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sábado, 14 de diciembre de 2013

Bienvenido a la Blogosfera



Hay ya en este blog, algunos artículos con este mismo título de "Bienvenido a la blogosfera", y es que lo utilizo cada vez que doy la bienvenida a un nuevo blog, con un tema que puede resultar interesante para los lectores del mío.

Hace tiempo que no anunciaba ninguna novedad en este sentido, pero hace unos días se ha empezado a publicar un nuevo blog cuyo título es IZANTECH  (http://blog.izantech.com/) y no he querido dejar pasar la oportunidad sin saludarlo y sin recomendarlo a mis lectores.

Conozco personalmente al autor, y no sólo le conozco, sino como ya he comentado en este blog en alguna ocasión, yo me inicié en el tema de la electrónica para trenes, gracias a unos cambios de impresiones en el foro de LCTM, allá por Marzo de 2008 (cómo pasa el tiempo!). Esta fue la chispa que prendió la mecha, y gracias a ese inicio, hoy estoy haciendo unos diseños de electrónica que no hubiera creído posibles en aquél momento. Bueno, pues uno de los participantes en aquellas conversaciones fue precisamente el autor de este blog, que como verán los que accedan al blog se identifica como "luisizan"

Curiosamente, ayer, se repitió un poco la historia al cabo de estos años, porque tuve un charla con él y le pedí consejo para una nueva actividad que me ronda por la cabeza. Me refiero al tema de la programación de microcontroladores, que se que él maneja incluso profesionalmente.

Espero que los consejos que me ha transmitido me permitan entrar en esta nueva actividad que como saben los lectores de este blog se me ha venido resistiendo, pero he llegado a la conclusión de que no tiene sentido seguir diseñando placas de componentes lógicos cada vez más complicados cuando un único microcontrolador puede hacer lo mismo, con mayor flexibilidad y sencillez.

Ya iré aquí dando noticias de mis progresos en este nuevo "arte" en el cual por supuesto, voy a tratar de desarrollar algunos sistemas útiles para el manejo de trenes analógicos.

Precisamente por eso, no entro en competencia con este nuevo blog, que, ya desde la primera línea, se decanta claramente por los sistemas digitales.

Pues lo dicho: bienvenido a este mundo, y adelante.

Nota: El link a este blog permanecerá en la pagina de Enlaces dentro del apartado "Blogs y páginas personales"


sábado, 7 de diciembre de 2013

Un circuito.... no tan sencillo


Titulé mi anterior artículo "Un sencillo circuito" porque estaba convencido de que realmente se podía hacer un circuito para señalización de desvíos con muy pocos componentes.

Sin embargo, ya acababa apuntando la posibilidad de este circuito no solo sirva de señalización, sino para la polarización de los desvíos. Así que me puse a realizar el diseño completo, es decir contando con que puedan manejar cuatro desvíos, y que el propio circuito tuviese unos leds de señalización, además de tener salidas para otros leds a situar en el tablero, y además tuviese salidas para manejar relés para la polarización de los desvíos, mas las alimentaciones... etc etc. Total que lo que parecía sencillo ha resultado un pelín más complicado, aunque ha supuesto una excelente práctica de manejo del programa Proteus.

Precisamente por haber sido un ejemplo completo, desde el diseño hasta la generación de los ficheros para fabricar las placas de PCB, voy a explicarlo aquí con un poco de detalle.

Como ya dije en el artículo anterior, el diseño comienza con un diseño para probar la funcionalidad del sistema propuesto, y ese es el esquema sencillo que aparece en el anterior artículo. Sobre ese esquema se puede probar muy bien todo el tema de funcionamiento de la lógica, así como medir los consumos y las tensiones para diseñar las alimentaciones, etc.

Pero claro, para construirlo completo, es decir para que el programa nos presente el diseño completo, hay que hacer el esquema completo del circuito, incluyendo la parte de alimentación, conectores de entrada y salida, etc.

El esquema entonces se complica un poquito. El que tenga curiosidad lo podrá ver haciendo click en la imagen siguiente:

 
Una vez que tenemos el esquema completo, podemos pasar al diseño del PCB. Como ya he comentado alguna vez, la creación del PCB dista mucho de ser un proceso automático. Si alguien esperaba que haciendo click en un botón se genere el circuito, está muy equivocado.
 
