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.

CDU

Siguiendo la línea del anterior artículo, acerca de sencillos circuitos que cualquiera puede construir, voy a dedicar éste a la forma de hacer un circuito de CDU (Capacitor Discarge Unit). Como ya quedó claro en el artículo David contra ..Titán  una CDU crea impulsos de corriente muy fuertes pero de muy corta duración, lo que hace que los desvíos se muevan con mucha seguridad, y al mismo tiempo queden protegidos contra la posibilidad de que se quemen sus bobinas.

 La alternativa, que sería utilizar un transformador de gran potencia, tiene el inconveniente de que produce alta corriente durante un tiempo ilimitado, lo que puede quemar el motor de un desvío que por la razón que sea se queda conectado durante demasiado tiempo. Por otra parte un transformador grande es caro, mientras que con una CDU se puede utilizar un pequeño transformador, mucho más barato.

El circuito de una CDU es muy sencillo. En la imagen de cabecera de este artículo vemos el esquema, que consta de cuatro diodos (1N4007) y un condensador.  La entrada del circuito (conector J3) se conecta a un transformador que nos proporcione una tensión de unos 15 Voltios y preferentemente de una intensidad limitada, por ejemplo 200 o 300 mA . Un transformador de estas características  como el de la derecha, vale unos 10 € en una tienda de electrónica.

Los cuatro diodos forman lo que se llama un puente rectificador, de manera que la corriente que llega al condensador está rectificada, El condensador se carga entonces a la tensión de pico que para los 15 voltios de la entrada resulta ser 15 x 1,41 = 21,15 Voltios. El condensador deberá ser entonces de una gran capacidad y capaz de aguantar los 21,15 voltios. Yo he usado uno de 33000 uF y 25 V.

Seguramente lo más complicado de este circuito es encontrar un condensador de estas características.  Lo podemos localizar por ejemplo aquí, y como vemos a un precio de unos 6 €.

Por lo tanto, este circuito recibe corriente alterna de 15 V, y produce en la salida corriente continua de 21 Voltios. En los bornes de salida, J4, conectaremos toda la instalación de desvios, exactamente igual a como lo haríamos a partir de la salida de accesorios de un transformador clásico.  En el esquema, se ha marcado cual es el borne positivo y cuál el negativo, pero para mover desvíos esto no tiene importancia. Como digo la corriente producida es continua, y como ya vimos en un artículo anterior, (Tangana electromagnética) esto es incluso mejor que la corriente alterna para manejar los desvíos. Si utilizamos algún tipo de circuito de señalización como los presentados en el capítulo anterior (Circuitos sencillos) si que habrá que tener en cuenta cual es el polo positivo y cual el negativo.

Para un circuito como éste, resulta muy apropiado utilizar una placa perforada de montaje. Estas placas son realmente un circuito impreso que viene perforado con taladros situados a la distancia standard de los pines de los componentes (una décima de pulgada) y que lleva pistas de cobre paralelas. Estas placas, como digo son prácticas para montajes sencillos, ya que permiten colocar y soldar los componentes y crear el circuito necesario a base de hacer puentes de alambre que unan unas pistas con otras y a base de cortar las pistas en el punto que interese.

La única precaución a tomar es no confundir la polaridad de ninguno de los componentes, y situarlos todos en el sentido correcto.

Hecho esto, vamos a probarlo. Para ello he usado el montaje de dos desvíos Fleishmann de escala N colocados con dos motores bajotablero de PECO (PECO PL-10). Para manejarlos he usado una botonera de Märklin. El hecho de usar una botonera es para enfatizar que el método de manejo de los desvíos es el clásico, es decir dos pulsadores. Por supuesto puede usarse cualquier sistema que permita hacer un contacto momentáneo para alimentar una u otra bobina, asi que pueden usarse pulsadores de electrónica, conmutadores (on)-off-(on), o determinados circuitos electrónicos.

En el video siguiente, puede verse la prueba y se comprueba que con el circuito de CDU y el pequeño transformador de solo 300 mA es posible mover estos motores de PECO que tienen fama de ses muy glotones.  De hecho, como se ve en el video, inicialmente cada desvío está conectado a una pareja de pulsadores, con lo que movemos cada desvío independientemente, pero al final se conectan los dos desvíos en paralelo, y vemos que incluso entonces ambos desvíos se mueven al unísono y con una gran potencia.



Es una lástima que en el video no se aprecie con claridad la forma en que se mueven los desvíos, pero es espectacular la rapidez con que lo hacen, con un golpe seco y sin los zumbidos característicos de los desvíos movidos por corriente alterna.

