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sábado, 28 de junio de 2014

Split


Hace un par de semanas publiqué aquí un par de artículos (PWM05I) referidos a un nuevo controlador que he diseñado, cuya característica más importante, es que tiene simulación de inercia.

El montaje, tal como se ve en el vídeo y las fotografías de esos artículos estaba hecho sobre un caja relativamente pequeña, y que es la misma que utilizo para los controladores PWM04. Se trata de un montaje previsto para ser usado en modo "sobremesa", y por tanto por la parte de atrás lleva los conectores para el cable de alimentación y para la salida de corriente de tracción.

Sin embargo, al ser una caja reducida y manejarse por teclas, me di cuenta de que la tendencia natural, era cogerlo en la mano para manejarlo como quien usa un teléfono móvil. Naturalmente para hacer esto no podía tener varios cables conectados a la parte trasera.

Esto me llevó a pensar una alternativa que me ha parecido interesante: separar este controlador en dos partes: por un lado el teclado, previsto para tenerlo en la mano, y por otra el circuito, previsto para que quede oculto bajo el tablero de la maqueta o bajo el panel de un cuadro de control.

De esta forma, los cables de alimentación y de tracción, no tienen que llegar hasta el teclado con lo que al final este puede conectarse con un único cable al circuito. He modificado la regleta de conexiones del circuito para pasar de una clema a un conector tipo Molex, lo que permite conectar y desconectar el teclado con facilidad.
Con esta disposición la caja del teclado puede ser más pequeña y más ligera. Pero además he hecho otro cambio: En el primer modelo, (véase la imagen al margen ) utilicé unas teclas que me parecieron apropiadas (son pulsadores de tipo membrana) . Sin embargo a pesar de que son caras, no me dieron demasiado buen resultado. En el vídeo de demostración del artículo anterior se ve que hay que presionar con cierta fuerza las teclas, hasta el punto de que a veces se ve que el tablero se mueve, e incluso una de ellas resultó bastante fallona, asi que he buscado un nuevo sistema de pulsadores para hacer teclados que sea más conveniente.

La solución la he encontrado con los pulsadores llamados Tact-switch que tienen la virtud de producir un click bastante apreciable al ser activados, y que no requieren más que una presión muy ligera. Hay multitud de tipos pero al final me decidí por unos que me parecieron apropiados. Se les puede poner un botón de color para formar una tecla, y constituir así teclados a la conveniencia de cada uno.

Con respecto a las teclas de membrana que usé en el primer diseño tienen un  par de inconvenientes: El primero es que no tienen un reborde alrededor del agujero que hacemos en la caja, con lo cual el más mínimo defecto en el taladrado de la caja y de la carátula quedan visibles. Por otro lado, las teclas de membrana permitían desmontar el cerco y colocar una imagen o una rotulación, como se ve en la imagen anterior. En cambio estas nuevas, quedan como una ficha de parchís, sin posibilidad de rotular nada en ellas.

Pero a partir de ahí todo va a favor del nuevo sistema: Han resultado más cómodas de manejo y más fiables, y como además son más pequeñas, he podido usar una caja bastante más pequeña que en el caso anterior. Además, como no tienen reborde sobre la carátula, el teclado entero se puede montar y desmontar de la caja con toda facilidad, mientras que para sacar el circuito del teclado en las anteriores había que desoldar las teclas.

Resulta curioso ver cómo la elección de un elemento que parece secundario, muchas veces condiciona totalmente el diseño de un dispositivo.

En el vídeo siguiente, podemos ver cómo se usa esta caja para manejar un tren. Puedo atestiguar que es mucho más cómoda esta forma de utilizar el mando que la que veíamos en el artículo anterior.



Como ya he comentado, el circuito que realmente maneja los trenes, queda oculto, y por lo tanto el cableado correspondiente está también fuera de la vista. El cable que conecta el teclado al circuito puede ser bastante largo sin ningún problema. El que se ve en el vídeo tiene unos dos metros.

Seguro que a mas de un lector se le habrá ocurrido la siguiente idea: ¿no podríamos tener una serie de circuitos ocultos y manejarlos todos desde un único teclado?

La respuesta a esto es afirmativa, pero la forma de hacerlo puede ser complicada. Lo primero que a uno se le ocurre es poner un conmutador, por ejemplo de tipo rotatorio, que conecte varios circuitos a un único teclado. El problema de esto, es que el cable del teclado se compone de siete hilos (uno por cada una de las cinco teclas, más la masa, y la tensión positiva), por lo que un conmutador mecánico para manejar por ejemplo cuatro circuitos con un teclado tendría que conmutar cinco hilos por cada circuito así que sería sería un conmutador de 4 x 5  posiciones, del que saldrían 20 cables hacia los cuatro circuitos. Algo muy complicado y caro, además de poco práctico porque este conmutador estaría junto a los circuitos, no en el teclado, asi  que la libertad de movimientos que da el poder separarse con el teclado en la mano desaparece.

La solución "elegante" es hacer lo que se llama un control multiplexado. Esto quiere decir que el teclado no solo manda la orden de lo que tiene que hacer el circuito de control, sino también la "dirección" del circuito que tiene que ejecutarla. De esta forma cada circuito de control sólo responde a las órdenes que son para su dirección, ignorando las demás. Si ya lo sé: Esto se parece muchísimo a lo que hacemos en un sistema digital para enviar órdenes a las locomotoras, en las cuales cada decoder sólo ejecuta las órdenes que corresponden a su dirección. Es que el sistema digital de control de trenes es un sistema multiplexado.

Hacer esto, requiere naturalmente complicar bastante, tanto el circuito de control, que tiene que poder tener una dirección y seleccionar las órdenes que le llegan para su dirección, como el circuito del teclado que tiene que saber qué circuito quiere manejar el usuario y generar las correspondientes direcciones. Pero no cabe duda de que es una solución muy adecuada.

Asi que...... no creo que ningún lector se extrañe mucho si dentro de poco aparece aquí algún artículo sobre un control multiplexado.

martes, 17 de junio de 2014

Un bonito Proyecto


Hace unos cuantos días, un compañero de afición me pidió que le hiciese el diseño para una maqueta. No es desde luego la primera vez que piden algo así, pero realmente en la mayoría de las ocasiones, procuro esquivar el encargo con el poderoso argumento de. Si te la diseño yo, te vas a perder una de las fases más interesantes de esta afición, que es hacer un diseño propio que te satisfaga plenamente. Además si te hago yo el diseño siempre será en parte mi maqueta, y no la tuya.

