Detectando trenes (de nuevo)

Como ya he comentado varias veces aquí, los foros en los que participo, son muchas veces fuentes de inspiración para comentarios en este blog, e incluso para determinados desarrollos que a veces acaban a la venta en mi tienda.

Un tema que surge periódicamente en esos foros es el de los llamados "gestores de bucle de retormo" Como ya comenté en algún artículo anterior (Bucles de retorno) cuando tenemos un sistema de vía que lleva un polo de la corriente por un carril y el otro polo por el otro carril, hay trazados en los que acaba juntándose un carril con el otro, lo cual produce un cortocircuito. La forma de evitar el cortocircuito es establecer unos aislamientos que interrumpen la continuidad eléctrica de los carriles, dejando un sector aislado a lo largo del trazado dentro del bucle. Esto requiere un sistema que vaya proporcionando corriente al sector de vía que hemos aislado de esa forma, según los trenes van circulando por el bucle, de manera que el tren reciba en cada momento la corriente que necesita para circular sin interrumpirse. Hay básicamente dos formas de hacer esos gestores de bucle:

La más popular es utilizar unos circuitos electrónicos que detectan si en algún momento, mientras el tren circula por el trazado que incluye el bucle, se produce un cortocircuito cuando el tren comienza a pasar sobre unos de los puntos de la vía donde hay un corte y un aislamiento. Si es así, es porque la polaridad de la corriente a uno u otro lado del aislamiento no coinciden, y entonces el gestor, rápidamente cambia la polaridad a la zona aislada del bucle de manera que hecho este cambio la polaridad ya coincide y el tren atraviesa el punto aislado sin ninguna irregularidad.

El sistema es un poco a lo bruto porque no actúa hasta tanto no empieza a aparecer el cortocircuito, pero con los sistemas actuales electrónicos el tiempo de actuación es de microsegundos y no se llega a notar nada.

El problema es que cuando el tren va a salir de la zona aislada, si la polaridad no coincide, el gestor cambia la polaridad de esa zona sobre la que está circulando el tren. Esto en el caso de trenes digitales no tiene importancia porque la corriente digital es alterna, pero si la tiene si se trata de trenes analógicos, porque si cambiamos la polaridad de la zona de vía por la que está circulando el tren, éste inmediatamente comenzaría a circular hacia atrás.

Asi que este sistema no sirve más que para trenes digitales. De hecho estos gestores de bucle para digital son unos aparatos bastante complicados técnicamente. Sin embargo su aplicación práctica es sencilla, porque basta aislar la zona de vía del bucle, y alimentarla desde el gestor de bucle que a su vez recibe la corriente digital desde la central, asi que los usuarios están encantados (una vez que que se les ha pasado el susto del precio que tienen)

La segunda forma de abordar el problema es detectar cuando un tren va a llegar a uno de estos puntos de aislamiento y actuar antes de que el tren llegue al punto de aislamiento. Esto requiere un sistema que detecte el paso de un tren por un punto determinado de la vía y eso se puede hacer de varías formas, por ejemplo mediante una vía de contacto, o mediante un sensor Reed o Hall situado en la vía que se activa mediante un imán situado en la locomotora.

Hacer esto para realizar la misma función que un gestor de bucle electrónico para un sistema digital no requiere más que un relé biestable y cuatro sensores. El precio es irrisorio y el funcionamiento perfecto. El circuito para hacerlo está publicado en el artículo antes referido. pero puede verse de nuevo en la imagen siguiente a estas lineas

Curiosamente muchos aficionados que ven esta solución como una "chapuza" y se declaran defensores a ultranza del gestor digital. No entiendo muy bien esta postura, en primer lugar por una cuestión de precio y en segundo lugar de seguridad de funcionamiento, porque aunque antes dije que los usuarios estaban encantados, luego parece que la realidad es un poco más dura*

Parece que esta postura se basa, en que hay algo más de cableado que realizar y sobre todo en la necesidad de colocar imanes en las locomotoras y sensores en las vías. Realmente la colocación de imanes en las locomotoras es algo tan sencillo como esto:

Y en cuanto a la colocación de sensores, en este caso de tipo Hall se han visto aquí muy recientemente por ejemplo en "Estacion oculta y IV"

Pero lo que más me llama la atención es que el tema de los imanes en las locomotoras y los sensores en las vías está universalmente aceptado en instalaciones digitales en las que se quiere  hacer un sistema de bloqueo automático sin recurrir al control por software. De hecho cada vez se usa más el sistema de frenado ABC para los trenes digitales, que requiere un funcionamiento basado precisamente en unos relés que mediante unas cadenas de diodos introducen, o no, una asimetría en la señal digital, activando así una frenada progresiva de los trenes, cuando estos se paran antes de entrar a un bloque ocupado.

