El "Efecto Agarpin"

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Hace tiempo que nuestro llorado Angel "Agarpin" publico en su blog un extraño efecto que se producía cuando un tren pasaba de un sector alimentado por un controlador PWM a otro sector alimentado por un segundo controlador PWM. Estos son los artículos originales de su blog: Transiciones I y Transiciones  II. 

Como parece que fue la primera persona que se dió cuenta del efecto, y estudió la causa, me he permitido, con todo mi cariño y respeto, bautizar este efecto en homenaje a su memoria como "Efecto Agarpin"

Cuando construí el circuito de pruebas con cuatro cantones, alimentado cada uno de ellos por un controlador PWM, ya sabía que se iba a producir el famoso efecto. Por eso, entre cada dos cantones puse un tramo de vía aislado por los dos extremos para usarlo como tramo de transición.

Es decir, según vemos en la imagen, al final de cada cantón hay un punto como el A en que está cortado el carril derecho, luego dos puntos más como B y C en que están cortados los dos carriles. El tramo AB corresponde al cantón que termina en B y es el tramo de parada. Los trenes se paran ahí si el cantón siguiente está ocupado. Cuando se libera el cantón siguiente, que empieza en C,  los trenes pasan al tramo BC que es el tramo de transición, y seguidamente pasan por el punto C al tramo siguiente

Hay un artículo en este blog donde expliqué este efecto y la forma de evitarlo (Véase PWM y III) pero merece la pena recapitular un poco:

El efecto se produce, como decía, cuando una locomotora pasa de un tramo de via alimentado por un controlador PWM a otro tramo alimentado por un segundo controlador PWM Esta figura servirá para ilustrar lo que ocurre:

Si suponemos una locomotora como la de la figura que pasa de una zona alimentada por un PWM que produce la señal roja a otra zona que está alimentada por una señal como la verde, hay un momento en que las ruedas delanteras reciben la señal verde y las traseras la roja. Como ambos conjuntos de ruedas alimentan el mismo motor, está claro que este recibe una corriente que es el resultado de mezclar ambas señales. Digo mezclar porque no es exactamente una suma, sino más bien sería una envolvente, si es que ambos controladores se mantienen generando cada uno su señal.

Obsérvese que aunque ambos controladores estén ajustados exactamente a la misma velocidad, eso significa que la anchura de los pulsos es igual en ambas señales, tal como vemos en la figura. Sin embargo aunque los pulsos sean de la misma anchura, no coinciden en el tiempo, es decir, lo que se dice técnicamente que no están en fase. Y no es cuestión de conseguir que se pongan en fase porque es imposible, ya que siempre la frecuencia de una señal es distinta de la otra, con lo cual hay momentos que coinciden en  fase, pero hay momentos en que se solapan e incluso momentos en que están completamente desfasadas. Eso se ve muy bien en el video que muestra la pantalla del osciloscopio con la señal de dos cantones contiguos, en rojo y amarillo. Se ve que la frecuencia de ambos cantones es distinta y que la señal de un cantón se desliza respecto de la otra.

El resultado es que al pasar de un cantón a otro, durante unos instantes el motor recibe una corriente que es distinta de la que recibe cuando todas las ruedas están en la zona roja o cuando todas están en la zona verde. Lo malo es que la forma en que se van a mezclar amabas señales es impredecible porque depende fuertemente de la diferencia de fase entre ambas señales. Si ambas fases fuesen exactamente coincidentes, no se notaría ningún efecto, pero es imposible garantizar esto, porque las frecuencias de unos controladores y otros son siempre distintas debido a las tolerancias de los componentes electrónicos. De hecho lo que se aprecia es que cuando una locomotora pasa por un punto de transición, en muchos casos no se aprecia nada o prácticamente nada, pero de vez en cuando, seguramente cuando las señales están completamente desfasadas, se aprecia una irregularidad en la marcha.