Con independencia de que sea una forma de esquivar el encargo, la frase no deja de ser cierta, sobre todo en lo de que diseñar una maqueta es una fase muy interesante de esta afición, que nadie debería perderse. Desafortunadamente, diseñar una maqueta requiere una experiencia de la que carece todo el que comienza en la afición, y sin embargo, casi todo el mundo desea lanzarse cuanto antes a diseñar la soñada maqueta con toda su ilusión. Hay además otra dificultad, ya que cada vez más el diseño de una maqueta se hace mediante un programa de ordenador, lo que implica que hay que aprender a usar el programa escogido, cosa que tampoco es fácil.

Una y otra vez aparecen en los foros de modelismo ferroviario esquemas de trazados realizados por principiantes, y una y otra vez vemos aparecer los mismos errores. Sobre todo hay cuatro errores de los que no escapan prácticamente ningún principiante.

El más común es disponer todas las vías en un plano. Esto no solamente es poco natural (el terreno no es nunca totalmente plano) sino que lo peor es que se deja de aprovechar la dimensión en altura, lo que permite realizar diseños mucho más completos y atractivos en el mismo espacio.

El segundo error es disponer un batiburrillo de vías sin ningún sentido. Muchos diseños parecen estar hechos con el criterio de "Aquí que tengo espacio, pongo un desvío con otra vía" El criterio debe ser el contrario, por ejemplo: Aquí necesito una vía para permitir que en esta estación se crucen dos trenes. Es decir cada vía, y cada desvío debe estar puesto con criterio de cara a la explotación es decir de cara a cómo será la circulación de los trenes.

El tercer error más común es hacer un trazado en el que es evidente que los trenes se mueven en círculos. Una linea ferroviaria real es siempre muy larga, de modo que una maqueta sólo puede representar una mínima parte de una línea. Por eso hay que conseguir que veamos pasar trenes por nuestra maqueta, pero dando la impresión de que vienen, pasan, y no los volvemos a ver, al menos en un rato. Para conseguir esto, hay que ocultar una parte del trazado, y la única forma lógica de ocultarla es disponiendo túneles. Pero no esos túneles ingenuos en los que vemos entrar un tren que empieza a salir cuando todavía está entrando por la boca de entrada. Los túneles de una maqueta, deben dar la impresión de que lo que vemos es la boca de un túnel, cuya otra boca está muy lejos, tanto que cae fuera de la maqueta.

Y un último error muy común es no decidir previamente qué trenes queremos ver circular por la maqueta. En cantidad de diseños vemos estaciones y apartaderos con vías ridículamente cortas en las que luego no cabe más que una locomotora y dos vagoncitos cortos. Hay que contar con la longitud de un tren que merezca tal nombre en la correspondiente escala y diseñar toda la maqueta con esa longitud en la cabeza.

Ya se que el respetar estas normas a rajatabla tiene el inconveniente de que se requiere bastante espacio, sobre todo si queremos respetar además unas pendientes lógicas y queremos que las curvas sean suficientemente amplias para que circulen trenes de vagones largos sin que parezca que se van a descoyuntar.

Como decía, este amigo insistió en que le hiciese un diseño, y consiguió convencerme lanzándome el reto de que una maqueta que respetase todos esos condicionantes tendría que ser muy grande, aún en escala Z, y que por lo tanto no podía caber en cualquier casa. Me debe conocer bién porque ya sabe que no puedo resistirme a un desafío asi, de modo que acepté, el reto, pero imponiendo una condición: Te voy a hacer un diseño lo más pequeño posible, pero que respete todos mis criterios de diseño. Pero no quiero estar condicionado por un tamaño impuesto a priorí. Será del tamaño que salga.

Aceptadas las condiciones, me puse a ello utilizando el programa WinRail que es el que conozco bien. Decidí hacer todo el trazado con vía flexible, y gracias a WinRail se han calculado todas las curvas con radios progresivos, lo que da una suavidad muy especial a la circulación. En general los radios de las curvas son todos mayores de 200 mm excepto en alguna zona puntual, que gracias a la vía flexible quedan muy disimulados. Las pendientes máximas son de 20 milésimas, y la longitud de los trenes puede ser de 66 cm, lo que permite circular trenes con locomotora y cinco coches de bogies. Sólo hay un apartadero un poco menor en una estación.

El diseño final, ha quedado así:



El Tamaño es de 230 x 80 cm. Las cuadrículas dibujadas son de 11x11 cm ya que 11cm es la modulación de la vía de escala Z.

La zona azul es un nivel subterráneo que incluye una estación oculta de cuatro vías. La zona amarilla está al mismo nivel, pero queda visible y constituye una estación de paso sobre vía única.

La estación principal, es la zona roja, con seis vías y sobre una línea de doble vía. Esta vía doble hace una curva ascendente hacia atrás (zona verde) formando una pequeña paradestreke, en la que se pueden ver circular los trenes completamente estirados en una curva muy suave que acaba cerrando un bucle en el nivel más alto, a la derecha de la maqueta. Para que el bucle no sea tan evidente, hay una elevación del terreno que se rodea por una vía en cornisa.

La estación oculta está a la cota 0, con un poco de subida hacia la derecha, acabando en la cota 8 que es también la de la estación delantera. La estación principal está a cota 40 (dejando la altura justa sobre la estación oculta), y la cota máxima está en el centro del bucle de la derecha que está a cota 106. La vía verde pasa por un puente sobre la vía roja a cota 80 estando la roja a cota 40.

El desarrollo del circuito es un hueso de perro, con un bucle a cota cero (via azul) y el otro bucle a la derecha a cotas entre 80 y 106. (via verde)

Es un circuito muy adecuado para establecer un acantonamiento en todo el circuito principal, lo que permitiría hacer circular cuatro o cinco trenes automáticamente, y si además se automatiza la estación oculta, e incluso la estación inferior se puede producir una circulación muy atractiva intercambiando trenes.

Debo confesar que mi primera idea fué que lo que he llamado estación inferior, es decir la zona amarilla, fuese también oculta, haciendo por tanto una estación oculta con dos ramas de cuatro vías cada una. Sin embargo al final pensé que quedaba muy poca parte de circuito visible, así que hice la concesión de esa parte fuese vista, a pesar de la irrealidad que supone dos estaciones casi juntas. Al menos hay una diferencia de cota entre ellas lo que ayudado por la decoración, puede conseguir la necesaria separación visual.