Desde mi punto de vista, merece la pena la pequeña complicación que supone el incluir una CDU como sistema de alimentación para los desvíos, por la seguridad que aporta al manejo de los mismos.

Aunque aquí la hemos visto actuando sobre motores de desvío muy potentes, como los PL-10 de PECO, hay que decir que esta misma CDU funciona igualmente con desvíos mucho menos exigentes. en cuanto a intensidad. De hecho he probado esta misma CDU con desvíos de escala Z y han funcionado sin problemas. Estos pequeños desvíos, según Marklin deberían moverse alimentados por corriente alterna de 10 Voltios. Todos los aficionados a esta escala saben que con esa forma de manejo, los desvíos se mueven débilmente y muchas veces fallan. La solución a eso es utilizar un circuito de alimentación por CDU como el que hemos visto en este artículo.

Puede sorprender que diga que puede usarse perfectamente esta CDU que da más de 20 Voltios de corriente continua, para unos desvíos previstos para 10 Voltios de corriente alterna. La clave está en que esos 20 V sólo actúan durante décimas de segundo, por lo cual, no da tiempo a que se calienten las bobinas de los desvíos y en cambio si que produce un fuerte impulso que mueve el desvío con mucha más seguridad que con la corriente alterna. Además al ser continua se evita el ruido a chicharra de los desvíos.

Algo a tener en cuenta cuando usamos una CDU es lo siguiente: Cuando manejamos los desvíos con pulsadores tal como vemos en el video (o con cualquier otro sistema de contacto momentáneo) durante el tiempo que está el pulsador cerrado, toda la corriente que circula por el desvío pasa por el pulsador que estamos usando. En el caso por ejemplo de un motor de desvío PECO PL-10, cuya resistencia de cada bobina es de solo 4,5 Ohmios, y teniendo en cuenta que la tensión inicial del condensador es de 21 V, la corriente que circula por la bobina y por el pulsador de de 4,66 Amperios. Sólo dura décimas de segundo, pero es una corriente bastante importante. Por supuesto, si ponemos dos desvíos en paralelo como en el vídeo, la corriente será el doble, casi 10 Amperios.

Esta fuerte corriente dura sólo décimas de segundo, por lo que no tiene efectos como podrían ser el calentamiento de los cables, pero si que puede hacer que los contactos de los pulsadores se fogueen, y acaben fallando. Y lo que si hay que tener en cuenta es que con estas intensidades no podemos utilizar determinados elementos para activar los desvíos. Me refiero por ejemplo a sensores de tipo Reed, cuya máxima intensidad suele estar entre 100 y 500 mA, y mucho menos a sensores Hall, cuya intensidad máxima es del orden de 50 mA.  Esta limitación no es algo exclusivo del uso de una CDU, puesto que si recurrimos a la alternativa, es decir a transformadores capaces de dar grandes intensidades, estaremos en las mismas (bueno, peor: porque los transformadores mantienen indefinidamente la intensidad) pero como la punta de intensidad de una CDU puede ser muy alta, hay que considerarlo.

Una solución muy buena, es hacer un sistema que active los desvíos electrónicamente. Con ello se consiguen varias ventajas, entre ellas que se pueden activar con intensidades mínimas, y por lo tanto aptas para cualquier sensor Hall o Reed, Aparte presentan otras ventajas como la posibilidad de accionarlos con señales independientes, la posibilidad de disponer de leds de señalización en un tablero de control, etc.

Pero esto será objeto de un próximo artículo.

Circuitos sencillos (I)

Es posible que algún seguidor de este blog, se haya sorprendido un poco de la tardanza en publicar un nuevo artículo. La verdad es que he tenido unas semanas complicadas con temas de salud, nada grave afortunadamente, pero que me han tenido un poco alejado del tema. Prometo retomar la afición inmediatamente.

Sin embargo, en esos días un poco retirado, he seguido manteniendo el contacto con varios foros, y he visto que me han hecho bastantes preguntas acerca de circuitos electrónicos, para conseguir determinados automatismos. He llegado a la conclusión de que cuando publico aquí algún esquema electrónico, suele ser bastante elaborado y seguramente muy complicado para la mayoría de los aficionados, pero que muchas veces, estos mismos aficionados desearían resolver algunos automatismos muy sencillos, y que son los que me piden en los foros. Así que voy a dedicar al menos este artículo a algunos circuitos electrónicos muy sencillos, que cualquiera puede construir.

Empiezo por hablar de los circuitos "latch" que ya he comentado en alguna ocasión. concretamente de los 4043 y 4044.

