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sábado, 25 de abril de 2015

Un tema curioso.




En el artículo anterior, se puede leer el siguiente párrafo:

Otra prueba que he hecho es el tema de la conservación de la posición, cuando se corta la alimentación. Al final, con los condensadores que he puesto, creo que se tiene una solución excelente. Como no tenía otros condensadores más apropiados, he puesto para la prueba unos condensadores de 100 μF. Resulta que con estos condensadores es suficiente para que se pueda cortar la alimentación durante más de 12 horas.  Mi intención es colocar unos condensadores de mayor capacidad, seguramente de 330 μF que son casi del mismo tamaño, y con ellos con toda seguridad, se mantendrá la posición más de 24 horas.

No se si este tema ha quedado suficientemente claro. Cuando tenemos una maqueta con una serie de desvíos que vamos moviendo a distintas posiciones y, si usamos los drivers de desvío, éstos se encargan de encender y apagar los leds que indican en todo momento la posición de los desvíos, y por lo tanto mientras un desvío no se mueve el led que indica su posición permanece indefinidamente encendido, gracias al circuito "latch" que actúa como memoria. Pero, ¿que ocurre cuando dejamos de manejar la maqueta, y desconectamos la alimentación? En principio en el momento en que se corta la alimentación del latch, éste pierde la memoria, de modo que al volver a conectar la maqueta, no se enciende ninguno de los leds, y no conseguiremos que se enciendan de nuevo hasta que movamos por lo menos una vez cada desvío.

Esto es un grave inconveniente: lo correcto es que cuando volvemos a conectar la alimentación de la maqueta, los leds se enciendan y señalen la misma posición que tenían cuando la maqueta se apagó. Otros sistemas de señalización (los basados en los finales de carrera o los que utilizan relés biestables) no tienen este problema, por lo que yo quería dar una solución a mi diseño del circuito de control de desvíos.

La primera solución, ya comentada es utilizar una pila. Concretamente en este caso he diseñado el circuito de control para que trabaje a 9 V que es la tensión de las conocidas pilas con conectores de clip. Evidentemente no se pretende que la pila mantenga los leds de señalizacióm encendidos, sino sólo que mantenga funcionando el circuito latch, de manera que no se borre su memoria, y al volver a conectar la alimentación se enciendan los leds en la misma situación que cuando se apagó. Al utilizar circuitos CMOS para la parte de control, el consumo es bajísimo, asi que una pila durará muchísimo, y hablo de años, incluso aunque usemos una única pila para unas cuantas placas de control. 

Sin embargo, el tema de tener una pila asociada a estos circuitos me resulta un poco incómodo, asi que me puse a pensar en un sistema alternativo. La idea me surge al comprobar el consumo increíblemente bajo que presenta el circuito de control cuando está en esta situación de espera. Asi que pensé que posiblemente con un condensador electrolítico de capacidad adecuada fuera posible mantener la memoria del  "latch" durante un tiempo razonable. Me marqué como objetivo que se mantuviese la posición durante un mínimo de 24 horas. Es decir que si un usuario apaga la maqueta y vuelve a encenderla al día siguiente, al hacerlo se encendiesen los leds en la misma posición que estaban al apagarla el día anterior. 

Así que he montado un experimento, para ver cuanto tiempo aguanta el latch conectado a un condensador, hasta que se borra. El montaje es el propio circuito del controlador para que la prueba sea en condiciones reales. Periódicamente mido cual es la tensión que todavía mantiene el condensador, ya que se supone que mientras sea superior a 3 V el latch no se borra.

La primera prueba, la hice con un condensador de 100 μF y pude comprobar que incluso después de 12 horas se seguía manteniendo la memoria, así que me puse muy contento, porque pensé que con un condensador mayor el problema estaría resuelto. Como ya tengo las placas hechas, busqué un condensador que fuese del mismo diámetro que el de 100 μF y encontré que los condensadores de 330 μF y 16 Voltios son del mismo diámetro que yo buscaba. Esperaba que se triplicase el tiempo de mantenimiento de la memoria.

Encargué una partida de estos condensadores y cuando me llegaron cambié el de 100 μF por el nuevo de 330 μF y repetí el experimento. Por cierto que es un experimento muy pesado de hacer porque consiste en conectar el circuito, establecer una posición, desconectar, e ir midiendo la tensión cada cierto tiempo durante horas.

Pero ¡sorpresa! no tardé en darme cuenta de que con el condensador de 330 μF la tensión descendía más rápidamente que con el de 100 μF

Esto me ha hecho caer en la cuenta de algo que normalmente ignoramos: Una de las características de un condensador  es la llamada "corriente de pérdidas" que indica que cuando el condensador está cargado se establece una corriente muy pequeña entre sus placas que poco a poco acaba por descargarlo. Se trata de corrientes de millónésimas de amperio,  por lo que normalmente no tienen importancia ninguna, salvo para un caso como éste, en el cual el condensador se carga y se deja que se vaya descargando durante horas. Al final resulta que el condensador efectivamente se va descargando lentamente pero la velocidad de esa descarga se debe más a la corriente de pérdidas que a la que está suministrando al circuito.

Afortunadamente compro los componentes electrónicos en una empresa de suministros profesionales, con lo cual dispongo de las características técnicas de cada elemento, de modo que miré cuáles eran las características de los dos condensadores que había usado (¡vete tu a pedir ese dato en una tienda de electrónica!) Resulta que el condensador de 100 μF tiene una corriente de pérdidas de 25 μA mientras que el que había usado de 330 μF la tiene de 158 μA. Está claro: aunque tiene el triple de capacidad, se descarga más de seis veces más rápido, así que por eso la carga dura menos. 

Me puse a buscar un condensador de 330 μF con corriente de pérdidas baja, y encontré unos cuya corriente de descarga es de 3 μA.  Desde luego aparentemente son iguales y ni siquiera son más caros, así que pedí una nueva partida de este tipo.  En la imagen aqdjunta tenemos a los dos protagonistas, y como se puede apreciar son casi idénticos.


Así que monté el nuevo condensador, y esta vez la sorpresa ha sido positiva. Después de 48 horas, la tensión se mantiene todavía por encima de 5 V. No voy a continuar la prueba, porque el objetivo está de sobra conseguido, pero como la descarga es cada vez más lenta, no me extrañaría que se mantuviese la memoria durante otros dos días o incluso más.

La consecuencia de todo esto, es que realmente lo que marca la velocidad de descarga del condensador, no depende tanto de la corriente que consume el circuito como de la propia corriente de pérdida del condensador. Una lección que hay que apuntarse.

En definitiva, este circuito se puede usar de dos formas: Si se quiere que la posición de los leds se mantenga indefinidamente, ponemos una pila de 9 V conectada a las bornas previstas para este fin, dejando claro que es una única pila para todos los circuitos de la instalación. Si nos conformamos con que la posición se mantenga durante 48 horas al menos, no ponemos la pila y el circuito se mantiene mediante el condensador durante ese tiempo.

Todo esto viene a cuento además, por otro motivo. Estoy pensando en un circuito al que podíamos llamar "secuenciador de desvíos"

La cuestión es la siguiente: En una maqueta grande, donde tenemos muchos desvíos manejados manualmente, cuando llevamos un rato manejándola es difícil controlar cómo hemos dejado cada desvío. Desde luego podemos ir mirando en nuestro cuadro los leds correspondientes, y si no están en la posición que queremos, cambiarlo, pero para muchos desvíos esta es una operación confusa, y larga.

Al final casi todos los usuarios tienen (al menos en mente) una posición "inicial" o "normal" de sus desvíos, que probablemente es la que hace que los trenes hagan los recorridos más habituales. Así que una facilidad muy de agradecer es que podamos hacer que todos los desvíos de una maqueta se pongan en una posición predeterminada de una forma automática. 

