placas.

Podía dejarlo como está, ya que como se ve funciona perfectamente, pero quiero dejarlo fino y sobre todo preparado por si mi socio está dispuesto a comercializar esto

Y... Una "Fe de erratas":Al principio del video aparece un rótulo que dice "Freno de Vacío" al mostrar la palanca del freno. En realidad debería decir "Freno de aire comprimido"  que era el sistema habitual en esa época, y que todavía lo es. El freno de vacío era un sistema más primitivo que llevaban sobre todo las locomotoras de vapor

Editado 13/05/2022

Un lector me ha hecho llegar la fotografía adjunta que no me resisto a incluir aquí. Se trata de una imagen tomada en Polonia, donde parece que en algo así como un museo de ferrocarril, existe un simulador de locomotoras profesional, es decir de los empleados para la enseñanza de los maquinistas, pero que aquí lo tienen para enseñar a los niños cómo se conduce una locomotora.

Es enternecedora la imagen de la niña, mirando atentamente la vía por la que supuestamente circula su tren, mientras con un postura correctísima, sujeta la palanca del freno, con su mano derecha y el volante del regulador con su mano izquierda.

Como dice mi comunicante, ¡hasta el color lo has "clavao"!

Simulador de locomotoras

En mi artículo anterior, decía que una vez terminado el traslado de mi maqueta a su nueva ubicación, tocaba volver a retomar la construcción de la misma, así que supongo que todos los seguidores de este blog, esperaban una serie de artículos, mostrando avances en el montaje de la maqueta. 

El tiempo trascurrido sin ninguna noticia, ya hará sospechar que algo ha impedido ese plan, y así es en efecto, pero afortunadamente no se trata de nada malo, sino de mi eterna manía de liarme con proyectos marginales, que al final, impiden que me dedique a la maqueta.

Esta vez, lo que se ha interpuesto en el camino es un tema que tenía arrinconado desde hace varios años, aunque siempre he contado con que la final llegaría a abordarlo. De hecho, cuando hice el cuadro de mando de la maqueta que ya hemos visto en entradas anteriores (Véase A la cuarta va la vencida), ya se podía ver, en la esquina inferior derecha, un misterioso conector de tipo DIN que tenía la misión de poder conectar ahí un "controlador externo", es decir aparte de los cinco controladores que lleva el cuadro, existe la posibilidad de conectar ahí un controlador adicional que puede tomar el mando de uno o de varios (incluso todos) cantones de la maqueta. Esto permitiría por ejemplo conectar ahí cualquier controlador, por ejemplo para probarlo, o para ensayar un nuevo desarrollo.

Pero aquí también se puede conectar un controlador cuyo objetivo sea manejar los trenes de la maqueta de una manera totalmente distinta, y esto corresponde a una antigua idea, de construir un controlador que simule la forma en la que realmente se maneja una locomotora. 

Una serie de circunstancias me hizo hace unas semanas, recordar aquél antiguo proyecto así que antes de enfrascarme de nuevo con la maqueta me propuse abordar este nuevo desarrollo. La verdad es que pequé de optimista, porque lo que pensaba que me iba a llevar un par de semanas, en realidad se ha convertido en un par de meses con muchas dificultades, tantas que en un par de ocasiones he estado a punto de tirar la toalla. Precisamente por eso no he publicado aquí nada, para no gafar el proyecto, anunciando algo que al final acabase en el cubo de la basura. Al final ya tengo funcionando un prototipo, cuyo aspecto recoge la imagen de la cabecera.

El aspecto, como se puede ver, no tiene nada que ver con mis anteriores controladores, aunque la parte electrónica está derivada, y es muy similar al controlador PWM74 (Véase: Recién nacido) Este PWM74 es un controlador con simulación de inercia, pero sin ningún automatismo, es decir que hay que manejarlo de forma manual, a diferencia de los desarrollos posteriores PWM75 y PWM76 que permitían manejar sus funciones de forma automática mediante sensores situados en las vías

Este nuevo controlador, que naturalmente se identifica como PWM77, tiene la característica de presentar una imagen semejante a la que se tiene en la cabina muchas locomotoras, y reproduce el aspecto de los mandos principales de una locomotora real, concretamente de las locomotoras eléctricas y también las diesel, que funcionaron hasta la introducción de la electrónica en las locomotoras, aproximadamente desde los años 40 hasta finales del siglo pasado. 

Concretamente el controlador, que como vemos está montado en una consola, tiene a la izquierda un mando en forma de volante que es el regulador, y a la derecha una palanca con giro horizontal que simula el freno. Además, junto al regulador, vemos un velocímetro que intenta reproducir el indicador de velocidad analógico, de estas locomotoras, y también hay un mando para el cambio de sentido hacia delante y hacia atrás. Este último mando es poco realista, porque en las locomotoras reales, el cambio de sentido era una palanca coaxial con el regulador, pero hacer algo así suponía demasiada dificultad.

Pero lo importante no es que la imagen que vemos se parezca o recuerde a la disposición o el aspecto de los mandos de una locomotora, sino que la función de estos mandos se aproxima mucho a la que realizan estos mismos controles en una locomotora real.

Por ejemplo, estamos acostumbrados a que en un controlador para trenes modelo, la velocidad del tren corresponda a la posición del mando de velocidad del controlador, de manera que girando en un sentido, el tren aumenta de velocidad, y girando al revés el tren disminuye y llega a pararse. Y esto tanto en trenes analógicos como digitales, y lo más que llegamos a tener es un sistema de simulación de inercia, que hace que las variaciones de velocidad sean lentas y progresivas, pero en todo caso la forma de parar el tren es llevar a cero el mando de velocidad.