Estos circuitos tienen cuatro sectores o canales  independientes así que pueden usarse para varios automatismos distintos. La palabra latch en inglés significa cerrojo, y hace alusión a que éstos circuitos actúan como un cerrojo que puede ponerse en dos posiciones distintas y permanece en ellas indefinidamente.

En castellano suele emplearse la palabra "enclavamiento" que tiene un significado parecido, ya que indica que este dispositivo cuando se pone en una posición se queda enclavado aunque cese la causa que lo ha movido a esa posición.

Cada uno de los canales tiene dos entradas denominadas S y R (set y reset).Cuando la entrada Set se activa el canal queda activado y cuando la entrada Reset se activa el canal queda desactivado.

El que un canal se active significa que en su salida, denominada Q, aparece una tensión positiva, y cuando se desactiva la tensión en Q es cero.

Asi que refiriéndonos a la figura anterior, en el CD4043,  si S1 (pin 4) se pone momentáneamente a 12 Voltios, Q1 se pone a 12 Voltios y permanece indefinidamente así. Cuando R1 se pone momentáneamente a 12 Voltios Q1 se pone a cero voltios y permanece indefinidamente así.

Nótese que tanto las S como las R se mantienen normalmente a 0 V y sólo momentáneamente pasan al valor alto (12 v) para activar o desactivar el canal

El CD4044 funciona igual pero con "logica negativa" es decir las entradas S y R deben mantenerse permanentemente a nivel alto (12 V) y cuando momentáneamente pasa a valor 0, activan o desactivan el correspondiente canal. La activación se manifiesta como antes en que la salida Q se pone a valor alto.

He hablado de tensiones de 12 Voltios. Una ventaja de estos circuitos es que pueden funcionar con 12 Voltios, lo que es un valor muy normal en maquetas de trenes. Pero Ojo: Hay que usar corriente continua de 12 Voltios bien filtrada y estable, No es válida por ejemplo una corriente simplemente rectificada.

Cada circuito requiere una alimentación de 12 Voltios que se conecta con el negativo al pin 8 (Vss) y con el positivo al pin 16 (Vdd). Además hay que conectar también el positivo al pin 5  (ENABLE)

Como cualquier tensión la medimos respecto del terminal negativo,  la tensión del pin 16 debe ser siempre 12 V y la tensión de los terminales Q será 0 o 12 Voltios respecto del negativo, según el canal esté o no activo. En electrónica es habitual que el negativo de la alimentación se tome como referencia de tensiones, y lo llamamos entonces masa o tierra y medimos cualquier tensión con esa referencia. Esto quiere decir que cuando decimos que un punto tiene una tensión por ejemplo de 12 voltios queremos decir que si ponemos un multímetro con la pinza negra en el polo negativo de la alimentación, y tocamos el punto que queremos medir con la punta roja, nos dará la tensión de ese punto. Ordinariamente en un circuito lógico, como estos no hay tensiones intermedias, asi que o hay cero voltios o hay 12 Voltios (si es que la alimentación es de 12 voltios) Los puntos que están a cero voltios decimos que están a valor bajo, y los que están a 12 Voltios decimos que están a valor alto. En algunos esquemas se representan las tensiones alta y baja con un punto rojo o azul, pero eso es EN UN ESTADO DETERMINADO del circuito. Cuando el circuito funciona estas tensiones pasarán de alta a baja o viceversa según vaya evolucionando el funcionamiento.

Como con cualquier otro elemento, es muy conveniente buscar en Internet el "datasheet" del integrado que queremos utilizar. En este caso, este es el datasheet: CD4043/CD4044

En él podemos ver algún dato interesante: por ejemplo que la tensión de alimentación (Vdd) puede llegar a 20 Voltios (por eso el valor de 12 V es  apropiado) y que la corriente máxima de salida es de 6.8 mA alimentado con 13,5 V (asi que con 12 algo menos)

Quiere esto decir, que en las salidas de este elemento no podemos conectar ninguna carga que necesite una mayor intensidad. Estos circuitos están preparados par producir una "señal" que enviada a otro circuito hace lo que sea necesario. Lo que si podemos conectar directamente es un led, y muchas veces eso es lo que queremos.

Veamos entonces este circuito:

A la izquierda vemos un circuito 4043 y los elementos necesarios para encender y apagar el led D1. Si nos fijamos las resistencias R2 y R3 mantienen a cero la tensión de las entradas S0 y R0 del primer canal. En estos esquemas los puntos azules indican tensión baja (0 V) y los puntos rojos tensión alta (12 V)  También en este esquema los canales se numeran 0, 1, 2, y 3 en lugar de 1, 2 ,3 y 4 como en el anterior, asi que el pin 4 que es el Set del primer canal antes se llamaba S1 y aquí se llama S0. La salida del primer canal es Q0 que es el pin 2 y a él conectamos el led con su correspondiente resistencia limitadora.