Lo malo es que si ponemos un único pulsador conectado a todos los desvíos, conectado en cada uno para accionar una u otra posición del desvío, tenemos dos problemas: Por un lado estamos uniendo mediante este cableado posiciones que luego deberían no estar acopladas. Al utilizar drivers de desvío podemos combinar las puertas para que esto deje de ser un problema. Pero hay un segundo problema que no evitamos: Si un pulsador activa al mismo tiempo muchos desvíos, el consumo de corriente de la fuente que usemos, sea cual sea, no va ser capaz de mover por ejemplo veinte desvíos al mismo tiempo.

La solución es el "secuenciador de desvíos" Es un circuito que es capaz de activar un número grande de desvíos, llevándolos a una u otra posición previamente establecida (según se haga el cableado) pero no a la vez, sino en una rápida secuencia, por ejemplo de segundo en segundo. De esta forma en cada momento sólo hay un desvío moviéndose y la fuente de alimentación sólo tiene que suministrar la corriente correspondiente a un desvío.

La secuencia se activa pulsando un único botón, de manera que al hacerlo, todos los desvíos empiezan a moverse uno tras otro quedando en la posición "programada".

Esto es importante de cara a lo que venimos hablando, porque si en una maqueta en la que no usamos pila, ha pasado el tiempo suficiente para que los circuitos hayan perdido la posición, al volver a conectarla, no tendremos controlada la posición de cada desvío, pero si tenemos instalado un secuenciador bastará pulsar su botón para que inmediatamente todos los desvíos se coloquen en su posición programada y se enciendan los leds de señalización. 

El secuenciador no es sólo para esta inicialización de la maqueta, sino que se podrá usar cada vez que queramos posicionar todos los desvíos en su posición programada, pero no cabe duda de que es una solución muy buena para cuando la maqueta ha estado tiempo desconectada y se ha perdido la memoria de la posición. De hecho, si contamos con un secuenciador para todos los desvíos de la maqueta, el hecho de que se pierda la memoria al apagar la maqueta  resulta mucho menos importante.

Bueno, pues realmente ahora, si que estoy conforme con este diseño de driver para desvíos, así que la última prueba ha sido instalarlo en el nuevo cuadro de mi maqueta. El video de la cabecera muestra los primeros movimientos, el cuadro con sus leds, y el desvío funcionanndo. Todo parece muy sencillo visto así, pero la verdad es que es un tema que me ha dado muchos quebraderos de cabeza hasta el último momento. Bueno pues ahora, veinte como ese.

domingo, 19 de abril de 2015

Circuitos sencillos (Postdata)


Bueno, había dado ya por cerrado este culebrón en el que he ido describiendo paso a paso el desarrollo de un circuito para señalización de desvíos, ofreciendo varias alternativas para realizar versiones artesanas del mismo. Pero en el último artículo, (Circuitos sencillos  y IV) acababa mostrando el esquema eléctrico definitivo y el diseño para la construcción industrial de la placa de circuito impreso, y he pensado que el tema quedaba un poco en el aire sin mostrar el resultado final del proyecto. Evidentemente llegar hasta este punto está ya fuera del enunciado de "circuito sencillo" porque ningún aficionado tenemos medios para construir esas placas de doble cara con máscaras, serigrafiado, etc. Asi que tenemos que recurrir a empresas que nos puedan fabricar estos PCB. Ya comenté en una ocasión que había localizado una empresa en China que funcionan bastante bien, y la prueba es que hice el pedido el pasado día 10, y el 17 he recibido las placas.

He hecho un pedido relativamente grande, lo cual hace que el precio por placa sea muy accesible, incluso si consideramos los portes y la importación.

Asi que ayer monté la primera, y es la que podemos ver en la fotografía de la cabecera. Como ya comenté la placa es muy pequeña y sirve para dos desvíos.

El objetivo ahora es utilizar estas placas para mi propia maqueta y asegurarme de su buen funcionamiento. Si todo sale bien, como espero, las pondré a la venta en la tienda.

De momento las he probado en plan laboratorio, tanto conectadas a corriente continua de 12 y 15 voltios como a la CDU que describí en un artículo anterior, y tanto con desvíos de escala Z, como con los famosos motores de desvío PECO PL-10

En el vídeo vemos las pruebas con la CDU. Cada vez estoy más convencido de que esta es la mejor forma de manejar desvíos. Y me refiero a cualquier tipo de desvíos, incluyendo a los pequeños desvíos de escala Z.



El vídeo empieza manejando dos desvíos de escala Z con la CDU. Vemos como lo único que hay que hacer es conectar la botonera al circuito (cables rojos y verdes), y a su vez los desvíos a las salidas correspondientes (cables azules y amarillos)

Los leds de señalización, que estarían en un cuadro de mando, los he puesto en una protoboard, simplemente para conectar los terminales de los leds cómodamente.

La entrada de alimentación viene de la salida de la CDU (cables rojo y negro)

En la segunda parte del vídeo, sustituímos los desvíos de Marklin por los dos desvíos de escala N con motores PECO PL-10. Se puede comprobar que funcionan también muy bien. Me sigue resultando asombroso, que sin tocar nada ni en el circuito ni en la alimentación, estos desvíos funcionen tan perfectamente como los pequeños de Märklin.

Lo más interesante, seguramente viene al final: Se ve que que he colocado un sensor Hall en la protoboard y vemos que acercando un imán el desvío también cambia. Esto, como ya comenté, se debe a haber introducido la puerta NAND en el circuito, lo que permite activarlo por una señal "Active Low", lo que permite utilizar tanto sensores Reed como sensores Hall.

El hecho de haber conectado un Hall no implica haber quitado la botonera. Como ya he comentado también varias veces, se trata de dos entradas de mando alternativas pero independientes.

Otra prueba que he hecho es el tema de la conservación de la posición, cuando se corta la alimentación. Al final, con los condensadores que he puesto, creo que se tiene una solución excelente. Como no tenía otros condensadores más apropiados, he puesto para la prueba unos condensadores de 100 uF. Resulta que con estos condensadores es suficiente para que se pueda cortar la alimentación durante más de 12 horas.  Mi intención es colocar unos condensadores de mayor capacidad, seguramente de 330 uF que son casi del mismo tamaño, y con ellos con toda seguridad, se mantendrá la posición más de 24 horas.

Evidentemente seguimos teniendo la posibilidad de poner una pila. Ya he comprobado que con una pila se mantiene indefinidamente la memoria de la posición así que basta cambiar el jumper que lleva el circuito y conectar en el terminal BATT una pila de 9V. Dado el consumo tan mínimo, una única pila puede alimentar unas cuantas placas y aún asi durar muchos meses.

Asi que por fin, después de muchas vueltas, voy a utilizar estos circuitos en mi maqueta. Ahora me queda el trabajo de montar unas veinte placas y conectatlas en el cuadro.

miércoles, 15 de abril de 2015

Levantando el cierre


En alguna ocasión he comentado, que tenía la intención de organizar un sistema para que los seguidores de este blog, y también los que me conocen a través de foros, y otras páginas, pudieran adquirir algunos de los dispositivos electrónicos, que comento en este blog.

La verdad es que he retrasado más de lo previsto este asunto, en parte porque no sabía muy bien que forma darle. No quería organizar una tienda "formal" de comercio electrónico recurriendo a una de las múltiples opciones comerciales, porque en primer lugar hay que pagar una tasa, y en segundo lugar porque eso puede dar la falsa sensación de que detrás hay una organización más o menos potente.

Otra opción era recurrir a ventas por E-Bay, pero después de estudiar el tema tampoco me ha convencido demasiado el sistema, en primer lugar porque también hay que pagar y es muy fácil quedar perdido entre un marasmo de millones de ofertas de venta.