Cuando, después de haber hecho un esquema como el anterior, pasamos al módulo de diseño de PCB (se llama ARES) lo que obtenemos es un batiburrillo de elementos absolutamente descolocados, eso si, con unas uniones elásticas que conectan sus pines entre si, de acuerdo con el esquema eléctrico.
 
Y aquí viene una labor completamente manual para ir situando cada uno de esos elementos en un lugar lógico respecto de los otros, y también lógico respecto del uso que se le va a dar al circuito. No tendría ningún sentido, por ejemplo, que los conectores de entrada J1, J2, J3 y J4 estuviesen revueltos en toda el área del circuito. Lo suyo es que estén juntos alineados y situados próximos a un borde. Bueno pues esas cosas hay que hacerlas manualmente, es decir colocarlos en el mismo sentido y llevarlos a un borde dejándolos alineados y juntos.  El caso de los conectores es claro, y en este circuito hay muchos, pero no es único. También hay por ejemplo una serie de leds que tienen que aparecer alineados, y algunos elementos más también deben situarse de una forma lógica. En cuanto a los demás componentes, chips, resistencias, condensadores.... su situación es menos importante, pero deberán quedar al menos con una cierta estética. El problema es que si hacemos este reparto de elementos sin atender nada más que a la comodidad del futuro usuario y a la estética, probablemente haremos algo que no se pueda convertir en una placa de circuito impreso, porque todas sus conexiones estarán mezcladas y retorcidas.
 
Así que hay que actuar al menos con una cierta lógica y tener presentes las conexiones entre los elementos para tratar de conseguir que haya la menor cantidad posible de cruces, y tratar de que las conexiones paralelas se mantengan paralelas y no cruzadas y retorcidas. Evidentemente aquí hay que tener un cierto oficio no exento de intuición, cualidad de la que, que como sabemos, carece por completo un ordenador. No es por lo tanto extraño que un ordenador sea incapaz de resolver automáticamente este problema.
 
Lo que si que hace el ordenador, y me parece bastante asombroso, una vez que hemos colocado todos los elementos donde queremos, es convertir esas uniones elásticas, que evidentemente se entrecruzan por todas partes, en un diseño de pistas de circuito impreso, que puede ser de una, dos o incluso más capas, consiguiendo que las pistas no se corten y respetando las distancias entre ellas y los ojales para soldadura. Desde luego, no se quiere decir que el diseño sea el óptimo, pero en la mayoría de los casos es suficiente. También el programa permite modificar manualmente el diseño generado, pero la verdad es que aplicando aquello de "si funciona es perfecto" no hay porqué retocarlo salvo algunos casos en los que alguna conexión queda sin hacer porque el sistema no ha sido capaz de resolver la totalidad del circuito. Aún en esos casos, en mi opinión, más que tratar de remendar el diseño, lo apropiado es tratar de recolocar algunos elementos y pedir al programa que vuelva a calcular todo el circuito. Sobre todo por una cosa: si dejamos una distribución que el programa no es capaz de resolver completa, nos obligamos a que si por cualquier causa recalculamos el circuito, tengamos que volver a intervenir manualmente. En cambio si conseguimos una distribución que el programa resuelve por completo, no hay problema en rehacer el cálculo, porque el programa siempre llegará a la misma solución completa.
 
Bien pues después de un buen rato de colaboración hombre-máquina, no sin algunos reproches mutuos (hay que ignorar los mensajes de error con la misma indiferencia que el ordenador ignora nuestros insultos de palabra) se llega a algo que se puede convertir en un circuito impreso, desde luego, en este caso, de doble cara:
 
 
Aquí tenemos una bonita imagen del diseño de la placa de circuito impreso utilizando varias capas superpuestas. La capa roja es la capa superior de cobre y la capa azul es la capa de cobre inferior. También se ve la imagen de la serigrafía de componentes con algunas rotulaciones que he querido añadir.
 
No solamente podemos ver este tipo de imágenes planas, sino que el programa es capaz de generar un modelo 3D que se puede visualizar desde cualquier posición. La imagen de la cabecera de este blog, es una muestra de lo que se obtiene. Algunos elementos están representados con bastante detalle, como ocurre con los chips, condensadores, resistencias etc. Pero por ejemplo los conectores, que son clemas de tornillo aparecen como un cajón verde sin detalle. Al menos nos da una idea del volumen que ocuparán
 
Ni que decir tiene que realizar este circuito que es de doble capa con multitud de vías y con una exigencia de precisión muy grande es inabordable para hacerlo artesanalmente.
 