Un par de advertencias más sobre este tipo de esquemas: Como se ve, no se representan los pines 8 y 16 que son los de alimentación. Se supone que "ya se sabe" que el integrado debe llevar alimentación. Tampoco se representa el pin 13 del 4043 ni el pin 2 del 4044, sencillamente porque estos pines "NC" no están conectados a nada.

También se ve que los pines no se representan en el orden físico en que están presentes en el integrado, y que es el representado en la primera figura. Aquí se representan las entradas a la izquierda, y las salidas a la derecha, haciendo que sea fácil representar un esquema en el que se pueda representar el flujo de información de izquierda a derecha. Todo ello, como se ve, está hecho con la intención de que sea fácil representar y entender el FUNCIONAMIENTO del circuito pero por el contrario no pretende representar el aspecto físico del circuito. Hay que entender esto porque muchos principiantes tienden a interpretar que estos esquemas representan la forma de construir el circuito, y NO ES ASI. Con estos esquemas se pretende que sea fácil entender el funcionamiento del circuito, paso imprescindible para abordar su construcción, pero la realización práctica del circuito es otro tema muy distinto.

Por lo tanto, lo primero es siempre entender cómo funciona el circuito, y para ello vamos a seguir el circuito anterior:

Cuando presionamos uno de los pulsadores, por ejemplo B2, la tensión VCC alcanza el pin R0 y por lo tanto "resetea" (apaga) el canal 1, asi que la tensión en Q0 cae a cero y el led se apaga.

A la derecha, vemos el mismo esquema pero hecho con lógica negativa y con el 4044. Aquí las entradas R0 y S0 se mantienen a tensión alta gracias a las resistencias R5 y R6. Cuando pulsamos por ejemplo B1 la tensión de R0 cae a cero voltios y entonces el canal 0 se resetea, la tensión Q0 cae a cero y el led se apaga.

Ambos circuitos son equivalentes. Muchas personas "ven" mejor el de la izquierda, pero en general se prefiere el de la derecha por varios motivos. Uno bastante importante para nuestro caso, es que en el segundo circuito los pulsadores cuando se cierran hacen conexión a masa, y eso es compatible con una serie de dispositivos (por ejemplo los sensores Hall) que no se podrían utilizar en el caso primero.

Bien, con esto encendemos y apagamos un led, pero eso no parece mucho, aunque si tiene algunas aplicaciones: Por ejemplo si queremos saber si un tramo de vía está ocupado o no, podemos poner un sensor (reed o hall) al principio del tramo y otro al final Estos sensores harán el papel de los pulsadores B1 y B2 de manera que cuando el tren entra se enciende el led que indica que el sector está ocupado, y cuando sale activa el segundo, con lo que se apaga el led.

Obsérvese que algo tan sencillo como ésto, requiere en el modo clásico un relé biestable de dos bobinas, de manera que una se accione con un sensor a la entrada y la otra con un sensor a la salida.

Por supuesto que funcionaría igual con el relé, pero un relé biestable de 12 voltios (comprado en tienda de electrónica) vale unos 3 euros y uno de estos circuitos integrados vale 30 céntimos y tiene cuatro canales, asi que el relé sale cuarenta veces más caro. Además puede ser bastante más dificil encontar esos relés.

En muchos casos, los aficionados lo que quieren es manejar un semáforo ( realmente me refiero a una señal luminosa ya que el nombre de semáforo habría que reservarlo para las señales mecánicas) Estos semáforos no son más que un montaje con dos leds, que suele traer ya las resistencias limitadoras incluídas y también un diodo, para que se pueda conectar a corriente continua o alterna.

El problema es que un semáforo no se puede manejar directamente con pulsadores (o quien dice pulsadores dice sensores reed o hall, etc) porque estos elementos producen un contacto momentáneo, y nosotros queremos que la luz cambie y permanezca encendida.

De nuevo la forma clásica de solucionar el tema es poner un relé biestable que mantenga una u otra posición después de pulsar el botón correspondiente. Sin embargo, por mucho menos dinero podemos hacer este circuito:

El recuadro representa el típico semáforo construido con un led rojo y otro verde. Normalmente estos semáforos llevan en los propios cables dos resistencias y un diodo que son los representados aquí con R4, R7 Y D1. Esto está previsto para que se pueda conectar el semáforo a corriente alterna. En algunos casos este diodo y resistencias van en el interior del semáforo asi que no son visibles.