Al final me he decantado por una solución artesana, basada en una serie de facilidades que proporciona PayPal. Al menos es una opción cuyo coste fijo es nulo, y sólo se paga un porcentaje a PayPal por cada venta.

Insisto en el tema del coste, porque naturalmente cualquier coste añadido tendría que repercutirlo en los precios de los productos, y quiero mantener éstos los más ajustados posibles.

Como podrán comprobar los visitantes, se trata simplemente de una web abierta, en la que puede entrar cualquiera y no es necesario registrarse ni aportar ningún dato. En una serie de páginas se ofrecen los productos y cada uno de ellos va acompañado de un botón "Añadir al carro". Cuando un comprador pulsa uno de esos botones, pasa a una página que ya es de PayPal, no mía, donde va componiendo su compra y llegado el momento tiene la opción de pagar. Todo este proceso, insisto, es de PayPal y no mío, de manera que los datos de dirección de envío, detalle de pedido, etc me los envía PayPal a mi, una vez que la compra se ha efectuado. Por supuesto yo no recibo ningún dato bancario del comprador. De esta forma toda la seguridad y confidencialidad está garantizada por PayPal, y por otra parte a mi me libera de toda la gestión de usuarios y de cobros.

Aclaro que no es necesario tener cuenta en PayPal para hacer una compra. Si llegado el momento del pago, el usuario no tiene cuenta, PayPal le ofrece varias opciones de pago, incluido el pago por tarjeta de crédito, y por supuesto la opción de abrirse una cuenta en PayPal.

Mantengo la opción de comprar por correo electrónico. A este respecto he creado la cuenta de correo "latiendadeifuval@gmail.com" preferentemente para compras desde fuera de España, ya que una de las limitaciones del sistema es que no es posible calcular los gastos de envío en función del país de destino. Esta dirección de correo puede utilizarse para cualquier comunicación relacionada con la tienda.

A partir de ahora, en el menú de la cabecera de este blog estará el enlace para entrar directamente a la tienda, aunque también se puede tener acceso con esta dirección:


Queda claro que con esto no pretendo hacer ningún negocio. En primer lugar porque el mercado es muy limitado y sobre todo porque requiere la confianza de los posibles compradores. Se trata simplemente de dar facilidades y que el que quiera probar alguno de estos elementos no se sienta cohibido de pedírmelo como un favor.

A ver cómo se va dando el tema.


sábado, 11 de abril de 2015

Circuitos sencillos (y IV)



En el artículo anterior, acababa con una opción para construir uno de estos circuitos de señalización de desvíos, hecho con la técnica de la placa perforada. En mi opinión cualquiera con un poco de habilidad puede construir ese circuito, sin necesidad de herramientas ni equipos especiales.

Sin embargo, existe otra posibilidad más avanzada, que consiste en crear una placa de PCB específica para este circuito.

En el artículo PCB DIY expliqué paso a paso la técnica que yo uso para construir circuitos impresos, por lo que no la voy a repetir aquí. Hay una parte de diseño del circuito, que allí se explica mediante un programa de dibujo, pero si disponemos de un programa de diseño de circuitos tal como Eagle o Proteus, esta labor se simplifica (y sobre todo se evitan errores).

Algo importante, es que un circuito impreso puede ser de una sola cara, o de dos. Los de una sola cara tienen sólo pistas de cobre por la parte inferior y los componentes se colocan en la cara superior, pasando los terminales por taladros hasta la cara inferior, donde se sueldan. Los de dos caras tienen además pistas de cobre por la cara superior. Los componentes (en general) se siguen situando solo en la parte superior y soldándose en la inferior, de manera que la parte de circuito que hay en la cara superior debe comunicarse con la inferior.

En mi opinión, la construcción casera de circuitos impresos,  solo resulta abordable para circuitos de una sola cara. En algún caso he intentado hacer circuitos a dos caras (Más difícil todavía) pero me he encontrado con dos problemas: El primero es garantizar que la impresión del circuito en ambas caras está perfectamente alineada, lo cual es delicado pero factible. El segundo problema es que en teoría CADA TALADRO de la placa debe comunicar eléctricamente las pistas de la cara superior con la inferior. Esto es muy difícil de conseguir y es una fuente de problemas. Hay que tener en cuenta que cualquier placa medianamente complicada tiene cientos de taladros.

Así que si se puede hacer un diseño de una sola cara, es fácil construirlo artesanalmente, pero los de dos caras resulta casi imposible. A mi al menos, asi me lo ha parecido cuando lo he intentado.

El problema es que diseñar un circuito de una sola cara es, en la mayoría de los casos sencillamente imposible. Así que ni el mejor programa nos va dar una solución para ello.

Tenemos sin embargo un truco para poder llegar a una solución: Hacer que el programa nos haga un circuito de una sola cara hasta donde pueda, y terminar manualmente el diseño mediante "puentes" de alambre por la cara superior. La siguiente imagen muestra esta solución aplicada al circuito que venimos utilizando:



Como vemos en la imagen, se ha dibujado en azul oscuro todo lo que sería el circuito impreso de la cara inferior de la placa, y luego manualmente he situado una serie de conexiones, representadas en rojo, que serían puentes de alambre a situar en la cara superior. Lo interesante es que ya no hay conexiones entre la cara superior y la inferior, porque los extremos de esos puentes atraviesan la placa y se sueldan a las pistas por la parte inferior, de forma similar a como lo hacíamos con las placas perforadas.

Podemos por lo tanto pedir al programa que nos imprima el fotolito y obtendremos algo como esto:


Usando esta imagen como fotolito podemos construir la placa de circuito impreso a una cara, utilizando las técnicas de  PCB DIY,  y montar el circuito sobre la placa así obtenida utilizando los puentes marcados en rojo en la figura anterior.

Así que esta es otra opción para el que quiera construir este circuito. El fotolito reproducido arriba es perfectamente válido para crear el PCB

Este tipo de construcción presenta una serie de ventajas respecto del sistema de la placa de pistas perforadas. La primera es que una vez obtenido el fotolito pueden reproducirse todas las placas que necesitemos, con facilidad y garantía de que son todas iguales, mientras que con las placas de tiras cada una es ejemplar único, y por lo tanto sujeto a errores.  Hay también otra ventaja: Las placas de tiras obligan a que todas las uniones eléctricas ya sean tiras de cobre o puentes sean horizontales o verticales. Esto desperdicia mucho espacio, y además obliga a "dar muchos rodeos" con lo cual las placas salen grandes. En el ejemplo que vimos la placa, que en definitiva lleva solo nueve componentes más los terminale,s era de un tamaño de 73 x 73 mm.  En cambio el diseño que acabamos de ver, con circuito impreso en una cara y puentes en la superior, ocupa sólo 52 x 57 mm

Existe una última forma de hacer circuitos impresos, y que es la que podríamos llamar "industrial". Lo mejor de este sistema es que los programas de diseño de PCB's están orientados a este procedimiento, de manera que aunque el resultado es mucho más complejo, la forma de llegar a él es mucho más sencilla. En las opciones anteriores, aun contando con la ayuda de un programa como Proteus he tenido que intervenir manualmente para llegar al resultado que quería. Si el circuito fuese más complicado que el que ha servido de ejemplo, esta labor habría resultado muy pesada.

En cambio para un circuito industrial el programa me lo hace todo. Como tengo la garantía de que lo hace bién, es decir que está garantizado que el diseño responde exactamente al esquema eléctrico, y de que tengo la solución en segundos, puedo hacer alternativas y probar opciones para obtener un resultado optimo.

Veamos cuál es el proceso para realizar este mismo "driver de desvíos" con un circuito para fabricación industrial.

En primer lugar, voy a completar el circuito: Ya vimos que el diseño que vengo utilizando tenía el problema de que no puedo usar sensores Hall para activar los desvíos. La causa es que un sensor Hall siempre cierra un circuito a masa, y el ULN2804 se activa con tensión alta.  Una solución elemental sería interponer un circuito de inversores en la entrada de este circuito, de manera que se invierta la señal. Sin embargo he decidido usar otra alternativa, que me resuelve este problema y me da además una opción adicional.

