Off topic

Muchas veces me dicen que este blog está cada vez más dedicado a la electrónica, y menos a los trenes, y en parte es cierto, aunque también es verdad que toda la electrónica que aquí se presenta está pensada para el manejo de las maquetas de trenes.

Sin embargo, me van a permitir los lectores que hoy me salga del tema, y comente un tema de electrónica que, en principio no tiene aplicación inmediata para los trenes.

La verdad es que la cosa comenzó cuando por casualidad descubrí un vídeo en You Tube (éste video: https://youtu.be/qi4q5AnY6Ak) En el que se habla de un sistema para producir una corriente de alto voltaje (200 o 300 V) a partir de una pila. En el video, no pasan de un experimento, pero a mi me recordó el tema de los limpiavías Gaugemaster y decidí investigar un poco más en ese tema que fué iniciado en este artículo: Prácticas de electrónica.  Efectivamente el circuito que usa el amigo del video, es un clásico de la electrónica denominado "Excitador Slayer" Este circuito es muy popular como generador de alta tensión para las famosas bobinas de Tesla. Al final pude construir uno y comprobar que funciona, y que en realidad funciona de forma muy parecida al limpiavías de Gaugemaster, aunque éste último,  utiliza una variante del circuito Slayer, seuramente para separar eléctricamente la parte del excitador de la parte por la que circula la corriente de tracción.

Así que me puse a hacer "ingeniería inversa" (forma muy elegante de decir que se está destripando algo para copiarlo) con un Gaugemaster, y la conclusión es que el circuito que utiliza responde al esquema siguiente:

Por cierto, que la primera conclusión que saqué al deducir este esquema es que el limpiavías de Gaugemaster funciona tanto con corriente alterna como con corriente continua, De hecho utilizando el Gaugemaster original y conectándole la entrada a 12 V de continua, con la adecuada polaridad, se obtiene la típica señal de alta frecuencia y alta tensión del Gaugemaster con una frecuencia de 129 kHz y 344 Voltios de pico a pico, mientras que con 16 Voltios de alterna, es decir lo que indica Gaugemaster, la frecuencia es de 58 kHz y la tensión de pico a pico 688. Es decir algo muy parecido, porque el hecho de que la frecuencia sea doble proviene de que cuando funciona con alterna, solo funciona con los ciclos positivos de la tensión de alimentación, mientras que con continua funciona permanentemente.

Tengo en mente tratar de construir un esquema parecido, aunque la dificultad de este montaje reside en el transformador, que no se puede encontrar comercialmente. (y la idea de cargarse una bombilla de bajo consumo para cada circuito, como propone el autor del video,  no me seduce)

Como se puede ver, hasta aquí no me he salido de mi linea de electrónica aplicada a los trenes.

Pero el tema vino a partir de que al estar tratando con frecuencias y formas de onda, pensé que quizá me viniera bien disponer de un generador de funciones. Concretamente es casi imprescindible para ver como se comporta un transformador de alta frecuencia, como es el caso del limpiavías. El generador de funciones es un aparato típico de laboratorio de electrónica, complemento clásico de un osciloscopio, ya que genera las señales que se pueden analizar con el osciloscopio. Lo que pasa es que es un aparato caro, sobretodo en cuanto tiene una cierta calidad.

Generador de Funciones DDS

Cuando compré mi osciloscopio busqué un producto rigurosamente chino, y realmente el más barato que encontré, ya que que para el uso que le doy es más que suficiente. Esa opción me resultó muy acertada y quería repetir la jugada, así que busqué por E-bay y similares productos en esa misma línea. Al final encontré uno por un precio que me pareció de risa, comparado con lo que había estado viendo hasta ahora, así que hice el pedido, y espero recibirlo pronto.

Pero al mismo tiempo, estuve explorando la posibilidad de hacer yo mismo un generador de funciones. La verdad es que puede hacerse, porque hay chips (ICL8038  el XR2206   o el  MAX038)  precisamente creados para usarlos como generador de funciones. Se pueden encontrar en Internet multitud de esquemas que utilizan estos circuitos para construir un generador de funciones casero. Sin embargo acabé por renunciar a esa idea porque el precio del chino que acabé comprando era menor que lo que me suponía a mi comprar los componentes, la caja, la alimentación, y demás para construirme uno.

Un generador de funciones produce señales de varias formas (al menos, cuadrada, senoidal y diente de sierra) con frecuencias muy variables, desde menos de un Herzio hasta varios MegaHerzios y es fundamental que el usuario sepa exactamente la frecuencia que el aparato genera en cada momento, y pueda ajustarla a su voluntad. Por lo tanto, los generadores de funciones, llevan casi siempre un frecuencímetro para indicar la frecuencia de la onda generada. Realmente los generadores de funciones actuales son de dos tipos: Los que generan una onda mediante un chip como el ICL8083, y luego llevan un frecuencímetro para medir la frecuencia, y los que sintetizan la onda con la frecuencia determinada, mediante un microcontrolador. Estos últimos se denominan DDS (Direct Digital Synthesizer), y claro, al final, como todo está en un chip, son los más baratos (el que he pedido es de estos).