Si nadie cuestiona el sistema de relés y sensores en una instalación digital cuando se emplea  para hacer un bloqueo automático, ¿porqué se cuestiona tanto para hacer un gestor de bucle?

Bien, estoy de acuerdo que es más fácil instalar un gestor de bucle electrónico para resolver un bucle de retorno en digital que hacerlo mediante el sistema de relés, sobre todo porque el primero nos lo dan hecho, metido en una caja y con simples instrucciones, mientras que la solución basada en relés pasa por comprar los componentes y trastear un poco sabiendo lo que hacemos. Es posible que si alguien hiciese un sistema metiendo en una caja con el relé y todo el cableado poniendo unos terminales para conectarlo, sería más facil convencer a algunos defensores del sistema electrónico.

Por cierto, que una de las ventajas de un sistema basado en relés y sensores es que puede hacerse también para resolver un bucle de retorno en analógico. El cableado es distinto que para el caso digital, pero se resuelve con igual facilidad. De hecho si nos limitamos a que el bucle se recorra siempre en el mismo sentido el circuito para analógico es más sencillo que para digital, ya que solo se requiere un sensor en vez de cuatro. El esquema sería este:

Por cierto, que resulta muy curioso que entre los aficionados que utilizan trenes analógicos está muy extendida la leyenda de que no se puede resolver de forma automática un bucle de retorno en analogico **. La imagen anterior es una demostración de que si puede hacerse, y con un solo sensor situado en D.

También hay otra forma, incluso más sencilla utilizando uno de mis controladores con cambio electrónico de sentido de la marcha como el PWM72,  PWM73SI,  o PWM74TM. En las instrucciones de estos controladores está el esquema correspondiente.

No se si existen gestores de bucle para analógico comerciales que funcionen por el principio de detección del cortocircuito como los digitales, pero debo decir que yo no los conozco. Y no me extraña no conocerlos porque hay un problema de base que luego comentaré.

Como vemos los sistemas basados en sensores y relés tienen a favor el bajo coste y la sencillez y en contra el que dependan de sensores e imanes que pueden ser engorrosos. Por contra los electrónicos se instalan con facilidad pero son más caros y su funcionamiento es más delicado.

Al decir que su funcionamiento es delicado, me refiero a que están hechos específicamente para trenes digitales y aún asi se dan casos de que con algunas centrales dan problemas. Por el contrario los basados en relés tienen la gran ventaja de que un relé funciona con cualquier tipo de corriente analógica o digital, y dentro de las analógicas podemos usar corriente rectificada o corriente PWM o incluso podemos tener instalado un limpiavías de tipo Gaugemaster que inyecta una corriente de alta tensión y alta frecuencia en la vía. Todo eso funciona perfectamente con los gestores basados en relés.  Pero además la corriente analógica puede cambiar de polaridad, cuando queremos que el tren cambie de sentido, y lo que es todavía peor, en un tren analógico, cuando llevamos el control a cero de velocidad, es habitual que la tensión en la vía sea realmente nula. Por lo tanto un sistema de detección electrónico puede no localizar una locomotora parada en la vía.  Por el contrario, como los sistemas basados en sensores dependen solo de los imanes y los sensores para detectar un tren, no importa que tipo o cuánta intensidad de corriente está consumiendo el tren.  De hecho si desconectamos la corriente de la vía y movemos el tren empujándolo con la mano, si pasamos sobre un sensor ¡el tren será detectado! Por esto decía antes que sospecho que no hay sistemas electrónicos para gestión de bucles analogicos.

Algo muy parecido ocurre con los sistemas de acantonamiento o bloqueo automático. Aunque ya he dicho que en estos casos, los sistemas basados en relés y sensores están socialmente admitidos, podemos encontrar detectores electrónicos que determinan si en determinado bloque o cantón hay o no un tren (son los llamados "retromódulos") y detectores basados en sensores y relés que también determinan si un cantón o bloque está libre u ocupado.