El circuito que voy a construir ahora responde a este esquema:



Como se puede ver, he añadido el circuito U4  (4011) que me proporciona cuatro puertas NAND de dos entradas. Como la salida de estas puertas es inversa de la entrada, ya tengo invertida la señal, de modo que los pulsadores funcionarán ahora por contacto a masa, con lo cual son ya válidos los Hall, y por supuesto los reed y cualquier otra cosa que ponga la entrada a cero voltios. La red de resistencias RP1 es para garantizar que las entradas estarán a valor alto mientras no se activan. Como el 4011 es también un circuito de tecnología CMOS, el consumo es despreciable, de modo que la misma solución de utilizar una pila para mantener la posición sigue siendo válida.

¿Pero, porqué dos puertas para cada entrada? Los lectores de este blog habrán reconocido enseguida que esto obedece a la posibilidad de que un desvío manejado con este "driver" responda a dos mandos distintos e independientes, por ejemplo a un mando manual desde tablero, y a un mando automático por sensores de vía, manteniendo la independencia de ambos sistemas)

Otra cosa que he hecho es poner un Jumper (JP1 en el esquema) que permite alimentar la parte de control o bién desde la pila, o bién desde la alimentación general a través del 7809. He perfeccionado un poco este circuito de alimentación utilizando condensadores de mayor capacidad (680 uF) y diodos para evitar que los condensadores se descarguen "hacia atrás" cuando la alimentación baje de voltaje. Recordemos que la alimentación general puede provenir de una CDU que sufre caídas de tensión muy importantes cuando su condensador se descarga al mover un desvío.

En definitiva, que he dejado el circuito ya muy completo, y sobre todo con más funcionalidades que el inicial. Sobre esto, hay una cuestión: En definitiva, para un usuario el utilizar este circuito, tal como lo hemos venido viendo hasta ahora, no aportaba otra ventaja que la posibilidad de tener señalización por leds en un tablero de mando. Por lo que se ve en los foros, hay muchos aficionados que querían una solución para tener esta señalización, pero salvo el caso de tener desvíos con finales de carrera, esta solución no es fácil. La solución clásica a este problema es poner un relé biestable conectado en paralelo con cada desvío. Sin embargo esa solución es complicada y cara por lo que me parece interesante la solución aportada ya que es más barata, aunque sigue siendo complicada, sobre todo si tenemos en cuenta el tema de la pila para mantener la memoria de la posición de los desvíos.

Asi que yo no se si se justifica plenamente utilizar el circuito tal como lo hemos estado viendo. Al menos tenemos la certeza de que el sistema funciona aún con una CDU manejando los desvíos, así que por ese lado también se da una solución a este caso. Evidentemente hay otra ventaja, y es que la corriente que activa los desvíos ha bajado a niveles ínfimos, por lo que un sensor Reed puede mover sin problemas varios desvíos. Pero esto, claro, es interesante solo para el que pretenda usar ese tipo de sensores.

Sin embargo, en mi opinión, la última vuelta de tuerca, al añadir la posibilidad de manejo por puertas lógicas y admitir la utilización de sensores Hall ya si aporta las suficientes ventajas como para justificar la utilización de este circuito para accionar los desvíos.

Pero por otro lado, el circuito se ha vuelto más complicado, con lo cual usar el método de las placas de tiras perforadas o el del circuito impreso a una cara, resulta cada vez más problemático.  Así que como ejemplo final, he querido mostrar cómo queda este último diseño en un circuito de tipo industrial creado por Proteus. Insisto en que hacer esto es mucho más fácil que todo lo anterior, porque el programa está previsto justamente para hacer esto.


Evidentemente la primera impresión es de no se ve nada. En efecto, en esta imagen se superponen mediante transparencia todas las capas que componen el diseño, que, de abajo a arriba, serán: El plano de masa (en blanco), la capa de cobre inferior (en azul), la capa de cobre superior (en rojo), la máscara de soldadura (en verde), y la serigrafía de componentes (en azul)

En alguna ocasión, cuando he presentado algunos circuitos en este blog, me han dicho algunos lectores que porqué no ponía los fotolitos para poder construir esos circuitos.

De un diseño en Proteus como el anterior, se pueden extraer desde luego las imágenes de lo que serían las caras de cobre superior e inferior. Sale algo asi:


Pero el problema es que estos "fotolitos" están previstos para construcción industrial, es decir, como antes decía para un tipo de construcción en que TODOS los taladros son conductores y garantizan por tanto el contacto eléctrico entre las dos caras en cada punto taladrado. De hecho, cada taladro lleva un minúsculo remache que comunica eléctricamente ambas caras. Naturalmente hacer esto de forma artesanal, resulta inabordable, de manera que, insisto, estos diseños industriales, no son válidos para construir artesanalmente un circuito de doble cara.

Realmente estas imágenes que serían los fotolitos para fotograbado de las dos caras del PCB, se pueden obtener del programa, pero la verdad es que los circuitos no se fabrican industrialmente a partir de imágenes. Lo cierto es que estos programas de diseño, realmente lo que hacen es obtener unos archivos que son puramente de texto con las instrucciones que requieren las máquinas de control numérico que son las que realmente fabrican los circuitos.

Simplemente como ilustración, reproduzco a continuación el principio de uno de estos archivos (denominados archivos Gerber)


Esto es lo que generan los programas de diseño de circuitos y lo que necesita cualquier fabricante de PCB´s para fabricarnos un circuito. Naturalmente esto no tiene utilidad ninguna para alguien que quiera hacer sus propios circuitos de forma manual.

El sistema de definir un PCB mediante los archivos Gerber se ha convertido en un standard industrial. Todos los programas que diseñan circuitos impresos tienen la opción de volcar el resultado en ficheros Gerber y todos los fabricantes industriales exigen recibir la definición de los circuitos a fabricar, en este formato.

La solución evidentemente, para todo el quiera ir a este tipo solución de tipo industrial, es que se haga con alguno de los programas de diseño de PCB (los hay gratuitos) de esta manera podrá generar y encargar la fabricación de sus propios circuitos, y si quiere reproducir alguno de mis diseños, puede utilizar el esquema eléctrico que yo siempre publico para meterlo en su programa de diseño y obtener a partir de él los archivos necesarios para su fabricación.

Bueno, una cosa que si que nos dan estos programas, es una bonita imagen en 3D de cómo va a quedar el circuito, y eso es lo que se ve en la imagen de cabecera de este artículo.

Una cosa interesante de un diseño de tipo industrial como éste es que los componentes se pueden situar en mucho menos espacio. Concretamente el diseño obtenido tiene unas dimensiones de sólamente 67 x 39 mm a pesar de tener un circuito integrado y algunos componentes más que los diseños anteriores.  El ahorro de espacio es importante, no sólo por ocupar menos sitio, sino porque los PCB's se cobran por superficie, de manera que al ser más pequeños son más baratos.


jueves, 9 de abril de 2015

Circuitos sencillos (III)



En el artículo anterior, (Circuitos sencillos (II))mostré la forma de construir el circuito para mando y señalización de desvíos, y demostrar que funciona perfectamente con cualquier tamaño de desvíos, pero la construcción estaba hecha sobre una protoboard.

El resultado es bastante caótico tal como se puede apreciar en la imagen de la izquierda. Curiosamente he visto algún comentario en los foros en los que algún contertulio proponía este sistema para construir algún circuito con destino a su maqueta, y daba como ventaja fundamental, el que no había que soldar nada.