Como se ve en la imagen, está activado el segundo canal, asi que la salida Q1 está a nivel alto y por lo tanto el led verde está encendido. Como se ve, el pulsador B1 actúa tanto sobre el set del primer canal (S0) como sobre el reset del segundo canal (R1) asi que al pulsar B1 se activa el primero y se desactiva el segundo. Con ello Q0 pasará a nivel alto, encendiendo el led rojo, y  Q1 pasará a nivel bajo, apagándose el led verde.

Sin embargo aquí hay una precisión que hacer: Hay dos tipos de semáforos, según su construcción. El representado en la figura anterior es el tipo "cátodo común" llamado asi porque los cátodos de los dos leds se unen en un punto, y de ahí sale el cable que va al diodo. Ningún fabricante nos va a decir si sus semáforos son de tipo "ánodo común" o de tipo "cátodo común" y normalmente no importa porque su uso habitual es con corriente alterna. Sin embargo aquí si es importante saberlo.

Hay una forma fácil de averiguarlo: Con una pila de 9 V conectamos el cable común (normalmente negro) a un polo de la pila y uno de los otros dos (normalmente verde y rojo) al otro polo. Si no luce el led correspondiente, intercambiar los cables. Con una de las dos posturas lucirán los leds.

Si las luces funcionan con el cable común unido al negativo de la pila, el semáforo es de cátodo común, como el representado en la figura anterior. Por el contrario, si funciona con el hilo común unido al polo positivo de la pila, el semáforo es de ánodo común.

Y ¿cómo hacemos si el semáforo es de ánodo común? la solución más sencilla es la siguiente:

Como vemos ahora, los ánodos de ambos leds son los que están unidos en un punto del que sale el cable común que es el que lleva el diodo.

La verdad es que en la mayoría de los casos, los semáforos comerciales son de construcción como ésta, o sea de "anodo común"

Cuesta un poco más ver como funciona este circuito, porque parece que va al revés de "lo natural" Si nos fijamos en la imagen, la salida Q0 está a nivel alto (tiene el punto rojo) y sin embargo el led correspondiente que es el rojo, está apagado.  Por el contrario, el segundo canal está desactivado, así que Q1 está a nivel bajo (punto azul) y sin embargo el led verde está encendido.

El truco está en que por el otro lado, por el hilo común, están conectados a la tensión alta. Asi que el led rojo tiene tensión de 12 V a ambos lados, así que como no hay diferencia de tensión no se enciende, mientras que el led verde tiene 12 voltios en el ánodo que vienen por el hilo común pero tiene cero voltios en el cátodo porque está conectado a la salida Q1 que está desactivada y por tanto a nivel bajo.

En este montaje el canal activado del 4044 apaga el led, y el desactivado lo enciende. Bueno, es lo mismo que decíamos inicialmente con la "lógica negativa" la tensión positiva está siempre presente y el elemento funciona cuando "cerramos el circuito a tierra",

Como puede verse, para estos montajes se usan dos canales del 4044, asi que quedan otros dos que podrían usarse para un segundo semáforo.

El pequeño vídeo que figura como encabezado de este artículo, es exactamente este último circuito montado en una protoboard. Como se puede ver funciona muy bien. Lo digo para los incrédulos que no hayan quedado convencidos con eso de que el led se enciende cuando lo conectamos a la salida que está desactivada.

Así que con uno de estos dos montajes es posible manejar un semáforo de luces mediante pulsadores, lo que quiere decir por supuesto que se puede manejar por sensores en la vía (reed o hall) o por cualquier otro sistema que produzca un contacto momentáneo. Es decir el mando es ahora igual que un desvío. Tan igual que a lo mejor podemos unificar el mando y conseguir que semáforo y desvío se muevan sincronizadamente.

El "a lo mejor" es que si, desde luego. En realidad parece muy fácil porque los desvíos ya se mueven mediante contactos momentáneos, así que si a esos contactos momentáneos le "enchufamos" nuestro latch 4044 ya tendríamos el problema resuelto.