Como antes, los retromódulos solo funcionan en instalaciones digitales y su funcionamiento se basa en que la corriente que alimenta cada cantón se hace llegar desde la central a través del retromódulo, y por lo tanto ese dispositivo puede determinar si en el cantón que alimenta hay o no una locomotora midiendo si hay consumo de corriente. Como una locomotora digital siempre recibe corriente y siempre consume algo de intensidad en el decoder, el retromódulo devuelve una señal electrónica para indicar si el cantón está ocupado o no.

¿Podemos hacer lo mismo en analógico? En principio no, aparte de porque sería complicado lidiar con todos los tipos de corriente que antes relacionaba, incluyendo el cambio de polaridad y los limpiavías, sobre todo por el hecho de que una locomotora que se queda parada en una vía, por ejemplo en el tramo de parada donde se detienen las locomotoras cuando están a la espera de que se libere el cantón siguiente, se queda totalmente sin corriente, de hecho se queda sobre un carril desconectado de la alimentación, asi que es indetectable por cualquier sistema basado en el consumo.

Por eso los sistemas basados en sensores y relés son muy prácticos, ya que como antes decía no dependen para nada de la corriente que alimenta la locomotora sino del hecho de pasar sobre los sensores.

Sin embargo no todo son ventajas: el sistema de detección por sensores se basa en situar un sensor al principio y al final de cada cantón. Si el sensor de entrada se activa, asumimos que el cantón está ocupado y que lo está hasta que se activa el sensor situado en la salida del cantón (que normalmente funciona también como sensor de entrada en el cantón siguiente) El problema es que esto puede ser real o no. Por ejemplo:

• Si ponemos con la mano una locomotora en un cantón, como no ha pasado por el sensor de entrada, el cantón se seguirá considerando libre. Análogamente si quitamos manualmente una locomotora de un cantón el cantón queda ocupado aunque no hay ninguna locomotora en él.  Lo mismo ocurre si hay desvíos que permiten entradas y salidas laterales a un cantón si no tienen sensores, y si los ponemos se llega a situaciones muy complejas
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• Si por error había dos trenes en un mismo cantón cuando el primero sale el cantón pasa a considerarse libre aunque haya queda el segundo tren dentro del cantón.
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• Cuando ponemos en marcha la maqueta, los trenes están indetectados, y por lo tanto todos los cantones libres hasta que no empiezan a moverse trenes y a activar sensores (Los relés biestables pueden "guardar memoria" de la situación al apagar la maqueta, pero nada garantiza que la situación no haya variado)

Todos estos casos dan lugar a situaciones erróneas lo que obliga a tener un sistema que permita modificar manualmente la situación de ocupación de cada cantón para ajustarla a la realidad.

Por el contrario los detectores de ocupación no tienen ninguno de esos problemas: detectan la presencia de una locomotora desde el primer momento y continuamente, en cualquier parte del cantón, y si la locomotora está, haya llegado como haya llegado, el cantón se considera ocupado y si no hay ninguna locomotora se considera libre. No se puede dar ninguna situación irreal, y por lo tanto no se necesita un sistema para intervenir manualmente. La única forma de hacer que un cantón que está ocupado pase a estar libre es quitar de la vía la locomotora que la ocupa. Por otro lado los cantones pueden ser todo lo complicados que queramos, con múltiples entradas y salidas. Si una locomotora entra por donde sea, ocupa el cantón, y lo desocupa al salir.

Puestas así las cosas es evidente que si se pudiese hacer un sistema de detección de ocupación para sistemas analógicos, podría ser algo útil. Tendría todas las ventajas del párrafo anterior y sería sencillo de instalar al no necesitar sensores ni imanes.

Por eso en alguna ocasión he querido diseñar algún sistema de detección de ocupación que pudiera usarse con trenes analógicos. Como ya he dicho las diferentes posibilidades de alimentación hacen casi imposible algo que sea universal, pero bueno, como me dedico exclusivamente a sistemas que funcionan con corriente PWM, se me ocurrió si no sería posible hacerlo para mi sistema.