Pero lo peor es que realmente cuando la locomotora "puentea" ambos sectores eléctricos en realidad está haciendo un cortocircuito entre los dos controladores, y aquí ya interviene otro factor, y es como se comporta el controlador, más exactamente su circuito driver de motor, cuando su salida recibe la señal de otro driver con fase distinta.

El vídeo que encabeza este artículo es una ilustración de lo que digo. Al empezar vemos como hay tres locomotoras que están circulando en el circuito de cuatro cantones. Cada cantón lleva un controlador PWM distinto así que cada locomotora pasa por una transición cuatro veces en cada vuelta. Sin embargo no se aprecia ninguna irregularidad, y todas las paradas que se ven corresponden a paradas ordenadas por el control de acantonamiento y se producen en los puntos previos a los cambios de cantón. Obsérvese que mientras está funcionando normalmente el acantonamiento, hay siempre al menos una locomotora funcionando.

Pero en un momento dado, anunciado por un rótulo en el vídeo, se produce una parada simultánea de las tres locomotoras, Esto es imposible que lo ordene el sistema de control, y además ninguna de las tres locomotoras se para en el tramo de parada de un cantón. Como se ve, la parada es muy corta, menos de un segundo e inmediatamente se reanuda la marcha del sistema normalmente. ¿Qué ha pasado? Pues que la locomotora que vemos arriba a la derecha se ha situado en una transición de cantones en un momento en que han coincidido las fase de las señales PWM en oposición. Esto ha provocado un cortocircuito, que además de alterar completamente la señal PWM de ambos cantones afectados, seguramente ha debido hacer una sobrecarga que ha hecho que se corte la fuente de alimentación.

Es el famoso efecto Agarpin

En el vídeo se puede ver que en efecto, a pesar de ser dos controladores exactamente iguales. producen frecuencias ligeramente distintas (39 y 37 Hz) con lo cual ya se ve que será imposible poner de acuerdo a los cuatro controladores. También vemos como cuando se produce el cortocircuito entre los cantones contiguos, la señal se deforma por completo. (En la fase final del video se ven varios cortocircuitos muy seguidos. Esto se debe a que han sido provocados intencionadamente, no por la circulación de las locomotoras)

En resumen: es un tema que realmente es muy poco llamativo, porque como se ve se produce sólo una mínima interrupción y sólo ocurre de forma muy esporádica. De hecho, cuando comencé las pruebas del acantonamiento me sorprendí que no se produjera ningún efecto, y me costó trabajo darme cuente de que alguna de las paradas que hacían los trenes no correspondían al control de acantonamiento si no a este efecto. Seguro que si no es por los rótulos de aviso, a mis lectores les costaría trabajo encontrar en el vídeo el momento en que se produce este efecto.

Lo que está claro es que lo que ocurre en cada caso depende de múltiples factores, entre otros la separación entre las ruedas de las locomotoras, del comportamiento del motor ante dos señales PWM mezcladas, del comportamiento de los controladores ante la señal que le llega del otro controlador, y por lo que he podido ver, del comportamiento de la fuente de alimentación ante el posible tirón de corriente que se puede producir.

La conclusión de todo esto es que en determinadas circunstancias, este problema puede llegar a ser bastante molesto. En el artículo antes mencionado ya apuntaba yo alguna posibilidad de solucionarlo, pero ahora, que lo tengo tan a mano, es el momento de buscar una solución. La solución pasa por conseguir que nunca haya ruedas de la locomotora pisando al mismo tiempo los circuitos de dos PWM distintos, y la forma de conseguirlo es hacer un tramo "de transición" que pueda conectarse a uno u otro de los controladores PWM de manera que cuando la locomotora entra al tramo de transición éste recibe la misma alimentación que la del circuito del que proviene la locomotora. Cuando ya la locomotora está completamente dentro del tramo de transición un relé conmuta la alimentación del tramo de transición a la del PWM que alimenta el circuito hacia el que va la locomotora, de modo que cuando la locomotora pasa del tramo de transición al segundo circuito, están todas sus ruedas alimentadas por el segundo PWM.