La mayoría de los diseños terminan en un dibujo de la planta del trazado, todo lo más con indicación de la cota de altura. Eso es lo que se ve en el último dibujo que hemos visto. Sin embargo, ningún proyecto de una maqueta está completo si no se hace un diseño, al menos aproximado del terreno. Ya he comentado que el trazado debe tener un desarrollo en altura, porque poner todas la vías en un plano es una ingenuidad, que desaprovecha la posibilidad de que unas vías crucen sobre otras. Además como hemos dicho, una maqueta correctamente diseñada debe tener bocas de túnel, para que los trenes pasen de las zonas vistas a las ocultas. Naturalmente para que un túnel se justifique debe haber un terreno accidentado, y hay que hacer un diseño de terreno que sea creíble y que se adapte al trazado. Es curioso que en la realidad se parte del terreno existente y se adapta el trazado de la vía a lo que manda la topografía, haciendo las mínimas modificaciones, ya sean desmontes terraplenes, trincheras o túneles. En una maqueta, por el contrario el proceso es exactamente al revés: primero se crea el trazado de la vía, tanto en planta como en alzado y luego se diseña un terreno que se adapte a ese trazado pero dando la sensación de que la vía fue la que se adaptó a un terreno existente. Afortunadamente esto no es muy difícil ya que casi cualquier relieve que demos al terreno será bastante creíble.

En la imagen siguiente vemos la imagen de la pantalla de WinRail donde se define el relieve del terreno:


En esta imagen vemos una gran cantidad de puntos, cada uno con su cota. La gran mayoría de estos puntos han sido generados automáticamente por el programa, diciéndole simplemente que genere puntos del terreno a lo largo del recorrido de las vías. Pero claro, no de todas las vías, hay que excluir de esta generación las vías que quedan ocultas bajo el terreno. Sobre este primer diseño realizado automáticamente, vamos definiendo más puntos. Por ejemplo, a la derecha vemos varios puntos con cotas altas, por encima de 200 mm, lo que hace que se genere el promontorio que tiene la función de ocultar la evidencia del bucle superior del hueso de perro.

Una vez definido este relieve, podemos visualizarlo en 3D para ver si resulta un aspecto satisfactorio. El resultado es el siguiente:



La imagen anterior, tiene algo de lo que todavía no he comentado nada: esa cuadrícula amarillenta que he incluído, porque contribuye a apreciar la forma del relieve. En realidad esas líneas corresponden al borde superior de las cuadernas.

Una de las opciones de WinRail es la posibilidad de generar el diseño de las cuadernas que permitirán realizar el relieve del terreno. En realidad las cuadernas se pueden visualizar de una forma muy evidente si en la vista anterior eliminamos la capa del terreno. El resultado es este:


La ventaja del programa es que permite obtener plantillas a tamaño real de todas esas cuadernas lo cual permite cortarlas en madera, y crear así esta estructura que resulta al mismo tiempo sólida y ligera.

Nótese que no existe un "tablero" sobre el que colocamos la vía. La vía en si quedará apoyada en pistas estrechas de madera que siguen el trazado de las vías y se encolan sobre las cuadernas. Estas pistas aparecen representadas en el color del tramo correspondiente en la imagen anterior. También a la izquierda de estas líneas se puede ver un detalle más ampliado, donde se aprecia muy bien en la parte superior como las cuadernas presentan un borde horizontal cuando se cruza sobre ellas una de estas pistas, así que si cortamos las pistas y las cuadernas de acuerdo con el diseño creado por el programa, podremos montar las cuadernas y las pistas como un puzzle en 3D, obteniendo con gran facilidad la infraestructura de nuestra maqueta.

Porque es importante insistir en que Win Rail, y supongo que otros programas de diseño, permiten imprimir plantillas a escala o a tamaño real, tanto de la pistas como de las cuadernas. De manera que si traspasamos o pegamos estos dibujos sobre la madera, podremos cortarla con toda precisión.

A la derecha de estas líneas se ve una pequeña zona de estas plantillas. Aproximadamente la misma zona cuyo detalle se veía en la última figura.  En este caso se ha pedido que dibuje el eje de la vía, que vemos trazado en negro, y también las lineas para cortar las pistas dibujadas en verde. También vemos los puntos de unión de los tramos de vía, marcados con circulitos blancos, y además se ha pedido que imprima la cota del eje de la vía (son esos 8 que vemos en la imagen que indican que esas vías están a cota 8)

Algo importante es que en esas plantillas se dibujan con lineas finas negras, las lineas de la cuadrícula que tiene definida la planta del trazado. Si marcamos en el cerco de la maqueta, la posición de esas líneas tenemos una referencia exacta para situar milimétricamente, las diferentes piezas que vayamos cortando.

Por último, y ya por pura estética he añadido unos cuantos detalles de decoración, como son árboles y edificios, bocas de túnel, un puente, y también una zona asfaltada y una zona que puede representar un lago o estanque. Estos elementos no tienen la pretensión de que se respeten en la maqueta final, pero dan un ambiente y una perspectiva muy apropiada a la imagen de la maqueta. El resultado es el que aparece en la imagen de cabecera.

Bien, pues he querido traer a éste blog el comentario sobre este proyecto, porque me parece que es un buen ejemplo de lo puede hacerse y de lo que no debe hacerse en una maqueta de trenes, naturalmente según mi propio criterio.

Algunas personas me dirán que quizás se pudiera hacer más pequeño, acortando la longitud de 2,30 que parece excesiva. Si respetamos la forma básica del trazado, podemos hacer esto, simplemente acortando las vías de las estaciones. Sin embargo hacer esto tiene dos problemas: por un lado los trenes que cabrían en esas vías acortadas resultan demasiado cortos. Por otro lado como las cotas están estudiadas para respetar justamente la altura necesaria en los puntos en que una vía pasa sobre otra, si hacemos la maqueta más corta, las longitudes se acortan y por tanto las pendientes aumentan. Como ya he dicho, en este diseño la pendiente máxima está establecida en 20 milésimas. Pasar de ese punto me parece peligroso para asegurar la tracción de los trenes.