Pero esto no es realista: en una locomotora real, si movemos el regulador hacia arriba, el tren irá acelerando más o menos rápidamente, pero si a una cierta velocidad, volvemos el regulador a cero, la locomotora no se para, sino que por inercia sigue rodando y solo muy lentamente va perdiendo algo de velocidad debido a los rozamientos. Esto es exactamente lo que hace el controlador PWM77. De entrada el movimiento del mando no es continuo sino por puntos (como en las locomotoras reales) , y en este caso tiene diez escalones, cada uno de ellos correspondiente a una determinada velocidad, pero que no se alcanza de inmediato, sino que la aceleración es progresiva simulando la inercia del tren hasta que se alcanza la velocidad correspondiente al escalón seleccionado en el regulador. Pero si a partir de ese punto, bajamos el regulador, la velocidad no disminuye de forma inmediata, sino muy lentamente, y cada vez más lentamente según la velocidad es cada vez menor.

La forma de hacer que la velocidad disminuya de forma efectiva es, naturalmente aplicar los frenos. En el controlador PWM77 tenemos una palanca de freno que se activa girando a izquierdas y tiene cuatro posiciones. En la primera, la locomotora está totalmente desfrenada, y el comportamiento es como hemos descrito antes. En el primer punto de frenado se hace disminuir la velocidad pero con bastante lentitud. De hecho disminuye la velocidad con el mismo ritmo con que aumenta cuando subimos escalones con el regulador. Esto hace que la forma de que la locomotora baje de velocidad, es disminuir unos pocos escalones del regulador y luego frenar con este primer punto de frenado.

Los otros dos puntos de frenado, producen ya una disminución de la velocidad de forma clara,  y especialmente el último detiene la locomotora muy rápidamente, aunque tampoco de forma instantánea.

Los maquinistas de los trenes que contaban con frenos de este tipo, normalmente ajustaban la frenada moviendo la palanca de un punto a otro, para ir frenando al ritmo que se requería en cada momento. Lo mismo puede hacerse en el PWM77.

Como decíamos no solo el aspecto, sino la forma de uso y el funcionamiento de las locomotoras se aproxima grandemente a lo que ocurre en una locomotora real, así que por eso, en vez de hablar de un nuevo controlador, yo le llamo "Simulador de locomotoras"

Como decía la electrónica es relativamente sencilla, y está derivada del PWM74. La imagen a la izquierda muestra la placa del primer prototipo, y podría comprobarse que es del mismo tamaño e incluso usa los mismos circuitos integrados del PWM74. Sin embargo este primer prototipo tuvo que ser modificado por algún pequeño error, y sobre todo por un problema con el que no contaba:

Como sabemos el PWM74 proporciona la salida para conectar un velocímetro VELAN. (Véase "Solución forzada") Era elemental mantener esto en este nuevo desarrollo, pero como sabemos el VELAN presenta la indicación de la velocidad, en una pantalla con cifras digitales. El tema es que VELAN necesita que el controlador entregue una salida que es una tensión continua que varía entre 0 y 5 voltios. Calibrando el VELAN se consigue que las cifras de la pantalla muestren la velocidad en Km/h a la que se mueve nuestro modelo a escala.  Sin embargo como quería representar el cuadro de control de una locomotora relativamente antigua, un velocímetro digital estaba fuera de lugar, pero pensé que no tenía nada más que conectar un voltímetro analógico, a la salida de entre 0 y 5 voltios para que la aguja se moviera y diera una indicación de la velocidad.

Pero claro, necesitaba un voltímetro analógico de corriente continua con cinco voltios a fondo de escala. Me costó, pero encontré uno (en Amazon). El problema era que ¡ no funcionó ! Se movía la aguja pero muy lentamente al principio y muy rápidamente al final, con lo cual la indicación era absurda.

Desesperado, me puse a buscar otros voltímetros analógicos de corriente continua con rango de 0 a 5 voltios, ¡y no encontré ninguno más! En todas las tiendas de electrónica que busqué, los voltímetros de corriente continua de menor valor eran del rango 0-15 Voltios, con lo cual, con mi salida de 0 a 5 V la indicación a velocidad máxima quedaría a un tercio de la escala.

Asi que decidí comprar otro voltímetro, esta vez de rango 0 - 15V y ver cómo convertía los cinco voltios en quince. Me vi no se cuantos circuitos de dobladores y triplicadores de tensión, pero la mayoría son para alterna y si son para continua son capaces de convertir un tensión de 5 V en 15 V pero NO de convertir una tensión variable en el rango de 0 a 5 voltios en otra tensión proporcional en el rango de 0 a 15 voltios. Al final conseguí diseñar un circuito para hacer eso, que me ha funcionado bastante bien, aunque empieza porque lleva un convertidor DC/DC de 5 a 15 V.

Entre tantas pruebas y ensayos, se justifica el largo tiempo que me ha llevado este proyecto, y también el coste que me ha supuesto, porque como se ve, los componentes empleados son piezas de tipo industrial, muy acordes con la imagen que se pretendía, pero que son bastante más caros que las empleadas en electrónica.

Espero poder publicar en los próximos días un vídeo donde veamos un tren funcionando bajo las órdenes de este nuevo Simulador de Locomotora