Con todo mi respeto para todas las opiniones, cada cosa hay que usarla para lo que es, y una protoboard es muy útil para montar un circuito de prueba, ensayar alternativas, comprobar el funcionamiento, etc, pero yo no considero de ninguna forma que sirva como forma de montaje para un circuito definitivo, sobre todo si lo vamos a colocar en una maqueta donde esperamos que funcione durante años. Aparte de que los montajes hechos así, son grandes, resultan muy frágiles, puesto que todos los cables están puramente enchufados. Es muy fácil que ante la menor manipulación se suelte alguno, y si esto ocurre resulta muy complicado acordarse de qué era ese cable y a donde hay que conectarlo.

Cualquier circuito mínimamente duradero, hay que construirlo mediante soldadura, sobre todo teniendo en cuenta que prácticamente todos los componentes llevan terminales previstos para ser soldados. Y puestos a soldar, hay dos posibilidades: utilizar una placa universal, de las que llevan perforaciones y tiras de cobre, o construirse una placa de circuito impreso diseñada a propósito para el circuito que queremos hacer. Este artículo está dedicado al primero de los dos métodos.

El circuito que voy a construir, es el mismo que en el artículo anterior, pero esta vez completo, es decir utilizando por completo los dos circuitos integrados que contiene, lo que permite crear una sola placa para dos desvíos. El circuito completo a construir es este:


El circuito representado es completo, es decir incluye cuatro pulsadores P1 a P4, cuatro leds de señalización y dos desvíos. Sin embargo lo que tenemos que construir no incluye todos esos elementos. Los pulsadores estarán en el cuadro de mandos, y también estarán allí los cuatro leds de señalización. Por otra parte los dos desvíos estarán en la maqueta, asi que realmente lo único que hay que colocar en nuestra placa son los dos circuitos integrados, las cuatro resistencias y la parte de alimentación formada por el diodo D3 el regulador de mtensión U3 y el condensador C1. En total nueve componentes.

Lo que si voy a poner es terminales para que los cables que van a los pulsadores, a los leds y a los desvíos se puedan conectar a esta placa atornillándolos en los terminales correspondientes. Hay una alternativa, y es soldar cables directamente a las pistas en puntos cercanos a los componentes. Esto facilita el diseño pero el resultado final es un poco chapucero.

Asi que siguiendo el esquema anterior, he creado la placa que podemos ver en la siguiente fotografía.


Como vemos, la técnica de construcción es bastante sencilla. En la parte de abajo, tenemos pistas de cobre en sentido horizontal y por la cara vista colocamos los componentes y puentes de hilo rígido, uniendo unas pistas con otras.  Prácticamente se sigue la misma geometría que en el esquema electrico.

En determinados puntos hay que cortar las pistas de cobre. La forma más sencilla de hacerlo es iniciar un taladro con una broca de 3mm, pero sin llegar a perforar la placa. Esto crea un "crater" en la cara del cobre que interrumpe la pista que queremos cortar. Esta es una imagen de la placa vista por la cara inferior, donde se ven varios de éstos cráteres.

El resultado de esta operación es un circuito sólido y organizado que puede funcionar por tiempo indefinido sin temor de que sufra desperfectos.

En la imagen de la cabecera, vemos la placa conectada para hacer la prueba. Arriba a la izquierda tenemos la conexión a la CDU. Debajo están los conectores para los pulsadores. En la imagen se ve que se usa la botonera de Märklin que hemos visto en otros montajes con cables azules, y más abajo está la conexión para la batería de 9 V con su cable rojo y negro.

Por la derecha, arriba, vemos los tres cables rojo negro y verde que van a un primer desvío, y debajo vemos los conectores para los leds de señalización, Se ve que en este caso he puesto un led rojo y otro verde.

Para la prueba no he usado más que un desvío, sobre todo para no complicar demasiado el cableado, pero evidentemente tenemos los conectores para pulsadores leds y para el segundo desvío.

¿Y funciona? Claro. Funciona exactamente igual que con el montaje sobre la protoboard. Véase la muestra:



Podría dar por terminado aquí este artículo, pero sería un poco tramposo. Quizá se ha dado la idea de que hacer una de estas placas es algo sencillo, y la verdad es que no lo es tanto como parece. Situar adecuadamente cada componente, saber qué pistas hay que cortar , poner los puentes sin equivocarse, etc es un trabajo delicado y muy sujeto a errores.

Lo malo es que yo no conozco ningún sistema que nos pueda ayudar a hacer esto. No se si alguno de los programas que existen para diseño de PCB's es capaz de hacer el diseño para el caso de una placa de tiras perforadas. Yo desde luego lo desconozco y reconozco que no me ha resultado fácil hacer el diseño que se ve en éste artículo.

Una ayuda puede ser hacer un dibujo previo sobre una plantilla de puntos que representen los taladros y dibujar, preferentemente con colores cada una de las conexiones que queremos hacer. Si hacemos eso tendremos algo parecido a esto:



Como se ve, he dibujado las conexiones con colores variados, de manera que se puede seguir fácilmente cada línea de conexión. Evidentemente cada línea horizontal está constituida por la pista de cobre situada en la parte trasera, y cada linea vertical es uno de los puentes de alambre. De esta forma se puede hacer un diseño previo del circuito a realizar y utilizarlo como guía.

Mi recomendación es que se haga previamente uno de estos dibujos y se repase cuidadosamente, comparándolo con el esquema que queremos construir. Y una vez construido, y antes de conectarlo, recomiendo armarse de un multímetro en modo probador de continuidad y comprobar cuidadosamente todas las conexiones.

En resumen, con esta técnica es posible construir de forma artesanal y económicamente, circuitos electrónicos sencillos sin necesidad de equipos ni herramientas especiales.  Además se puede disponer de un circuito terminado en muy poco tiempo.

Sin embargo, tiene algunos inconvenientes: Como ya he dicho resulta laborioso y delicado hacer el diseño y construir los circuitos con esta técnica, sobre todo porque no contamos con ayuda informática para ello.

La alternativa es por supuesto el diseño de un circuito impreso específico, pero eso será objeto de un próximo artículo

...................

Había ya dado por terminado este artículo cuando me he quedado pensando sobre si no existiría la posibilidad de hacer el diseño para este tipo de placas utilizando el programa que habitualmente uso para diseño de PCB's. Me refiero a Proteus.

Realmente es un poco laborioso, pero he visto que se puede hacer, y el resultado es el que se ve a continuación:


Evidentemente, en rojo se representan los puentes de alambre y en azul las pistas de cobre. La cuadrícula representada tiene un paso de 1,27 mm y por lo tanto cada dos cuadros corresponden con una perforación de la placa.

No hay que olvidar cortar las pistas cuando una pista se alinea con otra.

La verdad es que me ha resultado muy satisfactorio encontrar esta solución, porque este artículo quedaba un poco triste ya que quedaba claro que la labor de diseñar el circuito era complicada. Ahora, con esta imagen, cualquiera que quiera construir este circuito, no tiene más que seguir la última imagen  y puede construir el circuito con toda seguridad.

Advierto que esta imagen, no corresponde exactamente al circuito que yo había construido, porque al usar el programa he cambiado algunas cosas. Sin embargo puedo asegurar que funciona, porque el método para conseguir este diseño es semejante al que se emplea para diseñar un circuito impreso. es decir que el programa garantiza la coherencia entre el esquema eléctrico del circuito y el diseño de la placa.

Realmente he tenido que modificar el esquema para eliminar los elementos que quedan fuera y para incluir conectores, así que realmente el esquema usado para hacer este circuito es este


Dos cosas: Las resistencias R1 a R4 aparecen en el esquema como 10K Con eso los leds van a lucir muy poco. Si se quiere una luminosidad normal, hay que ponerlas de 1K

El U3 aparece en el esquema como 7812. Es un error: debe ser 7809

Conexiones (Véase también la imagen de la cabecera)

La CDU se conecta al conector J3. El pin 2 es el positivo y el pin 1 El negativo.