Naturalmente que con trazados más sencillos, puede hacerse un diseño más reducido. De hecho hace unos días publicaba en este mismo blog unas imágenes de un circuito de pruebas que he montado, y que mide 1,60 x 0,50. pero como ya dije entonces, eso era precisamente un circuito de pruebas y no una maqueta. Si nos fijamos ese circuito, considerado como maqueta, cae en todos los errores antes relacionados (bueno, menos el de tener vías sin sentido). Aquí se trataba de hacer una maqueta, es decir un trazado con aspecto real, y con posibilidades de circulaciones variadas.

Seguramente se podrá decir que hay maquetas de escala N en tamaños menores que este proyecto, y es cierto, pero seguro que no permiten la variedad de circulaciones que aportan las dos estaciones visibles más la estación oculta de este diseño. Se trataba de hacer una maqueta pequeña, pero con posibilidades de juego, y con posibilidad de hacer circular cualquier tipo de tren.

En mi página Web "Quiero una maqueta" hay un diseño de una maqueta en N  bastante parecido a este, con un tamaño de sólo 200 x 90 cm  pero como ya se dice allí, ese diseño sólo permite circular trenes de sólo 30 cm de longitud. Si nos limitamos a ese tipo de trenes, claro que podemos hacer la maqueta más pequeña, pero luego no pretendamos meter un expreso con cinco coches de bogies.

De hecho es ese mismo capítulo de la web, hay un diseño de escala Z de 100 x 65 cm, pero también limitado a trenes de 30 cm de longitud.

Esto nos lleva a una conclusión importante: Un factor fundamental para el diseño de una maqueta es la longitud de los trenes que van a circular por ella. Es tan importante que debería ser una decisión a tomar antes de abordar cualquier diseño y sin embargo el no definir este dato, es, seguramente, de los errores que comenté al principio, el más habitual. No hay nada más frustrante que hacer una maqueta y darse cuenta luego de que aquél precioso Rheingold que nos han regalado no cabe en ninguna estación, no es capaz de superar las rampas, y sus vagones se descoyuntan en unas curvas demasiado cerradas.

Espero que estos comentarios hagan reconsiderar la situación a algunos aficionados que tuvieran intención de lanzarse al diseño de su propia maqueta, para al menos no caer en esos errores tan repetidos. Por cierto, que tampoco podemos fiarnos de trazados publicados en Internet, y ni siquiera en folletos de trazados de las distintas marcas de modelismo. En general las marcas tienden a hacer trazados que ocupen muy poco sitio para vender la idea de que no se necesita un gran espacio para tener una maqueta de trenes.

Recomiendo a los interesados en saber algo más sobre el diseño de maquetas, que lean el capítulo "Proyecto del trazado" de mi página web.


martes, 10 de junio de 2014

PWM05I (y II)





Decíamos ayer.....   ¿que si funciona el controlador PWM05I ?.  Pues no hay nada como una prueba en vídeo como la que encabeza este artículo.

Quiero llamar la atención sobre algunos aspectos del vídeo: En la primera parte, se ve el funcionamiento normal del controlador y se puede apreciar bastante bien, como las arrancadas y frenadas son suaves y progresivas.

El manejo es sencillamente apretar una de las dos teclas azules. Mientras mantenemos pulsada la tecla superior el tren acelera hasta alcanzar la velocidad máxima. Mientras mantenemos pulsada la tecla inferior el tren disminuye velocidad hasta llegar a pararse. Si dejamos de apretar las teclas el tren mantiene indefinidamente la velocidad que llevara en ese momento. La verdad es que si estamos acostumbrados a un controlador clásico en el que asociamos la velocidad a una determinada posición del giro del botón, esta forma de actuar resulta un poco chocante al principio.

Sin embargo hay que tener en cuenta que en un controlador clásico no hay simulación de inercia, de manera que la aceleración la ordenamos nosotros con el movimiento más o menos rápido del botón. Aquí la aceleración la produce automáticamente el circuito, lo cual desconcierta inicialmente, pero una vez que le cogemos el tranquillo puedo asegurar que resulta muy eficaz y de alguna forma mucho más real. Tengamos en cuenta que un tren real tiene mucha inercia, de manera que por ejemplo si queremos detenerlo hay que empezar a frenar mucho antes. Aquí ocurre lo mismo: Hay que anticipar las frenadas y tener en cuenta la velocidad a la que vamos porque en función de la velocidad la frenada será más o menos efectiva.

Lo que si he podido detectar, con otros montajes es que un control a base de un mando giratorio resulta muy poco adecuado para un controlador con simulador de inercia. Tendemos a manejarlo como siempre, pero el tren reacciona con retraso, con lo que siempre hacemos un giro excesivo para la velocidad que queremos, y hay que acabar rectificando. Un compañero decía que era como si el mando se le hubiera reblandecido

Hace poco, comenté en "Conduciendo locomotoras" que la mejor forma de manejar un controlador con simulación de inercia sería un joystick. Y sigo estando en esa convicción, y como decía en ese artículo, resulta que los trenes reales más modernos se pilotan asi. Sin embargo para este montaje quería hacer un dispositivo lo más sencillo y barato posible, asi que como ya tenía que poner teclas para la marcha adelante y atrás, decidí poner teclas para todo. Las teclas tienen la ventaja de que prácticamente no ocupan espacio, de modo que en el interior de la caja no estorban al circuito, así que puede hacerse un mando de este tipo en una caja reducida. Por el contrario un joystick es un artefacto caro y grande, lo que requiere una caja mucho mayor. La verdad es que confieso que he llegado a realizar un prototipo de controlador (véase la imagen) utilizando un joystick pero de momento he aparcado esa linea. Aclaro que no se trata de este controlador PWM05I, sino de algo más complicado, del luego comentaré algo.

Volviendo a nuestro vídeo, vemos también manejar las teclas de avance y retroceso y la tecla de Stop. Esta tecla de Stop tiene en realidad dos funciones. La primera es como parada de emergencia. Es decir pulsando Stop, el tren se detiene inmediatamente sin inercia. Además si hemos parado así el tren, al volver a pulsar la tecla de avance comienza de nuevo a moverse a la misma velocidad que iba cuando presionamos el Stop. La segunda función es que si paramos una locomotora con la tecla de frenada, llegamos a detenerla por completo, pero sigue recibiendo corriente, lo que mantiene las luces encendidas y en muchos casos queda ronroneando. Al pulsar Stop se desconecta totalmente.