El producto final del proceso de diseño no son entonces esas imágenes, por atractivas que parezcan, sino la creación de una serie de ficheros que se utilizan para fabricar industrialmente estas placas.
 
Hay una serie de empresas que nos pueden fabricar uno o más circuitos a nuestra petición sin más que enviarles por e-mail los citados ficheros (que se conocen como ficheros Gerber)
 
Y ese es el próximo paso. Voy a ver qué empresa me conviene más y le haré el pedido.
 
 



jueves, 5 de diciembre de 2013

Un sencillo circuito



Ayer, mantuve un intercambio de opiniones con un amigo de un foro (Escala-Z), que preguntaba cuál sería la forma de conseguir que, en un cuadro de mando que está construyendo para su maqueta, se viese mediante luces, la posición de cada desvío. Esto es lo que normalmente llamamos señalización de los desvíos.

La verdad es que pensando en el tema, me sorprendía un poco pensando que, algo tan habitual en los deseos de los modelistas no tuviese una solución fácil y comercial. Me refiero a cualquier tipo de desvíos, ya sean con o sin interruptores de final de carrera. Ya se que para el caso de los que tienen final de carrera, si se puede hacer una señalización aprovechando estos interruptores, y al menos Marklin, comercializa una botonera con señalización de leds, y alguna otra marca también los tiene. Pero cuando el aficionado se quiere construir su propio cuadro de mando a base de pulsadores, se encuentra con esta dificultad.

Cuando a mi me han preguntado sobre este tema, yo he dicho siempre que la solución que funciona en todos los casos y con seguridad es un relé biestable.  Así, lo decía en el artículo "Mando y señalización de desvíos".  Sin embargo la solución del relé biestable tiene algunas pegas: La más importante es sin duda la dificultad de encontrarlos, porque en las tiendas de electrónica te dicen que no tienen porque sólo los usan los de los trenes eléctricos (literal). Por otra parte algunas marcas de modelismo ferroviario como Aneste si los venden pero muy caros. Además una cosa es comprar un relé y otra cosa saber cómo montarlo para conseguir encender y apagar unos leds según la posición del desvío. En general hay que hacer algún apaño a base de placas de circuito perforadas y demás, cosas que muchas personas consideran que no están
a su alcance. Yo he puesto esquemas de cómo conectar esos relés para señalización tanto en el artículo antes mencionado como en bastantes respuestas en varios foros, a preguntas sobre este tema, pero siempre resulta una importante dificultad para personas que no tienen experiencia en montajes electrónicos.

Como ya dije, ayer me volvían a preguntar sobre el tema, y me dio por pensar un poco más a fondo en él, seguramente porque últimamente estoy muy metido en temas de electrónica. La pista me la dio la famosa frase sólo los usan los de los trenes eléctricos. Si esto es así, ¿qué hace el resto del mundo? ¿es que nadie necesita un interruptor biestable con enclavamiento? La clave de la respuesta está en la palabra enclavamiento ("latch" en inglés). Claro: los relés biestables o relés con enclavamiento, se llaman en inglés "latching relay" pero curiosamente hay un dispositivo electrónico que también se llama "latch" y eso es evidentemente porque hacen la misma cosa. Ambos elementos, uno mecánicamente y el otro electrónicamente tienen dos posiciones estables diferentes que se mantienen indefinidamente, y cuando reciben una orden basculan a la posición alternativa. Estos circuitos a veces se nombran en español básculas, precisamente por esa propiedad, y también flip-flop, lo que es una onomatopeya de algo que se mueve entre dos posiciones. Pero parece que el nombre que se impone es el de latches. Bueno pues parece que el resto del mundo se ha dado cuenta de que estos latch son más baratos, mas duraderos y muuuucho más rápidos.

Así que me dije, ¿y porqué no diseñar un circuito de señalización electrónico basado en un latch electrónico? y con las mismas me puse a ello con Proteus.