Análogamente la Pila se conecta al J4 El pin 2 al positivo y el pin 1 al negativo

La botonera o pulsadores se conectan a J1 y J2 El pin 1 de J2 es el común, los pines 2 y 1 de J1 actúan sobre el primer desvío, los pines 3 y 2 de J2 actúan sobre el segundo desvío.

Los desvios se conectan en J7 y J8. El pin 2 de cada uno es el cable común del desvío y los otros dos los de mando.

Los leds de señalización se conectan a J5 y J6. El pin 1 de J5 es el común y va los ánodos de los leds. Cada uno de los cátodos se conecta a los pines 2 y 3 de J5 para el primer desvío y 1 y 2 de  J6 para el segundo desvío,

Estaré encantado si algún lector construye este circuito y me comunica el resultado.




martes, 7 de abril de 2015

Circuitos sencillos (II)




Terminaba el anterior artículo ( Circuitos sencillos (I) ) con el esquema de un circuito que puede asociar el manejo de un desvío, mediante pulsadores momentáneos, con una acción permanente, que normalmente será encender leds en un cuadro para marcar la posición del desvío, aunque también puede hacerse algo muy similar.si lo que queremos es que un semáforo cambie la indicación de sus luces en función de la posición del desvío.

Como ya vimos, curiosamente, en vez de partir de un circuito para mover el desvío, y añadir algo para manejar los leds, lo que hacíamos es partir del circuito para manejar los leds y añadir lo necesario para mover un desvío. Es decir partimos de un circuito latch 4043 manejado mediante pulsadores, y que como ya vimos deja alternativamente encendidos uno de dos leds conectados a sus salidas, y le añadimos un circuito "de potencia" capaz de mandar un impulso de suficiente intensidad a un desvío.

Quedaba una cuestión que ya fué esbozada, y me refiero a la posibilidad de mantener el latch 4043 alimentado permanentemente por una pila, de modo que al apagar el sistema, no se perdiese la posición de la señalización, de modo que al volver a conectar la alimentación, los leds indicadores de la posición de los desvíos indiquen la posición que tenían cuando se apagó. El 4043 es especialmente adecuado para eso, porque al ser un CMOS su consumo es del orden de 1 microamperio. Pero claro, si esa pila mantiene encendidos los leds, éstos tienen un consumo mucho mayor, del orden de 10 mA.  (parece poco pero es 10000 veces mayor que el del CMOS) con lo que el sistema de la pila deja de ser práctico.

Por otra parte, he publicado recientemente otro artículo (CDU) en el que se habla de las ventajas de mover los desvíos con descargas generadas por un gran condensador.  En el vídeo de ese artículo se veía una pareja de desvíos con motores PECO PL-10 que funcionaban perfectamente con esta CDU que allí se describía. El tema es que al analizar como funciona esa CDU, veíamos que se producen fuertes intensidades de corriente, aunque de muy corta duración. La pregunta es: Si yo hago un circuito para mover desvíos y para tener señalización mediante leds,  ¿lo podré utilizar con una CDU, o esos fuertes impulsos quemarán el circuito de potencia que mueve los desvíos? Yo sospechaba que si, porque en unas pruebas anteriores lo había hecho funcionar sin problemas, pero el circuito de control era distinto. Al fin y al cabo, casi todos los elementos electrónicos se estropean por calentamiento, y esto requiere una sobrecarga de una determinada duración. Un impulso muy fuerte pero de décimas de segundo es mucho mejor soportado que una intensidad menor prolongada en el tiempo. Y claro como la CDU dá precisamente un impulso muy corto, no llega a producirse el calentamiento peligroso. O sea que la CDU no solo protege al desvío frente al calentamiento, sino también, por la misma causa protege al circuito de mando.

Puesto todo esto junto, me ha llevado a hacer una prueba que me ha parecido muy interesante. He diseñado un circuito según el esquema siguiente:


Como podemos ver el 4043 está conectado a los dos pulsadores P1 y P2 de la forma que ya vimos en Circuitos sencillos I ya que cada pulsador activa un canal y desactiva el otro. En consecuencia se encienden y apagan los dos leds. D1 y D2.

El ULN2804 es el circuito "de potencia" que nos va a permitir manejar el desvío. Ya comenté que cada canal de este circuito soporta 500 mA. Aquí he cogido los dos primeros para la primera bobina del desvío y los dos segundos para la segunda bobina. La teoría es que de esta forma puedo llevar 1 A a cada bobina, pero eso es por tiempo indefinido. Como aquí se trata de desvíos y además lo vamos a alimentar todo con una CDU se trata de ver si con esta disposición nos vale para cualquier desvío.

Como decía la alimentación procede de una CDU, en este caso la anteriormente reseñada. Los puntos marcados como CDU van a la salida positiva de la CDU (aquí si hay que tener en cuenta cuál es el positivo) Por supuesto la salida negativa de la CDU se une a la masa de este circuito.

A la izquierda vemos indicada la pila de 9 V indicada como BAT1. Su terminal negativo va a la tierra y el positivo a los pulsadores, al "Enable" (pin 5) del 4043 y al terminal de alimentación (pin 16) de 4043

Con esto, el 4043 funciona permanentemente mientras la pila mantenga tensión suficiente. He medido el consumo en estas condiciones y ha resultado ser de casi exactamente un microamperio.

Para los leds necesito una alimentación de 9V, igual que la pila ya que las salidas Q0 y Q1 van a oscilar entre 0 Voltios y el valor de la alimentación del circuito, o sea el valor de la pila. Pero si los conecto a la pila ésta se descargaría bastante rápidamente. Asi que lo que he hecho es tomar la tensión de la CDU y llevarla a través de un diodo D3 al regulador de tensión 7809 (U3) que me saca los 9 Voltios que necesito.

Asi que para los leds estoy tomando tensión de la CDU, pero he puesto el diodo y el condensador C1 para estabilizar un poco la corriente, tratando de evitar que los leds fluctúen con las cargas y descargas de la CDU. Para evitar totalmente las fluctuaciones C1 debería ser mucho mayor (2200 uF) pero eso encarece y complica mucho el montaje.

Una cosa: las resistencias R1 y R2 las he puesto de 10 K. Esto es mucho, lo adecuado sería 1 K, pero he querido que los leds den muy poca luz. Se trata de una señalización, no de iluminar el cuadro de control.

Si alguien piensa que no le importa que se pierda la posición al apagar la maqueta, puede suprimir la pila y conectar el terminal BATT al pin 3 del 7809, Con eso el circuito entero funciona a 9 V alimentado desde la CDU a traves del regulador 7809

Creo que queda claro que la pila de 9 V utilizada sería única para todos los circuitos de desvíos que tengamos, y por supuesto la CDU también es única, de manera que el sistema resulta bastante más económico que por ejemplo un relé biestable que es la alternativa para conseguir señalización por leds con cualquier tipo de desvío. Hay que tener en cuenta que, tal como se ve en el esquema los dos circuitos integrados están usados sólo en la mitad de sus pines, o sea que con esos dos circuitos tenemos para dos desvíos. En cuanto al regulador de tensión es también válido para los dos desvíos.

Concretamente un 4011 vale 0,35 €, un ULN2804 vale 0,76 € y un 7809 vale 0,36 € es decir 1,47€ en total, lo que da 0,73 € por desvío frente los aproximadamente 3 € que vale un relé biestable, Claro que se necesitan más elementos, como una placa de montaje, conectores, leds, etc pero eso tanto con circuitos como con el relé, asi que esta opción es claramente más barata

Bueno, pues el paso siguiente ha sido montar este circuito en una protoboard. La imagen de la cabecera de este artículo muestra el aspecto del circuito montado.