La conmutación de un relé es rapidísima así que no se nota ninguna irregularidad pero sobre todo en ningún momento se junta la señal generada por uno de los PWM con la generada por el otro, de manera que no hay ninguno de los efectos mencionados anteriormente.

El siguiente esquema recoge como funciona la transición. Para activar el relé podemos usar sensores análogos a los usados para el sistema de acantonamiento. De hecho mi primera idea fué utilizar el mismo sensor para ambas funciones, pero al hacer las pruebas he visto que no funcionaba con seguridad asi que al final he decidido que es mejor usar un sensor para cada función. Aparte de que se evitan los problemas, tenemos la libertad de poner cada sensor en el lugar más conveniente para su función.

En el paso 1, vemos como el controlador A alimenta el cantón A y el controlador B, alimenta el cantón B. Además tenemos un relé que cuando está inactivo conecta el tramo de transición al controlador A. En estas condiciones la locomotora entra en el tramo de transición desde el cantón A siendo permanentemente alimentada desde el controlador A

En el paso 2, la locomotora alcanza el sensor. Entonces su imán lo activa y esto se detecta en el circuito de control del relé

En el paso 3, el relé es activado por su circuito de control en respuesta a la señal del sensor. Entonces el relé pasa a posición de activado con lo que el tramo de transición pasa a recibir alimentación desde el controlador B

En el paso 4, el circuito de control mantiene activado el relé mientras la locomotora sale del tramo de transición alimentada por el controlador B

Y por fin, en el paso 5,  después de un tiempo ajustable (entre 1 y 5 segundos) el circuito de control desactiva el relé con lo que el tramo de transición queda otra vez conectado al controlador A, y dejando así el sistema preparado para el paso de una nueva locomotora.

Así que necesitamos un circuito de control que funcione de forma que cuando el sensor se active, mueva el relé y lo mantenga en posición activa un cierto tiempo ajustable, pasado el cual el relé volverá a la situación de desactivado. Esto en realidad es muy sencillo de hacer ya que no se exige ninguna precisión en el tiempo de retardo. El circuito que he hecho para conseguir esto, utiliza un condensador que se carga al cerrarse el circuito del sensor y que se va descargando a través de la base de un transistor. La corriente de colector es la que mantiene la bobina del relé activada mientras dura la descarga. En diseño del circuito es este:

He utilizado un relé superminiatura, y también clemas miniatura, con lo cual el circuito ha quedado de un tamaño mínimo. Concretamente 39 x 32 mm y este es su aspecto:

Naturalmente he nombrado este elemento como IEAGP01 lo cual significa "Inhibidor de Efecto Agarpin".

 La forma de conectarlo responde a este esquema:

Como puede verse, el tramo de transición debe estar aislado en ambos carriles, así que tendremos eclisas aislantes en los puntos A, B, C y D. Aproximadamente en el centro del tramo, situaremos el sensor que vayamos a usar para la detección del paso de las locomotoras.

El circuito necesita alimentación de 12 V de corriente continua que se une a las bornas Vcc u GND (+ y - respectivamente) El sensor se conecta entre las bornas GND y SENS. Si es un sensor Hall, como el de la imagen, se conecta además el terminal 1 a la bornna Vcc y necesariamente el terminal 2 a GND y el 3 a SENS.

Hay dos clemas de tres bornas rotuladas Izq. y Der. Con ellas se une cada carril del tramo de transición al carril correspondiente de los cantones anterior y posterior: La borna N+1 de cada lado se une al carril del cantón B, la borna N se une al carril del cantón A y la borna T al carril del tramo de transición.

Por supuesto estas uniones a los carriles de los cantones no tienen porqué hacerse directamente a los carriles. Cada cantón recibirá alimentación desde un controlador, y por lo tanto bastará tomar desde ese controlador de cada cantón la corriente que va a cada carril, par llevarla a este circuito.