La dificultad viene por otro lado: Los desvíos tradicionalmente los movemos con pulsadores (o sistemas análogos que producen un contacto momentáneo) Ya vimos, ( Véase Tangana electromagnética) que aunque en muchos casos utilizamos corriente alterna para mover los desvíos, no hay ningún inconveniente, y si alguna ventaja, en usar corriente continua.  La imagen siguiente representa cuál sería el circuito para mover un desvío utilizando corriente continua. En este esquema el desvío está representado por dos bobinas L1 y L2 que representan las dos bobinas del motor del desvío, y que están conectadas a un punto común del que sale un cable que llamamos común (normalmente negro) y luego otros dos cables que salen de cada extremo de las bobinas, y que casi siempre son rojo y verde (En los desvios Märklin el común es amarillo y los otros dos azules)

Obsérvese que el circuito está montado de forma paralela al último semáforo que vimos, es decir con el punto común de las dos bobinas unido permanentemente al positivo de 12 Voltios y el otro extremos de las bobinas que se une o no al negativo (0 Voltios) cuando se cierra uno de los interruptores SW1 o SW2.  Como se ve es otra vez la misma técnica de "lógica negativa" que puede resultar un poco chocante al principio pero que como se ve, al final funciona mejor. En el caso de este esquema de los desvíos, por supuesto podríamos poner el negativo al hilo común y funcionaría igual, porque las bobinas no tienen polaridad, pero luego veremos que partiendo de este esquema todo encaja mucho mejor.

Bien, el problema con que nos encontramos es que este circuito que es el tradicional, funciona a base de que cuando se cierra uno de los interruptores SW1 o SW2 toda la corriente que pasa por la bobina circula también por el interruptor. Un valor típico de la resistencia de una de estas bobinas puede ser 10 Ohmios, así que por el interruptor circularán 1,2 Amperios. Puede ser incluso más, como ya comentamos un desvío de Peco puede consumir casi tres amperios y no digamos nada si tenemos instalada una CDU, ya que en ese caso durante décimas de segundo podrían llegar a circular 10 Amperios. Como digo todo este circuito es recorrido, a intervalos muy cortos, por corrientes muy fuertes, Además debido a los bobinados de los desvíos se trata de un circuito muy inductivo. lo cual produce picos de corriente y tensión muy fuertes, tanto en la apertura como en el cierre. Asi que no es extraño que estos pulsadores acaben fogueados y tiendan a fallar, lo mismo que los famosos finales de carrera de los desvíos que también son víctimas de estas severas condiciones.

Mezclar esto con un circuito integrado como el 4044 que es un circuito muy sensible es una cosa bastante peligrosa. Hace tiempo (ver Un sencillo circuito) resolví esto con optoacopladores. El tema funciona, pero me resulta demasiado complicado y los optoacopladores y yo no acabamos de acoplarnos bien,

Fijémonos que en los circuitos de mando de semáforos que veíamos anteriormente cuando presionamos uno de los pulsadores, conectamos una de las entradas Set o Reset del 4044 a tierra, y eso produce una circulación de corriente ¡del orden de microamperios! asi que es otro mundo completamente distinto. Esa idea de "enchufar" el latch a los pulsadores del desvío no es tan fácil como parecía.

Dándo vueltas al tema, me surgió la idea siguiente: En vez de partir del sistema del desvío con sus pulsadores soportando varios amperios y demás, lo que voy a hacer es partir del circuito de mando del 4044 y sus leds, lo que podíamos llamar la parte de mando, y desde éste circuito activar el desvío, lo que podíamos llamar la parte de potencia. Claro que al final necesito una corriente bastante fuerte para manejar el desvío pero esa la puedo generar desde la parte electrónica y no al revés.

En realidad el circuito es bastante sencillo y queda como sigue:

La clave aquí es un circuito ULN2803, o más exactamente, si estamos trabajando con entradas de 12 voltios sería un ULN2804  (El ULN2803 es para entradas a nivel TTL, o sea del orden ce 5 voltios)

Como se ve, la parte superior derecha reproduce el esquema de mando del desvío, pero en lugar de tener dos interruptores a tierra, conectamos los hilos del desvío a las salidas del ULN2804. Cuando estas salidas se activan, se conectan a tierra, asi que el desvío funciona exactamente igual que antes, cuando cada bobina se une a tierra.

Este ULN2804 es en realidad un conjunto de ocho transistores Darlington. Este tipo de transistores se caracterizan por una gran ganancia de corriente (del orden de 1000) , de manera que si por la base recibe 1 miliamperio, por el colector puede sacar 1 amperio. En este caso, estos ocho canales pueden mantener cada uno una corriente constante de 500 mA y puntas mucho más altas. Entonces lo que he hecho es agrupar tres canales para una bobina y tres canales para la segunda bobina del desvío. poniendo en paralelo tanto las entradas como las salidas de los tres primeros canales y las de los tres siguientes. Esto permite manejar de forma permanente 1,5 A por cada bobina, pero como realmente solo actúa en tiempos muy cortos. he comprobado que esta disposición resiste perfectamente impulsos de mayor intensidad, capaces de mover un motor de desvío PECO P-10 por ejemplo sin problema.