Otra cosa que vemos en el vídeo es cómo podemos modificar la aceleración, tanto de arrancada como de frenada. En el vídeo se actúa sobre la de frenada y vemos que poniéndola al mínimo la parada es prácticamente instantánea, mientras que poniéndola al máximo, vemos que el tren recorre casi medio circuito antes de pararse. Muchos compañeros de afición han jugado con estos ajustes con sus locomotoras digitales, pero seguramente piensan que sólo se puede hacer con trenes digitales. Habrá que enseñarles este vídeo. Aclaro que en ambas frenadas, aprieto la tecla de frenada en el mismo lugar (a la altura del semáforo que se ve junto a la vía)

Una frenada muy larga como esa, seguramente hace muy difícil manejar los trenes, aunque no cabe duda de que es totalmente realista. El circuito lo he hecho pensando en unos valores medios de inercia, como los que se ven en las tomas iniciales, pero sería muy fácil aumentar muchísimo estos valores si quisiera hacerlo.

Esto me lleva a una consideración: El uso lógico de un controlador de este tipo es para cuando uno tiene la oportunidad de usarlo, quiero decir, cuando puede hacer circular un tren por un circuito muy largo y quiere mantener continuamente el control del tren actuando como un maquinista, anticipando las frenadas y realizando aceleraciones suaves. No tiene ningún sentido para un trazado compartimentado en secciones eléctricas en que los trenes pasan de un controlador a otro continuamente. Para ese tipo de situación, (como la que veíamos en los vídeos dedicados al bloqueo automático Circuito de pruebas II en la que sobre este mismo trazado de vías había cuatro cantones con cuatro controladores PWM04) un controlador con inercia como éste no tiene ningún sentido.

Evidentemente tampoco tiene ningún sentido utilizar un controlador con inercia en una situación en la que el mismo controlador alimenta dos o más trenes. En mi opinión manejar varios trenes con un único controlador nunca es una buena idea, pero con este sistema es todavía peor.

En definitiva que PWM04 y PWM05I son dos elementos muy distintos, pensados para situaciones distintas.

Al final del vídeo se ven unas imágenes de osciloscopio que son muy ilustrativas. La traza amarilla es la señal que llega a la vía, es decir la típica señal PWM que ya conocemos del controlador PWM04. Se comprueba que el funcionamiento de la corriente generada es idéntico en ambos circuitos, pues en ambos se genera una señal de frecuencia fija (unos 40 Hz) pero de anchura de pulso variable entre prácticamente 0% y 100% Por eso vemos en el video en algún momento como el tren se mueve con velocidades superlentas, que ya conocemos de los controladores anteriores.

La traza roja, es la señal que maneja el potenciómetro digital (la que llamábamos INC en el artículo anterior) Al principio apenas se aprecia nada en esta traza roja, porque el osciloscopio está sincronizado con la traza amarilla. Sin embargo al final se cambia la sincronización y se baja la frecuencia de barrido con lo que vemos perfectamente los pulsos de ancho constante que constituyen la señal INC, y que son distintos según el tren acelera, y por tanto los pulsos de la señal amarilla se ensanchan y cuando decelera, en que los pulsos de la señal amarilla se estrechan.

Juntando todo lo dicho en el artículo anterior y en este, el esquema total del controlador es el siguiente:


Y no quisiera terminar este artículo sin insistir en que este controlador puede usarse como una interfase para controlar trenes analógicos desde un sistema electrónico, ya sea un sistema lógico, un sistema con microcontroladores como Arduino, o un sistema controlado por software desde una tablet o un PC.

Sin embargo debe quedar claro que este controlador es sencillo pero tiene ciertas limitaciones. Seguramente algún lector, al ver en el vídeo, como se detiene el tren con tanta suavidad, habrá pensado inmediatamente en utilizarlo para conseguir paradas progresivas ante los semáforos en un sistema de acantonamiento. Realmente si esa parada se consigue apretando una tecla, que en definitiva cierra un circuito, también podría conseguirse con un relé que cierra un circuito cuando el semáforo está en rojo. Eso es cierto, salvando la dificultad de que ese relé debe activarse cuando el tren está próximo al semáforo y no cuando todavía está lejos y se cierra el semáforo, pero esto podría resolverse.

La dificultad para este caso, esta en la arrancada cuando el tren esta detenido ante un semáforo rojo y pasa a verde. De acuerdo: el mismo u otro relé puede ahora emular la acción de la tecla de aceleración, pero, ¿cómo saber durante cuanto tiempo hay que mantener esa pulsación?  Si la mantenemos indefinidamente, el tren aceleraría siempre hasta la máxima velocidad, lo cual no es deseable. Lo lógico es que el tren acelere suavemente pero solo hasta que vuelva a alcanzar la misma velocidad que llevaba cuando inició la frenada. Y ésto es lo que es imposible lograr, porque no hay nada que conserve la referencia de cuál era esa velocidad.

De hecho el controlador no sabe a qué velocidad circula el tren en cada momento, de manera que no puede tomar ninguna acción en base a ese dato, ni tampoco enviar el dato hacia un sistema automático de control que lo esté pilotando. Sólo el usuario con sus ojos detecta la velocidad a la que el tren se mueve y puede actuar en consecuencia.

Por eso, este controlador es fundamentalmente manual, ya que solo el usuario es capaz de determinar cuándo el tren ha vuelto a alcanzar una velocidad apropiada después de una parada y un nuevo arranque.

La alternativa, naturalmente es hacer otro tipo de mando, en la cual el circuito no recibe la orden de "acelerar" o "frenar" durante un tiempo variable, sino que recibe la orden de "ponerse a la velocidad x". Pero claro esto es más complicado porque esa velocidad "objetivo" requiere siete u ocho bits para ser transmitida desde el sistema de control automático hasta el controlador, y además el sistema tiene que conocer en cada momento cual es la velocidad actual del tren y cual es la velocidad objetivo, compararlas y actuar en consecuencia.

Aquí hay dos alternativas: un mando manual con un elemento tal como un joystick o dos teclas o un conmutador de balancín, o un encoder, en definitiva, un mando manual con el que el usuario establece en cada momento una velocidad objetivo. El controlador entonces manejaría el tren acelerando o frenando para tender a alcanzar la velocidad objetivo, pero no instantáneamente, sino con las aceleraciones proporcionadas por el simulador de inercia. En este caso, si que puede hacerse una parada y un arranque suaves ante el semáforo de un sistema de acantonamiento, porque ante la la señal roja el tren frena hasta velocidad cero, pero al cambiar la señal a verde el tren acelera de nuevo hasta alcanzar la velocidad objetivo. ¿Adivinan? Si, ésta es la idea del controlador con joystick cuya fotografía he puesto antes.