En concreto, si estamos haciendo un acantonamiento con los módulos BLKS01 podemos unir directamente el  IEAGP01 a las bornas de los dos módulos BLKS01 e incluso la alimentación de 12 V la podemos tomar de las bornas Vcc y GND de estos módulos, al igual que hacemos con los sensores para el bloqueo automático. De esta forma la introducción del IEAGP01 solo implica un aislamiento adicional, y la conexión del sensor.

Y a todo esto, ¿funciona? Pues para probarlo he hecho cuatro módulos y los he conectado a los BLKS01 del bloqueo automático en el circuito de prueba que se ve en el primer vídeo. El resultado lo vemos en el vídeo siguiente:

Como se puede ver, el resultado es totalmente satisfactorio, pues desaparece por completo cualquier irregularidad al pasar de un cantón a otro.

En el vídeo vemos que cada inhibidor lleva un led que se enciende cuando se activa, es decir cuando el relé conmuta la alimentación del tramo de transición a la del cantón siguiente. Se comprueba que los leds se apagan poco a poco siguiendo el ritmo de la descarga del condensador. En algún momento de esa descarga se desactiva el relé y en tramo de transición vuelve a quedar conectado al cantón anterior.

Al final del vídeo vemos la imagen del osciloscopio que muestra en amarillo la señal de un tramo de transición, y en rojo la del cantón siguiente (Hubiera sido interesante ver la señal del cantón anterior, pero mi osciloscopio es de dos canales) Es interesante comprobar que normalmente el tramo de transición está dessincronizado respecto del tramo siguiente, asi que la señal roja se desliza continuamente. Pero en determinados momentos, cuando el relé se activa, la señal amarilla se vuelve igual que la roja y ambas quedan sincronizadas. Eso es justo lo que ocurre cuando la locomotora pasa del tramo de transición al cantón siguiente, asi que como vemos en ese momento ambas señales son iguales y por eso la locomotora pasa al siguiente cantón sin acusar ninguna irregularidad.

Una cosa que debe quedar clara es que el efecto Agarpin no se produce solamente en los circuitos acantonados. Cualquier circuito en el que una locomotora pase de una zona alimentada por un PWM a otra zona alimentada por un segundo PWM hará que se pueda presentar esta irregularidad. Otra cosa es si merece la pena poner un inhibidor para casos en los que el paso de un PWM a otro sea  esporádico, por ejemplo en circuitos con dos o más óvalos cuando se pasa de uno a otro.

Y también está claro que este efecto no es algo exclusivo de los circuitos alimentados con PWM. En cualquier caso en que un tren atraviesa un empalme aislado de vía, en el cual tiene una corriente a un lado y otra a otro, se pueden presentar irregularidades, ya que no hay que olvidar, que la locomotora produce un cortocircuito momentáneo entre ambas zonas. El cómo se acuse este cortocircuito depende de muchos factores, desde la construcción de la locomotora a los tipos de alimentación. Pero en general nunca es bueno que una locomotora pase de un circuito a otro haciendo cortocircuito entre ambos. Siempre es mucho mejor hacer que la locomotora pase a un tramo de transición y que cuando está en él se conmute la corriente mediante un relé o un dispositivo electrónico. Incluso en digital cuando se tienen zonas alimentados por boosters distintos, al pasar de una zona a otra se pueden producir irregularidades

El ejemplo más claro de este tipo de situaciones son los bucles de retorno. En ellos la corriente a un lado y otro del aislamiento es de distinta polaridad, asi que es fundamental resolver la transición con un conmutador externo mientras la locomotora está en un tramo de transición. Esto es lo que hacen los gestores de bucle.

Bueno, creo que ha sido un experimento interesante que soluciona un problema que se da fundamentalmente con este tipo de controladores de corriente pulsada. En una ocasión escribí en este blog, que quizá la existencia de este problema fuera la causa de que los controladores PWM, que por todo lo demás no tienen más que ventajas, tuviesen tan poca difusión, y fuesen tan ignorados por las grandes marcas de modelismo. Si eso es así, la verdad es que la solución es bastante sencilla.