Los canales 7 y 8 los empleo para las luces de señalización. Los Leds D1 y D2 pueden ser los dos leds de un semáforo (en este caso en configuración de "ánodo común" o también pueden ser sencillamente un par de leds a situar en un cuadro de control, para señalizar la posición del desvío.

Los leds podrían unirse directamente a las salidas Q0 y Q1 como en los casos anteriores. Sin embargo, aquí se llevan a entradas del ULN2804, aunque cada una solo a una entrada. Esto tiene dos efectos: Por un lado le "damos la vuelta" ya que ahora el led rojo se enciende al activarse la salida Q0 y el verde al activarse la Q1. Efecto, cuando la entrada 7B conectada a la salida Q0 del 4043 se pone a valor alto, la salida 7C se pone a valor bajo, y por lo tanto unida a tierra y el led rojo se enciende. Por otra parte al estar el semáforo conectado a un canal del 4043 puede soportar 400 mA, asi que podremos usar este montaje para situaciones que requieran una carga mucho mayor que un led. Una aplicación típica es conectar así la bobina de un relé (no biestable) que al activarse esta salida se cerará y permitirá por tanto alimentar un circuito de tracción. Luego volveremos sobre este tema.

Tenemos de esta forma resuelto el famoso problema, tantas veces comentado en los foros, acerca de cuál puede ser el método para tener leds de señalización de la posición de los desvíos en un cuadro de mandos, válido para cualquier tipo de desvío, tenga o no finales de carrera.

Insisto en que la parte de mando es independiente de la corriente de los desvíos. Esto quiere decir que por los dos pulsadores dibujados en el esquema, circularan intensidades muy bajas,

Aquí hay una consideración a hacer. El circuito ULN2804 se activa con entradas positivas. Por lo tanto los pulsadores conectan las entradas  a la tensión alta Vcc.  Por este motivo el circuito latch es el 4043, que ya vimos que se activa con entradas a nivel alto. Esto significa que no podríamos usar un sensor hall en este caso. Claro que hay soluciones, pero hay que tenerlo en cuenta.

Existe un circuito parecido al ULN2804 que es el ULN2066B pero con cuatro canales de 1,5 A cada uno. Asi que agrupando de dos en dos, podría hacer un circuito para dos desvíos  que podrían ser de hasta 3 Amperios con un solo chip, lo cual además cuadra mejor con el 4043 que tiene cuatro canales.

También es posible amplificar la señal con un par de transistores Darlington para cada desvío, Son muy apropiados los TIP120 que son capaces de manejar 5 amperios.

Como hemos podido ver hasta aquí, todos los circuitos presentados vienen más o menos a sustituir a circuitos que tradicionalmente los modelistas solucionaban con relés biestables.  Esto no tiene nada de particular, porque realmente hacen una función parecida, y de hecho un relé biestable se denomina en inglés "latching relay" con lo cual es lógico que un circuito "latch" como 4044 haga una labor parecida.

Aparte de las diferencias esenciales entre un dispositivo mecánico como un relé y uno electrónico como un 4044 conviene valorar las ventajas e inconvenientes de un sistema frente a otro.

Ya hemos visto que la principal ventaja del chip es el precio, y eso no admite discusión. Precisamente por eso, en la industria todos los circuitos basados en relés biestables se han ido sustituyendo por circuitos electrónicos, lo cual hace cada vez más difícil encontrar relés de este tipo, y esta es otra de las ventajas de los chips, que los encontramos en cualquier tienda de electrónica.

Sin embargo, en nuestra afición, los relés biestables tienen todavía alguna aplicación en la que es muy difícil que sean sustituidos por un circuito electrónico basado en un latch. El caso claro es cuando lo que queremos controlar es la corriente de tracción que llega a las vías. Un caso típico es cuando hacemos un acantonamiento, ya que entonces establecemos tramos de parada que reciben o no corriente de tracción a través de un relé, para que los trenes continúen o se paren en esos tramos.

El relé lleva en definitiva un interruptor que abre o cierra el circuito que alimenta el tramo de parada. Cuando el interruptor está cerrado, la corriente de tracción, sea cual sea y como sea, llega a la vía sin ninguna pérdida ni deformación.  Esto es importante porque la corriente puede ser de cualquier tensión e intensidad dentro de unos márgenes en general bastante grandes, pero también de cualquier polaridad y desde luego de cualquier forma de onda.