Evidentemente con un controlador así, también podemos conectarlo a un control automático por electrónica o software, pero en este caso, este control debería enviar el dato de la velocidad objetivo cada vez que ésta cambie para que el controlador actúe.

La segunda alternativa es parecida, pero suprimimos por completo la simulación de inercia, es decir el controlador modifica instantáneamente la velocidad del tren cada vez que cambia la velocidad objetivo, a la que por tanto ya no llamaríamos velocidad objetivo sino velocidad actual, ya que el tren circula en cada instante exactamente a esa velocidad. El controlador queda bastante simplificado, pero toda la complicación se traspasa al sistema de control automático.

En este caso el el sistema de control automático por software (es difícil pensar en otra cosa) se haría cargo de la simulación de inercia, ya que en cada instante iría modificando esa velocidad para conseguir frenadas y arrancadas suaves, y todo lo que queramos, pero ya bajo el control del software. La ventaja de un sistema así es que puede actuar de forma distinta para cada locomotora adaptándose a las características de la misma en cuanto a capacidad de aceleración frenado, velocidad máxima, etc. Además la aceleración de frenado por ejemplo puede adaptarse a la velocidad inicial de la locomotora, de manera que consigamos, por ejemplo que el tren se detenga siempre en una determinada distancia, con independencia de su velocidad inicial. Es claramente otro concepto, que podríamos llamar simulación de inercia por software por contraposición al PWM05I que sería un control con simulación de inercia por hardware

El sistema de mi maqueta es un control con simulación de inercia por software, lo cual implica que los ocho controladores están recibiendo continuamente el valor de la velocidad que debe llevar cada tren. Bueno, continuamente no, porque si no varía no se transmite, pero por ejemplo en una frenada se transmiten varios valores de velocidad por segundo. Esto hace que las comunicaciones deban soportar un tráfico relativamente alto, desde luego mucho más alto que lo que necesita un sistema con simulación de inercia por hardware.

Bueno, pretendo seguir en esta línea a ver si consigo hacer funcionar el controlador con el sistema de velocidad objetivo, pero ese será ya un PWM06.......


lunes, 9 de junio de 2014

PWM05I (I)


Hace unos meses, publiqué el artículo "Tormenta de ideas" en la que exponía una serie de ideas que me rondaban por la cabeza, respecto de las posibilidades que se abrían con la utilización de controladores de tipo PWM para generar la corriente de tracción de los trenes.

Sin embargo no debí ser muy claro, porque algunos comentarios que se hicieron, parecen demostrar que no se entendía demasiado lo que quería decir. Evidentemente, el título estaba bien puesto, porque una tormenta de ideas no es mas que una serie de relámpagos mentales que necesitan ser ordenados y concretados.

Desde entonces se han producido algunos hechos interesantes, entre ellos el éxito que está teniendo mi diseño de controlador PWM04 entre los aficionados, tanto en escala N como en escala Z.

Hoy quiero explicar con más detalle alguna de aquellas ideas, porque se han concretado en un nuevo desarrollo que he llamado PWM05I.

Para proceder con orden, habría que comenzar diciendo que la generación de la corriente pulsada PWM se hace en mis diseños de una forma muy simple. Un circuito tan sencillo como el de la figura siguiente genera una señal de tipo PWM con un circuito NE555 y unos pocos componentes más.


La forma de trabajar de este circuito consiste en que el condensador C1 se carga y se descarga alternativamente a través del potenciómetro RV1. La presencia de los diodos D3 y D4 obliga a que la carga se efectúe por una de las ramas del potenciómetro y la descarga por la otra rama, de modo con el cursor del potenciómetro centrado, el tiempo de carga y de descarga es igual, pero al desplazar el cursor hacemos que el tiempo de carga aumente en la misma medida que disminuye el de descarga. La tensión resultante se aplica como señal de disparo para el circuito timer Ne555 que produce en su salida una tensión alta o baja cuando la tensión de disparo está por encima o por debajo de una tensión umbral. Como consecuencia se produce una onda cuadrada que tiene la particularidad de que el tiempo en que la salida está alta o baja corresponde a los tiempos de carga y descarga del condensador y por lo tanto podemos variar la una respecto de la otra moviendo el cursor del potenciómetro a lo largo de su recorrido.

En resumen que la resistencia total del potenciómetro y la capacidad del condensador C1 definen la frecuencia de la señal PWM generada, y estos datos en principio son fijos, pero la situación del cursor en el potenciómetro consigue que los pulsos sean más o menos anchos, al ser relativamente más larga la parte alta de la onda respecto de la parte baja. (Véase el artículo: PWM (I) ). 

Con el potenciómetro de 100 K y el condensador de 330nF se genera una señal PWM de frecuencia 40 Hz.

Como decía, este circuito es muy simple, pero necesita precisamente un potenciómetro porque se basa en las propiedades de este elemento, cuya resistencia total es fija, pero que tiene un cursor que según donde lo situemos, por un lado presenta una resistencia mayor o menor, mientras que por el otro lado la resistencia es la complementaria hasta la total del potenciómetro. 

Así que mi diseño PWM04, lleva precisamente un potenciómetro con su correspondiente mando para que al variar el ancho de pulso de la corriente generada, los trenes circulen más o menos deprisa.

Esto está muy bien para hacer un controlador de tipo manual, (Como PWM04) en el que el usuario va a mover con sus dedos el mando del potenciómetro. Pero, ¿Qué pasa si queremos hacer un dispositivo que maneje automáticamente la velocidad de los trenes? por ejemplo para conseguir un controlador manejado desde un PC o un Arduíno, o algo similar. Estos elementos no tienen "deditos" asi que no pueden manejar el potenciómetro, y sustituir la función del potenciómetro por algún tipo de circuito electrónico es difícil, porque como decíamos el funcionamiento se basa en la diferencia de resistencias entre las dos ramas del potenciómetro, es decir, en una característica esencialmente analógica. No se trata de generar una tensión variable en un punto determinado,cosa  mucho más habitual en circuitos lógicos que manejan dispositivos analógicos.

Afortunadamente no soy el único friky que se ha enfrentado con este problema, y la industria lo ha solucionado. Existen unos circuitos integrados, denominados "potenciómetros digitales" que resuelven este tema. 