Aparte de la placa con el circuito, vemos a la izquierda, la pila de 9 Voltios, en la parte superior la CDU que construí en un artículo anterior, y al derecha la placa de desvíos con los motores PECO PL-10 que ya he utilizado en otras ocasiones.

Una pequeña prueba grabada en video:



La prueba no es muy espectacular, porque lo único que vemos es moverse el desvío y cambiar las luces. Sin embargo lo interesante es comprobar que este circuito funciona perfectamente con una CDU. Por supuesto el movimiento de los desvíos sigue siendo rápido, potente y silencioso, y por otro lado el ULN2809 soporta los repetidos impulsos de corriente que vemos en el vídeo sin inmutarse.

A mi me parece que esta solución es muy interesante porque tenemos todas las ventajas de la CDU, con su movimiento potente, y por otro lado obtenemos directamente la señalización mediante leds, y además, algo importante, los pulsadores están manejando corriente de microamperios con lo que pueden se sustituídos por interruptores Reed sin ningún problema, y de hecho, un único Reed puede accionar varios circuitos en paralelo para mover varios desvíos. Sin embargo si queremos usar sensores Hall no podemos usar este circuito, pero para ese caso veremos pronto una solución.

Otro tema interesante es que como se ve en el vídeo, en un momento dado se pasa de manejar un desvío PECO PL-10 a un desvío Märklin de escala Z Es decir, probablemente el motor más potente y el menos potente que nos podemos encontrar entre ambas escalas.  Lo sorprendente del caso es que para pasar de uno a otro, simplemente he desconectado un desvío y he conectado el otro, sin cambiar nada. El otro día me decía un amable comunicante que se había sorprendido de que yo dijese que se podía conectar un desvío de escala Z a una CDU que da más de 20 Voltios, cuando la nominal de los desvíos de escala Z son 10 Voltios. La prueba la tenemos en el video: Funciona perfectamente, con un movimiento más potente que el habitual, pero tampoco exageradamente fuerte que pudiera hacer pensar que se puede averiar por esfuerzos mecánicos superiores a los previstos. De hecho, para ser sinceros, habría que decir que estos desvíos de escala Z parece que necesitan todavía más corriente.

En definitiva, en mi opinión, este circuito puede manejar cualquier desvío de escala N o Z con potencia y seguridad, proporcionando al mismo tiempo leds de señalización y permitiendo el mando con muy bajas intensidades.

En un próximo atículo, tengo la intención de mostrar cómo se puede construir de forma artesanal este circuito.

miércoles, 1 de abril de 2015

Comparativa PWM.




Esto eran un chino, un alemán y un español......Hay muchos chistes que empiezan de forma parecida, pero de lo que voy a hablar no es de ninguna broma, sino de controladores PWM. La cosa es que cuando en los foros se habla de controladores PWM, es habitual que algún participante diga que ha encontrado unos controladores PWM baratísimos, normalmente fabricados en China y vendidos por E-bay.

A mi a veces me da bastante susto leer estos comentarios porque lo que muchas veces encuentran es controladores industriales para control de motores bastante potentes. En alguna ocasión he convencido a algún compañero de que no debe comprar un controlador de 40 Amperios para manejar su maqueta de trenes. Aunque sea un controlador que pueda funcionar a 12 Voltios, si por casualidad se produce un cortocircuito en la vía, el controlador va a proporcionar 40 Amperios antes de cortarse, lo cual puede producir graves daños en la instalación.

Hace unos dias, un compañero me comentó que había pedido un controlador PWM a Hong Kong y que por lo visto estaba preparado para motores de 12 Voltios (este compañero es de escala N) y su potencia es de 2 Amperios. A priori parece bastante adecuado, y de hecho, cuando lo probó, comentó que le había sorprendido el buen resultado. Dado el precio que había pagado por él (menos de 4 €) me pareció interesante pedir uno, y compararlo con los mios.

Asi que hoy lo he recibido, y me he dedicado a organizar una comparativa. Además hace ya mucho tiempo que compré un par de controladores Syster Jörger, (ver Enhorabuena herr Jörger, de diciembre de 2008)  y he querido incluirlo en la prueba como punto de comparación.

Como antes decía, los controladores PWM adecuados para trenes son de pequeña potencia, y también de pequeño tamaño, fundamentalmente porque no tiene mucho sentido manejar más de una locomotora con el mismo controlador, cuando la gracia está, precisamente, en poder manejar las locomotoras con una gran precisión. Así que normalmente se hacen para proporcionar intensidades de entre 0,5 y 1 Amperio. Por otra parte, como la idea es que no haya más que una locomotora manejada por cada controlador, lo habitual será tener varios controladores manejando cada uno una locomotora (Como estamos en analógico esto requiere que la maqueta esté divida en sectores, cantones o circuitos independientes) Por este motivo todos estos controladores están previstos para ser conectados a una fuente de alimentación, que les proporcione corriente continua de la tensión apropiada (entre 9 y 16 Voltios, según la escala). Esta fuente de alimentación normalmente es única y alimenta todos los controladores PWM, haciendo una instalación que puede ser incluso más económica que una clásica a base de un transformador-regulador por cada circuito. Asi que un controlador PWM normalmente es un elemento bastante pequeño.

La cualidad más importante de un controlador PWM es ser capaz de controlar una locomotora a muy baja velocidad. En otros artículos ya he comentado en qué consiste la corriente PWM y porqué es capaz de mover las locomotoras mucho más lentamente que otros sistemas de control. Realmente hacer que una locomotora se mueva a velocidades medias y altas es muy sencillo, y cualquier controlador lo consigue, sea cual sea su sistema de funcionamiento. De hecho una vez que la locomotora ha arrancado se mueve a la velocidad correspondiente al valor eficaz de la corriente que recibe, sea cual sea la forma de onda de esa corriente. La diferencia está en el arranque: Según la forma de onda, la locomotora arrancará con una tensión eficaz más o menos grande, y por lo tanto empezará a moverse más o menos deprisa. Si una locomotora arranca cuando recibe una tensión eficaz de 4 Voltios, cuando lo haga empezará a moverse a una velocidad relativamente elevada. Si por el contrario conseguimos que arranque con 1 voltio, la locomotora empezará a moverse mucho más despacio. Si a partir de 1 voltio vamos aumentando la tensión, cuando lleguemos a 4 Voltios se estará moviendo exactamente a la misma velocidad que en el caso anterior cuando arrancaba con 4 Voltios, y a partir de ese puntos la locomotora se comporta exactamente igual en ambos casos. La diferencia está por lo tanto en conseguir que la locomotora arranque con tensiones muy bajas, y por lo tanto muy despacio y eso es lo que consiguen los controladores PWM, precisamente porque los pulsos de la corriente PWM rompen la inercia que impide el arranque de la locomotora.

La forma de controlar esto, es medir la tensión eficaz en el momento en que la locomotora empieza a moverse. El cociente, entre la tensión de alimentación y la tensión eficaz, cuando la locomotora arranca, es una medida de la eficacia del controlador PWM Cuanto mayor sea el valor. mas pequeña será la tensión con la que arranca la locomotora y por lo tanto más despacio se moverá la locomotora.

Por eso, la prueba que he efectuado se ha dirigido precisamente a detectar el comportamiento de cada controlador PWM en el momento de arrancar la locomotora midiendo la tensión eficaz en ese momento con un osciloscopio, que nos proporciona este valor (en la pantalla lo vemos como Vrms). Podremos ver, que hay una correspondencia directa entre ese valor y la forma más o menos suave con que arranca la locomotora

No se han tomado medidas precisas más que en el momento del arranque. Por supuesto que a velocidades medias y altas, cualquiera de esos controladores, y todos los demás a base de transformadores de corriente rectificada, compuesta, etc, funcionan bien. De hecho todos funcionan igual de bien. No hay ninguna diferencia entre ellos.