Por el contrario, los dispositivos electrónicos que hemos visto aquí se comportan bien solo con corriente continua, solo con la polaridad correspondiente, y sobre todo funcionan en modo "todo o nada", es decir si estamos hablando de 12 Voltios, o hay 12 Voltios o hay 0.

Además la corriente de tracción puede cambiar de polaridad cuando el tren circula en sentido contrario, y en la mayoría de los casos la forma de onda (rectificada de onda completa o compuesta) varía continuamente de tensión a lo largo del ciclo, lo que hace inviable su manejo con dispositivos "todo o nada". Curiosamente una señal PWM si que puede ser manejada por este tipo de circuitos, porque una señal PWM alterna entre un máximo fijo (todo) y cero (nada).

Asi que si no queremos problemas lo adecuado es que manejemos la corriente de tracción siempre con relés. Asi no tendremos nunca problemas incluso aunque introduzcamos por ejemplo un limpiavías electrónico o cualquier otra cosa.

Hay quien propone utilizar un relé normal (no biestable) cuya bobina es controlada por un latch. Normalmente la salida de un 4044 es insuficiente para accionar un relé. Se deberá amplificar con un transistor o usando uno de los canales de un ULN4044 como ya se anticipó. Cuando el correspondiente canal del latch está activo, la bobina está activa, y el relé está en una posición. Cuando el latch se desactiva, la bobina se desactiva y el relé cambia de posición.  Bueno, es una opción que funciona, pero si al final necesitamos un relé, es mucho más fácil utilizar uno biestable que el circuito integrado más el relé normal mas el transistor o el ULN

Los relés biestables tienen una ventaja adicional: Conservan la posición incluso desconectados. Es decir si tenemos el relé en una determinada posición, y apagamos la maqueta, cuando volvamos a encenderla, aunque hayan pasado meses el relé estará en la misma posición, de manera que si estamos controlando un semáforo se encenderá la misma luz que estaba encendida cuando se desconectó la maqueta.

Por el contrario los latch no conservan la posición. Si desconectamos el circuito, al volverlo a conectar, lo normal es que no luzca ninguna de las dos luces, y sólo se recupera la situación normal si activamos alguna de las entradas.

Esto, puede ser un inconveniente, pero se puede resolver de una forma bastante fácil. Véase el esquema siguiente, que es una variación sobre el esquema para manejar un semáforo ánodo común con dos pulsadores:

La variación que hemos introducido es separar las conexiones de alimentación, que antes iban todas al positivo "Vcc" que se supone que era el positivo de la alimentación de 12 Voltios. Ahora en cambio todas las alimentaciones de la "parte de mando" las hemos agrupado en un punto llamado BAT y la "parte de potencia" la hemos llevado a un segundo punto que he llamado "12 V" interponiendo un interruptor SW1.

Esto funciona así: La conexión "BAT" se conecta a una pila, por ejemplo en este caso al positivo de una pila de 9 Voltios. El negativo de la pila va al negativo común.

La conexión "12V" va al positivo de la fuente de alimentación, Se supone que esta es la fuente de alimentación que apagamos y encendemos al apagar la maqueta. El interruptor SW1 simula esta operación de apagar y encender, aunque en realidad no estaría ahí, sino que sería el general de la instalación. Por supuesto el negativo de la alimentación va al negativo común es decir al mismo punto que el negativo de la pila y que el pin 8 del 4044

La gracia de este montaje es que el circuito integrado se alimenta desde la pila, mientras que los leds se alimentan de la corriente general.

¿Que conseguimos con eso? pues sencillamente que el 4044 permanezca permanentemente alimentado desde la pila, de manera que aunque apaguemos la maqueta este circuito sigue alimentado y se mantiene la posición de sus canales, de forma que al volver a encender, se iluminarán las mismas luces que cuando apagamos.

Con una misma pila se pueden alimentar en paralelo todos los 4044 que necesitemos El consumo es del orden de décimas de microamperio, asi que una pila de 9 V deberá durar años.

(La capacidad típica de una pila alcalina de 9 V es de 0.5  Ah Quiere decir que si por ejemplo tenemos 10 circuitos (veinte desvíos) con un consumo de 10 microamperios la pila durará más de cincuenta mil horas, o sea más de 5 años)

Creo que esto puede servir de ayuda a los aficionados que quieran probar este tipo de automatismos electrónicos, que como se ve son muy sencillos y baratos.  En un próximo artículo tengo la intención de dar algunos consejos acerca de la forma práctica de realizar este tipo de circuitos.