Antes de nada, quiero advertir que al aparecer en este artículo la palabra "digital" no estoy para nada hablando de sistemas digitales para control de trenes. Así que esto no tiene nada que ver con la posibilidad (que existe) de generar una señal DCC o mfx, o del protocolo que queramos,  desde un ordenador o incluso desde un Arduino. Aquí estoy hablando de trenes analógicos de corriente continua y por lo tanto las locomotoras no tienen ningún decoder ni nada parecido. La única aportación es que lo que llega por la vía, en lugar de ser una corriente continua uniforme es una corriente continua pulsada a la que llamamos PWM, y que no tiene nada que ver con la corriente digital que llega por las vías a una locomotora digital que llevará internamente su decoder. El hecho de que haya mencionado la posibilidad de manejar los controladores PWM con un PC o con un Arduino se refiere a la posibilidad de usar estos aparatos también para controlar los controladores analógicos PWM pero el tipo de control que se necesita desde estos sistemas para manejar un sistema digital o un sistema analógico con PWM es radicalmente distinto (y por cierto infinítamente más simple en el caso del PWM)

Me gustaría evitar la palabra digital, para evitar malos entendidos, pero es que estos elementos a los que voy a referirme se llaman precisamente "potenciómetros digitales" Concretamente el que yo he usado es el DS1804 que es un potenciómetro digital de 100 K de resistencia. total. Por supuesto, su aspecto difiere totalmente de un potenciómetro, porque aquí no hay ningún eje que mover. Realmente es un chip con el formato habitual para estos elementos. De hecho su aspecto exterior es idéntico al de un NE555. Los podemos ver en la fotografía de cabecera, en el centro la parte superior de la imagen, uno junto a otro.

Lo característico de estos elementos, es que entre sus ocho terminales, hay tres que se comportan exactamente como un potenciómetro. Concretamente en la hoja de datos del DS1804 que he apuntado antes vemos que los terminales H, L, y W se identifican como los terminales alto, bajo y cursor de un potenciómetro. En definitiva que al ser de 100 K, entre H y L tendremos 100 K y entre H y W una resistencia variable cuyo complemento a 100 K lo tendremos entre W y L. Por lo tanto si en nuestro circuito generador de pulsos PWM sustituimos el potenciómetro de 100 K por un DS1804 de 100 K el generador de pulsos sigue funcionando exactamente igual.

Y ¿Cómo movemos el cursor de este potenciómetro? Pues enviando pulsos por el pin 1. Cada vez que la tensión del terminal 1 pasa de un valor alto (5V) a cero, el cursor da un salto de 1/100 de posición. Esto es con 100 pulsos el cursor hace el recorrido completo del potenciómetro como si en uno manual diésemos toda la vuelta al eje. El sentido de este movimiento lo define el pin  2. Si está a un nivel alto el cursor sube, y si está aun nivel bajo el cursor baja. Tiene además un selector en el terminal 7 que debe estar a nivel bajo para que el chip funcione y tiene dos terminales más de alimentación. Y eso es todo. En la siguiente imagen vemos el circuito formado por el DS1804 y el NE555 y vemos como el DS ha sustituído al potenciómetro de la imagen anterior.


¿Y qué hemos conseguido con eso? Pues tener un sistema que puedo controlar de forma electrónica. En el esquema vemos que hay una entrada denominada INC (incremento) que recibe los pulsos que harán moverse el cursor, y una segunda entrada marcada como UP/DO que según su valor alto o bajo harán que el movimiento del cursor sea en un sentido o en otro, y por tanto que el tren que estemos manejando acelere o frene. Creo que cualquiera que haya manejado un Arduino sabe hacer que una salida oscile entre un valor alto (H) y uno bajo (L) y que otra salida presente permanentemente un valor H o L Bueno pues sencillamente conectando esas dos salidas a los puntos INC e UP/DO de este circuito ya estará manejando la velocidad de los trenes con un Arduino. Por algo afirmaba yo antes que esto era mucho más simple que pretender generar la señal de un protocolo digital.

 Adviértase que este circuito genera su propia señal PWM cuya frecuencia depende como decía de la capacidad del condesador C6 y de la resistencia del DS1804. Ya se que Arduino puede generar directamente señales PWM pero ajustar las frecuencias a valores bajos requiere programación y puede ser complicado. Aquí las generamos por hardware de una forma muy simple, dando lugar a que por ejemplo un único Arduino maneje un montón de controladores.

De hecho hay algo muy interesante: Si "abandonamos" el circuito, es decir, si tanto INC como UP/Do dejan de recibir señales, el cursor se mantiene en la posición en que estaba, y por lo tanto un tren que se estuviera moviendo manejado por este circuito se seguirá moviendo indefinidamente a la misma velocidad. O sea que el potenciómetro digital hace la labor de "Latch", manteniendo la orden recibida indefinidamente, por ejemplo, mientras el sistema de control atiende a otros circuitos. Asi que podremos hacer un sistema multiplexado con enorme facilidad. Obsérvese que si hubiera que disponer un circuito para conservar la posición del cursor que puede tomar 100 valores distintos, se necesitarían 7 bits

Asi que la primera consecuencia de todo esto, es que la utilización de controladores de tipo PWM para el manejo de los trenes de nuestras maquetas, no solo proporciona un control extraordinriamente preciso de la velocidad de los trenes, y muy especialmente a velocidades bajas, sino que además nos abre la posibilidad de manejar el movimiento de los trenes mediante un sistema automático, ya sea puramente electrónico o ya sea por software.