La prueba la he hecho con una locomotora de escala Z y he conectado sucesivamente cada uno de los controladores a una fuente de alimentación de corriente continua con 9 V de tensión. En el punto donde se alimenta la vía hay conectado un osciloscopio, que por lo tanto nos permite ver las características de la corriente que está llegando a la vía.

 Veamos el video grabado durante la prueba, y luego explicaré los detalles que se pueden ver en el video



Bien, pasemos a comentar lo que se ha podido ver en la prueba. En primer lugar aparece el controlador 1803B anunciado en E-Bay como DC 1.8V 3V 5V 6V 12V 2A Regulador Voltaje Controlador Velocidad PWM 1803B  Es, evidentemente un producto de fabricación china  y según el anuncio puede proporcionar 2 A a tensiones de hasta 12 V. Esto es perfecto para una locomotora de escala N. En la prueba, para escala Z he usado una alimentación de 9 V. No tiene inversión de polaridad, de modo que para usarlo como alimentación para trenes hay que colocar un conmutador en modo inversor entre el controlador y la vía. 
Respecto de su tecnología, tiene un par de chips SMD y otros componentes también SMD, pero lo importante que serían los chips, están cuidadosamente lijados para eliminar las referencias, asi que no tengo ni idea de qué sistema usa.

En el osciloscopio vemos que genera una onda PWM con anchura de pulsos variables y una frecuencia que está siempre por encima de 20 KHz y que aumenta hasta superar los 30 KHz. Esto es lo que yo me esperaba, porque son las frecuencias típicas de los PWM industriales. no los diseñados específicamente para control de trenes.

Aún asi el comportamiento es bastante bueno, pero como era de esperar el arranque resulta algo brusco. La locomotora no se empieza a mover hasta que el valor eficaz (indicado como Vrms en la pantalla del osciloscopio) no supera ampliamente los 3 voltios, lo cual, como estamos tratando con 9 Voltios de alimentación,  supone un ratio de 3  entre la corriente de pico y la eficaz en el momento del arranque. Por eso cuando la locomotora arranca, se mueve ya a una velocidad apreciable. Si una vez en marcha, intentamos bajar la velocidad, se consigue reducirla un poco, pero es una marcha inestable.


La segunda prueba se ha hecho sobre el controlador  "Fahrregler Deluxe " fabricado por System Jörger en Alemania.

Este controlador es bastante conocido por los aficionados a la escala Z, y apenas conocido por los aficionados de N a pesar de que se anuncia para Z y para N . Para mi, el motivo de esto es que este controlador tiene una potencia muy limitada. Se anuncia como de 750 mA pero yo he podido comprobar que con 500 mA ya se corta. Además el sistema de protección es tan bueno que en cuanto se pasa de 500 mA aunque sea durante décimas de segundo el controlador se corta, y ya no vuelve a arrancar hasta que se apaga y se vuelve a conectar. Como es bastante habitual que una locomotora consuma un pico de intensidad justo al arrancar, es muy fácil que se produzca esta interrupción, y sobre todo en N donde las locomotoras son más potentes. Incluso en Z es imposible usarlo para un tren con dos cabezas motrices, doble tracción, etc.

Salvando este problema, como se puede comprobar en el vídeo el comportamiento es muy bueno y los arranques de la locomotora de pruebas son extraordinariamente suaves.

Respecto de su tecnología, es un circuito basado en un microcontrolador, concretamente el ATTINY15L. Lleva además un transistor para proporcionar la corriente de salida, que es un BD 440.

Tampoco lleva inversor de marcha, asi que también en este caso hay que poner un conmutador para hacer la inversión.

Una vez conectado el osciloscopio, nos encontramos una sorpresa: No produce exactamente una señal PWM. Es algo muy parecido, es decir una onda formada por pulsos de anchura variable, cuya anchura va aumentando, pero al mismo tiempo también aumenta la frecuencia, con lo que la potencia aumenta no solo porque los pulsos son más anchos sino porque están mas juntos. Es una especie de mezcla entre una señal PWM (Pulse width modulation) y una señal PPM (Pulse position modulation)

La frecuencia, por lo tanto varía y es bastante difícil medirla, pero lo que está claro es que a velocidades bajas, esto es al arrancar la locomotora, es del orden de 50 Hz . Si comparamos esto con los más de 20000 Hz del anterior, vemos que es totalmente diferente y esto es porque en este caso estamos hablando de un PWM creado específicamente para trenes.

Cuando medimos la tensión eficaz en el arranque, encontramos un valor de 1,8 Voltios, así que el ratio de tensión respecto a la alimentación es de 5 Es un valor mucho mejor que el chino, y eso se aprecia perfectamente en el vídeo.

Los seguidores de este blog, ya conocen perfectamente mi diseño de controlador, al que denomino como Controlador de tracción PWM04. En este caso estamos hablando de un controlador PWM basado en un circuito generador de impulsos NE555 y un controlador de motor en puente H L293D.  La potencia máxima está limitada a 0,8 A mediante un fusible rearmable, de modo que durante periodos cortos de tiempo soporta hasta 1 A.

Como vemos en el vídeo, el arranque de la locomotora con este circuito es también muy suave y la marcha lenta es muy estable. El comportamiento de las locomotoras es muy parecido al anterior controlador.

Conectado al osciloscopio, vemos que este circuito genera una onda PWM de libro, es decir con pulsos de anchura variable y frecuencia constante. La frecuencia en el caso del circuito probado era de 36 Hz, aunque debido a las tolerancias de los componentes, otros controladores pueden tener frecuencias un poco diferentes, pero siempre en el entorno de 40 Hz. Nos encontramos otra vez con frecuencias muy bajas que son las adecuadas para controladores dedicados a trenes.

Al medir la tensión eficaz en el arranque encontramos un valor de 1,3 V con lo que el ratio resulta ser de 6,9 un valor muy bueno que se manifiesta en la posibilidad de mantener velocidades extraordinariamente bajas.

Desde mi punto de vista, no cabe duda de que cuando queremos adquirir un controlador PWM para manejar trenes en nuestra maqueta, debemos adquirir uno diseñado específicamente para controlar trenes. Utilizar equipos PWM diseñados para usos industriales, puede ser peligroso, pero sobretodo es mucho menos eficiente. El factor fundamental en el que nos debiéramos fijar es la frecuencia. Desafortunadamente  es poco frecuente que entre las especificaciones que se nos dan de un controlador PWM figure la frecuencia, pero es casi seguro que los equipos pensados para uso industrial tienen frecuencias del orden de 20 Kiloherzios mientras que lo que necesitamos para los trenes es del orden de 50 Herzios.

De todas formas un equipo industrial, siempre que su potencia sea adecuada como el aquí probado (12 V y 2 Amperios) sin ser tan eficiente como los de frecuencias bajas, es un solución válida y desde luego económica. Aunque no tengamos demasiados datos, ya el aspecto nos puede dar una pista. Si vemos la imagen de la cabecera, los controladores PWM adecuados para trenes son elementos bastante pequeños

Fijémonos que el aquí probado tiene un ratio de tensión eficaz en el arranque de 3.  Si comparamos esto con un "transformador" de los de toda la vida, de corriente rectificada, el valor para estos transformadores es de 1,41. Incluso los famosos transformadores  de corriente compuesta (mal llamada muchas veces "corriente pulsante") tienen un ratio de 2,82  Es decir, incluso este económico controlador PWM "chino" es mejor que los caros controladores de corriente compuesta,  y desde luego mucho mejor que los habituales de corriente rectificada. Naturalmente cuando se hace esta comparación hay que considerar que para esos controladores PWM necesitamos además una fuente de alimentación, pero podemos comprar excelentes fuentes de alimentación conmutadas de 1 A del tipo "cargador de móvil" por unos 10 € y de potencias mayores por algo más, pero que nos permiten alimentar unos cuantos controladores PWM.