Pero al ver los esquemas que circulan por el ciberespacio, me di cuenta que los generadores de funciones autoconstruidos tenían la particularidad de que el frecuencímetro era algo mucho más complicado que el propio generador de funciones. De hecho la mayoría de los generadores de funciones llevan una entrada que permite utilizar el frecuencímetro que llevan para medir una frecuencia externa, es decir para usarlo como tal frecuencímetro autónomo. Como ejemplo copio aquí uno de los esquemas de un generador de funciones que he encontrado por la red:

La parte de arriba a la izquierda con el chip ICL8038 es el generador de funciones y prácticamente todo el resto es el frecuencímetro. Como se aprecia incluye 6 visualizadores de 7 segmentos para presentar las cifras de la frecuencia. Me resultó muy interesante estudiar ese circuito en concreto porque no tenía ni idea de como funciona un frecuencímetro digital, y realmente lo que ha resultado muy interesante es todo lo que he averiguado al respecto, y que es lo que me ha hecho traerlo aquí, a pesar de que como decía, me salgo del tema habitual.

Lo primero que llama la atención es el método que se usa para medir la frecuencia de una señal: Uno tiende a pensar en hacer algo así como generar una onda de frecuencia conocida y compararla con la señal a medir, o bién utilizar una de las propiedades que dependen de la frecuencia como la inductancia de una bobina, para deducir el valor de la frecuencia. Bueno pues la realidad es mucho más sencilla y desde luego mucho más precisa. Simplemente contamos los impulsos de la onda que queremos medir durante un tiempo determinado. Por ejemplo si durante un segundo contamos 820 impulsos la frecuencia es 820 impulsos por segundo, es decir, 820 Hz.  Asi que lo único que necesitamos es un contador de impulsos, algo muy habitual en electrónica digital.

Bueno, para que se puedan contar los impulsos hay que asegurarse de que la señal que queremos medir llega a los contadores con la suficiente potencia. Lo que yo he hecho ha sido poner a la entrada un transistor MOSFET. Estos transistores de efecto de campo se caracterizan por una impedancia de entrada muy alta, de manera que la intensidad que requieren es del orden de microamperios. A la salida del transistor tengo ya la frecuencia amplificada y a la tensión de 12 Voltios que es la tensión a la que trabaja todo el sistema.

Aunque hay varios tipos de contadores, los más habituales son los contadores de décadas, esto quiere decir que un primer contador, que cuenta unidades,  va recibiendo impulsos y contándolos desde cero,hasta 9, y al siguiente impulso pasa otra vez a cero, pero al hacerlo genera un impulso, llamado "de acarreo" que pasa a ser contado por un segundo contador que irá marcando la cifra de las decenas, y así sucesivamente. En el frecuencímetro anterior hay seis cifras o sea que la cuenta puede alcanzar desde 000000 hasta 999999, lo que se suele denominar como un millón de cuentas.

En inglés no se suele hablar de frecuencímetros, sino de frecuency counters es decir contadores de frecuencia, lo que se justifica por esa forma de funcionar.

Para hacer un frecuencímetro necesitamos por lo tanto un contador construido con unos cuantos contadores de décadas conectados en cascada y un sistema que reinicie la cuenta cada cierto tiempo conocido, por ejemplo 1 segundo, de manera que transcurrido ese tiempo, se muestra el resultado de la cuenta y se inicia un nuevo conteo, al finalizar el siguiente periodo, se muestra de nuevo el resultado y de nuevo se ponen a cero los contadores. Así indefinidamente.

Y ahora vienen algunas críticas al circuito de la imagen anterior: Un visualizador de un millón de cuentas es una pasada. Para que tenga sentido tendríamos que tener un sistema con una precisión de una parte por millón. Como eso es imposible, lo que ocurrirá es que con frecuencias bajas los dígitos de la izquierda se desperdician, porque son siempre ceros, y por el contrario si la frecuencia es muy alta, los dígitos de la izquierda serán significativos, pero los de la derecha resultarán completamente inestables porque ni la frecuencia ni el contador tienen suficiente precisión, de modo que oscilarán continuamente las cifras de la unidad y las decenas, por ejemplo, en una frecuencia de decenas o centenas de kiloherzios. En definitiva que tendremos como mucho cuatro cifras significativas, asi que que con cuatro visualizadores numéricos es suficiente, y naturalmente con la posibilidad de tener varias escalas de lectura.