Incluso, para el manejo puramente manual, aparecen posibilidades muy interesantes: Antes comenté que el potenciómetro digital debe recibir pulsos por el pin 1 (INC); con cada pulso sube o baja un 1 por ciento de la variación total. Ahora bien, si los pulsos se suceden muy rápidamente el potenciómetro se moverá muy deprisa, con lo que el tren aumentará de velocidad muy rápidamente. Por el contrario, si los pulsos llegan con mayor lentitud, el aumento (o disminución) de velocidad será más lento. La velocidad con que cambia la velocidad de un objeto, el tren en este caso, se llama en física aceleración, así que si hacemos que los pulsos se sucedan mas o menos rápidamente, o sea, si aumentamos o disminuímos la frecuencia de los pulsos que llegan por INC, estaremos consiguiendo que la acelaración de los trenes sea mayor o menor. En los trenes reales, la aceleración con que se mueven depende de la relación entre la potencia de los motores y la masa total del tren. En física se suele llamar inercia o fuerza de inercia a la que se opone al aumento (o disminución) de la velocidad de un vehículo ( y que Newton nos dejó dicho que su valor es igual al producto de la masa por la aceleración) , así que los controladores para maquetas que son capaces de producir una aceleración que imita a la de los trenes reales se suele decir que tienen "simulación de inercia" En trenes digitales, los decoders se pueden programar para producir una simulación de inercia más o menos eficaz, pero en analógicos hay muy pocos sistemas comerciales que tengan esa cualidad (La marca Gaugemaster tiene alguno)

Pensando en esto me di cuenta de que lo tenía facilísimo: Como ya necesitaba algún sistema para producir pulsos que llevar a la entrada INC del potenciómetro digital, pensé de nuevo en utilizar un circuito NE555, aunque con una configuración un poco distinta, ya que no se trata de producir pulsos de frecuencia constante y ancho variable como son los PWM, sino de producir pulsos de ancho constante y frecuencia variable. No hay más que mirar la datasheet del NE555 para ver como se hace esto. El circuito es así de simple:


Como puede verse, es parecido a la configuración para generar PWM pero más sencillo, ya que ni siquiera hay diodos. El condensador, ahora llamado C4 es mayor (22 uF), ya que ahora se pretende una frecuencia algo más baja que los 40 Hz del PWM. Por ejemplo si ajustamos el circuito para una frecuencia de 10 Hz, se producirán 10 pulsos por segundo, o sea que para mover los 100 pasos del potenciómetro hacen falta 10 segundos. En definitiva que el tren pasará de cero a su velocidad máxima en 10 segundos. Para un tren real, eso es una barbaridad, pero en una maqueta de trenes se ve bastante real.  

Lo bueno del caso es que variando el potenciómetro (Aquí actuando simplemente como una resistencia variable) esta frecuencia varía en un amplio margen, con lo que podemos ajustar el efecto de simulación de inercia al valor que nos guste más.

La salida (pin 9) de este circuito se llama DWNINC porque es la que se lleva a INC cuando el tren está bajando  la velocidad.

Hay otro circuito idéntico que produce pulsos que pueden ajustarse a frecuencia distinta, para aumentar la velocidad (UPINC)

Con esto, de una forma relativamente simple consigo un controlador PWM con simulador de inercia ajustable por separado para aceleración o frenado. Asi que he decidido llamar a este nuevo diseño PWM05I porque evidentemente es una evolución del PWM04 pero con esa "I" de inercia.

Y queda una cosa: Cuando diseñé el controlador PWM04 utilicé por primera vez un chip controlador de motor L293D, en sustitución de los transistores Darlington que utilizaba en diseños anteriores, pero no lo aproveché totalmente, ya que el control de paro/marcha que se puede hacer con la señal enable de este controlador, no la usaba, y tampoco usaba la posibilidad de cambiar el sentido de giro del motor, de manera que el controlador generaba constantemente la salida en un único sentido, y si quería detener el tren o invertir la marcha, había un conmutador manual.

Pero estamos en las mismas: un conmutador manual, requiere unos deditos para ser accionado, con lo cual no podría hacerse un sistema controlado electrónica o informáticamente. Se trataba únicamente de poner a trabajar las posibilidades del L293D, asi que simplemente había que generar los niveles L o H que aplicados a las dos entradas IN1 e IN2 y la Enable de este chip consiguen el movimiento en uno u otro sentido y el paro instantáneo.


Como se ve en el esquema, se usan los dos canales del L293D en paralelo, algo que ya se hacía en el PWM04. De esta forma se dobla la capacidad de potencia del circuito. lo que en teoría le permitiría resistir picos de corriente de 2,4 Amperios

Sin embargo quería mantener la característica de que el controlador siguiera manteniendo la marcha de un tren sin recibir ninguna señal. El potenciómetro digital lo hace respecto de la velocidad, pero el controlador de motor necesita recibir constantemente la señal de sentido de movimiento y de marcha o paro. Solución: poner un circuito Latch (un 4043) que mantiene indefinidamente las salidas al nivel alto o bajo, según la última entrada recibida. Afortunadamente para mantener la situación de IN1 IN2 y ENABLE solo necesito tres bits, asi que el 4043 que tiene cuatro, todavía tiene uno de más.

Al final hay además un par de circuitos lógicos 74HC126 que actúan un poco como un programa cableado, par conseguir que pulsando una tecla para que el tren se mueva hacia delante se activen las entradas del L293D en posición hacia delante y se active el circuito, que pulsando otra se pongan en reversa etc, que al pulsar la tecla de STOP se desactive el circuito etc.  

Todo esto da lugar a la parte lógica del PWM05I cuyo esquema es el siguiente:


A la izquierda vemos las cinco señales de mando que realmente requiere el circuito Son UP (aumenta la velocidad) DOWN (disminuye la velocidad) FWRD (activa el sentido hacia delante) REVR (activa el sentido hacia atrás) y STOP (que inhibe el contralador, parando el motor) Con estas cinco señales se maneja todo el circuito y entre el 4043 y los dos 74HC126 se crean las señales que actúan sobre el potenciómetro digital y sobre el controlador de motor.

Estas cinco señales responden al standard de los circuitos electrónicos en modo "active hight" es decir una tensión positiva de 5 V (H) activa la función, y un nivel de cero voltios (L) la desactiva. Es por tanto perfectamente compatible con cualquier sistema electrónico de control, y podremos manejar desde un sistema externo las funciones de acelerar, frenar, marchar hacia delante, hacia atrás o parar, es decir el control completo de los trenes.

Naturalmente el "sistema externo" más sencillo es un teclado, y eso es lo que lleva este prototipo del controlador PWM05I. La caja que lo contiene, incluye en la tapa cinco teclas, formadas con cinco pulsadores de membrana que simplemente conectan la tensión de 5 V a cada una de las cinco entradas de control. El montaje completo tiene este aspecto:


Y realmente ¡eso es todo! (nada menos) pero al final se obtiene un mando compacto y manejable con todo el sistema en su interior. 

Y.... ¿funciona?......

Bueno, como este artículo se está extendiendo mucho, voy a dejar a los lectores con la intriga. Como en las novelas por entregas, la solución en el próximo capitulo.