La verdad es que no es la primera vez que me da por este tema. Concretamente en Marzo de 2014 (hace ya cuatro años!) publiqué aquí tres artículos: "Detectando trenes (I)"  "Detectando trenes (y II)" y "El otro sistema" donde venia a contar mis experimentos sobre este tema, y hasta hice un proyecto de circuito que debería haber funcionado según esta idea.

La idea es que yo puedo hacer un dispositivo que detecte si de un controlador PWM está saliendo corriente, incluso aunque el controlador esté al mínimo. Todos mis controladores mantienen una mínima salida, incluso con el regulador a cero, y eso, que realmente no es algo buscado, tiene varias ventajas: La primera que las luces de las locomotoras se mantienen encendidas incluso con la locomotora parada, y la segunda que es posible detectar si esa salida tiene o no alguna intensidad. En realidad, con el regulador al mínimo, el controlador produce una salida que es una onda cuadrada, cuyos pulsos son muy estrechos (del orden del 1% del periodo) pero cuya altura es la de la tensión de entrada. Esos estrechos picos pueden mantener cargado un condensador y por lo tanto en este condensador tendré tensión si hay consumo, o el condensador se descargará en un segundo o menos si no hay consumo. A partir de esa tensión ya se si tengo o no consumo, es decir si el cantón que estoy alimentando tiene una locomotora por la que esté circulando esa minima corriente o no.

Lo que hago es derivar una parte de la corriente de salida por un optoacoplador para de esta forma tener un sistema con la sensibilidad suficiente. La corriente de colector de este optoacoplador es la que da la corriente que carga el condensador.

Esto ya lo hice en aquella ocasión, y me funcionó bien, pero los optoacopladores me dieron muchos problemas. Sobre todo porque son muy delicados y no resisten demasiada intensidad. El problema es que con el controlador a plena carga, el controlador puede llegar a entregar un par de amperios, mientras que un optoacoplador no resiste más de 50 mA, Si pongo un divisor 1:40 para tomar la parte proporcional, tendré los 50 mA a toda potencia pero entonces con la corriente mínima el optoacoplador no llega a funcionar, y si derivo una intensidad mayor el optoacoplador se quema cuando el controlador da la salida máxima.  Yo creo que éste fué el problema que me paró en este desarrollo hace cuatro años.

Cuando ahora me he puesto de nuevo con el tema, he llegado al mismo problema que entonces, aunque ahora lo he detectado en fase de diseño con el simulador de Proteus, y no después de hacer una placa y montar un circuito como entonces. Después de más de una semana, buscando alternativas y probando soluciones he llegado a una sencilla solución: Si la corriente que sale del controlador hacia la vía la hago pasar por un diodo en sentido directo tendré entre los bornes de ese diodo una tensión igual a la caída directa de tensión del diodo (del orden de 1 V para un 1N4007) y esta tensión es casi invariable para cualquier intensidad que circule por el diodo. Con 1 V no se activa el octoacoplador, ya que necesita entre 1,2 y 1,4 V mínimo, pero poniendo dos diodos en serie, problema resuelto.

En la imagen de cabecera vemos el diseño que he estado probando con el simulador. No es proyecto constructivo, sino solamente se trata de probar el funcionamiento. De hecho en la imagen hay dos circuitos iguales, uno arriba y otro abajo que representan a los detectores de dos cantones contiguos.

En el margen derecho se ven cuatro motores que hacen el papel de las locomotoras. Junto a cada motor hay un interruptor, de manera que el interruptor cerrado simula que hay una locomotora en ese cantón y el interruptor abierto simula la ausencia de locomotora. Para cada cantón hay dos posibles situaciones de la locomotora, la segunda de las cuales corresponde a que la locomotora esté en el tramo de parada, y la la primera en cualquier otra posición.

Por cierto que no he dicho como consigo que la locomotora se quede parada en el tramo de parada, si es que le corresponde pararse, y aún así seguir siendo detectada

Pero bueno, algo habrá que dejar para un próximo capítulo.

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* Vease este hilo del blog Plataforma-N: http://www.plataforma-n.com/index.php?topic=31222.0

** Y no solo entre los aficionados: también entre los profesionales. Véase por ejemplo lo que dice esta página (texto bajo la imagen) de un conocido comercio del sector.http://www.trenes-aguilo.com/publico/digital/Otros/slx805.htm