Para hacer varias escalas de lectura se cambia el intervalo de tiempo en que contamos los impulsos. Si por ejemplo tenemos una frecuencia de 820 Hz y leemos cada segundo, el conteo dará 820 y se visualizara 0820 en cuatro visualizadores, Pero si la frecuencia es de 8200 Hz en cada segundo se cuentan 8200 impulsos lo que mostraría 8200 en el visualizador. Pero si cambiamos el periodo de lectura para leer solo durante una décima de segundo ahora la cuenta será de nuevo 0820 que podemos interpretar como 8,2 KHz. Asi que si encendemos el punto decimal a la derecha de la segunda cifra veremos 08.20. Necesitamos por lo tanto un elemento que genere los impulsos para poner a cero los visualizadores que pueda generarlos a intervalos conocidos aproximadamente entre 10 y 0,0001 segundos. En todos estos casos la cuenta dará como resultado un número que indica realmente cuantas veces es mayor la frecuencia de la señal a medir que la frecuencia de los impulsos de borrado. Esta cifra será la que muestre el contador y por eso no son necesarias más que cuatro cifras. Con cuatro cifras la frecuencia a medir puede llegar a ser de 9999 veces la frecuencia de muestreo, asi que si contamos con una frecuencia de 1000 Hz podemos medir frecuencias de 10 MHz

Otra "debilidad" del circuito mostrado es que utiliza como contador el circuito integrado CD4026. Este circuito tiene dos controles, uno para detener la cuenta, y otro para apagar la visualización. Si mantenemos la cuenta funcionando mientras se visualiza el resultado, veremos como los números siguen contando, con lo cual no podremos leer nada. Asi que hay que parar de contar mientras se visualiza el resultado, y luego hay que apagar la visualización y empezar el conteo. O sea que mientras cuenta, los números están apagados y mientras se ven los números no cuenta. Esto no tiene importancia a frecuencias medias y altas porque los números se encienden y se apagan muy rápidamente y no lo apreciamos, pero para frecuencias bajas, donde contamos con intervalos de un segundo o incluso de 10 segundos, se ve claramente que los números parpadean.

La verdad es que, como no podía ser de otro modo, la industria se ha preocupado del tema y tenemos el circuito  CD40110, Este, igual que el anterior, tiene un control para detener la cuenta y otro que que hace es "congelar" la visualización. Así que con este, cuando terminamos la cuenta de un periodo, paramos la cuenta, desactivamos la congelación y el visualizador muestra el resultado. Inmediatamente congelamos la imagen y después ponemos a cero el contador y comenzamos otro conteo mientras se sigue visualizando el resultado del periodo anterior. Con esto tenemos dos ventajas: la primera que los números no parpadean, por baja que sea la frecuencia. La segunda que el tiempo que está la cuenta parada es mucho menor que en el caso anterior, porque antes estaba parada la mitad de cada ciclo y ahora este tiempo puede ser mucho menor, con lo cual la frecuencia de muestreo puede ser casi la mitad.

Así que al final he dedicado unas cuantas, bueno, algo más que unas cuantas horas a diseñar un frecuencímetro digital, y el resultado, en plena simulación de Proteus es el que vemos en la imagen de la cabecera (recomiendo hacer click para ampliarla) . Tiene cuatro cifras y , en teoría, puede medir frecuencias entre 1 Hz y 10 MHz . En la imagen de la cabecera vemos en segundo plano el circuito, con sus visualizadores mostrando la cifra 0.819 Megaherzios. En primer término está la pantalla de osciloscopio virtual y también del generador de funciones virtual. Ya decía antes que los generadores de funciones funcionan muchas veces asociados a osciloscopios.

El generador de funciones está produciendo una onda cuadrada de 820 kHz y 3,40 V de tensión y el circuito está mostrando 0.819 Megaherzios. Hay por lo tanto un error de algo más de un uno por mil.

Es curioso ver en la pantalla del osciloscopio que tenemos los impulsos que se están moviendo por el circuito en el momento de capturar la imagen. La linea amarilla son los impulsos que detienen la cuenta mientras se transfiere al visualizador. La linea azul es la línea que congela la visualización, como vemos opuesta a la anterior. En violeta se ven los impulsos que inicializan la cuenta en cada periodo después que ya se ha congelado la imagen. Estas tres señales tienen en este caso una frecuencia de 1 kHz

En la parte inferior vemos la frecuencia que estamos midiendo que como tiene una frecuencia más alta, exactamente 820 veces más alta, aparece como una banda verde.

He subrayado antes la palabra después porque efectivamente el pulso de puesta a cero, no puede coincidir con el pulso que detiene el contador y copia el resultado al visualizador. Si coincidieran se borraría el resultado antes de quedar congelado. Esto requiere que se generen dos trenes de impulsos, sincronizados con un cierto retaso. No se si hay algún circuito específico que hace esto, supongo que si, pero la verdad es que yo lo he conseguido fácilmente con un par de NE555, de modo que los pulsos de bajada del primero activan el disparo del segundo. Nada original: está en el datasheet del NE555. En el frecuencímetro que he bajado de Internet, utiliza un circuito CD4047 pero me ha parecido demasiado complicado y además seguramente está previsto para los contadores 4026 en lugar de los 40110 que yo he usado.

Bueno, pues como resultado de todo esto, he aprendido un montón sobre todos estos temas de contadores y análisis de frecuencias. Antes decía que esto no tenía mucho que ver con el tema de trenes, pero ya me rondan por la cabeza algunos temas en los que puede tener aplicación. Por ejemplo es elemental poner un velocímetro en mi controlador PWM05

Lo que no se es si voy a construir realmente este circuito como tal frecuencímetro. Es posible que lo haga, simplemente como "práctica de electrónica" y sobre todo para comprobar algunos temas que la simulación de Proteus no me proporciona.