El resultado lo recoge este esquema (espero que haciendo click se vea suficientemente bien)


En el centro, marcado como U2 está el famoso Latch cuya referencia es en este caso 4043 que presenta una salida alta o baja en su terminal 2 según cual de sus entradas 3 o 4 se haya activado. Podría manejar un led con esa simple salida, pero he preferido amplificar la señal en U3 con el típico circuito ULN8003A  por lo que luego se verá. Los dos leds D1 y D2 se encienden y se apagan alternativamente, ya que están acivados por la salida del Latch y por su inversa obtenida por un inversor, identificado como U4.

Quedaba una cuestión muy importante: ¿Cómo activar el latch? Es decir, ¿de dónde viene la señal que lo activa?  Evidentemente viene del circuito que mueve los motores de los desvíos, pero cualquiera que haya leído el artículo anterior de este blog, habrá visto que para mover desvíos hay unas cuantas soluciones, todas ellas bastante potentes (por no decir salvajes). Desde quién utiliza 20 voltios o más, a quién coloca un transformador de 5 Amperios pasando por la utilización de Unidades de Descarga que te sueltan 8 amperios como si nada, y todo ello con las variantes de corriente alterna o continua. Cualquiera de esas soluciones, llevadas directamente a las entradas del Latch lo destruirían.

Afortunadamente existen unos dispositivos pensados específicamente para transmitir información entre dos circuitos con características eléctricas muy distintas, como es nuestro caso. Me refiero a los optoacopladores. En la imagen tenemos dos de estos dispositivos identificados como U1:A y U1:B (son dos secciones de un único chip de 8 optoacopladores). Cuando por el diodo interno de estos dispositivos circula una corriente que aquí está limitada por las resistencias R3 y R4, el transistor interno se activa y por lo tanto su emisor presenta una tensión de 5 Voltios. Cuando se desactiva, la resistencia de pulldown R5 hace bajar la tensión a cero. Esta es la señal que necesitábamos.  Obsérvese que esto funciona en cuanto circula "algo" por el diodo del optoacoplador, independientemente de la tensión del circuito, de la intensidad que circula, y de si es alterna o continua (si es alterna los ciclos positivos lo activarán)

Bueno pues después de probar la simulación en Proteus he hecho un montaje en la protoboard, tal como se ve en la imagen de portada. Y efectivamente, después de algún problema con un optoacoplador que parece que estaba chungo, el sistema ha funcionado. Para los incrédulos he aquí la videoprueba.



Lo que vemos en el video, es el circuito de ensayo conectado precisamente a los dos desvíos con bobinas Peco que utilicé en el capítulo anterior para probar la unidad de descarga capacitiva.

Por cierto, en el video se ve que el circuito está conectado a las salidas auxiliares de 5 y 12 V de  la fuente de alimentación de laboratorio, y mi idea era usar la salida principal para mover los desvíos. Pero cuando lo intenté, descubrí que esta fuente, capaz de dar 3 Amperios, no era capaz de mover los dos motores en paralelo, pues se activaba la protección contra cortocircuito. Una bonita demostración de lo que decía en el artículo anterior acerca de la mal que se portan las fuentes de alimentación "buenas" con los desvíos.

Afortunadamente me habían pedido que construyese alguna fuente para desvíos con descarga capacitiva, asi que eché mano de una, que es la que se ve encima de la fuente de labortorio. Esta fuente con CDU mueve perfectamente los desvíos tal como vemos en el vídeo.

Así que para probar, como quién no quiere la cosa, estoy conectando el circuito a una de estas fuentes para desvíos con CDU que debe estar soltando picos de 8 o 9 Amperios con cada movimiento de los desvíos. Si aguanta esto, lo aguanta todo.

Y parece que lo aguanta. En el vídeo vemos los dos tímidos leds, uno rojo y otro verde que serían los que situados en el cuadro de mando indicarían la posición de estos desvíos.

Seguramente a la vista de las imágenes más de un lector habrá pensado que de acuerdo, que funciona, pero que es muy complicado. En primer lugar hay que advertir que aunque en la protoboard se ve la habitual madeja de cables, la mitad sobran, ya que aquí hay una serie de elementos que no estarían en el circuito final, como los leds amarillos que vemos encenderse momentáneamente y que indican cuando el circuito recibe un impulso de tensión.

Pero además es que los chips utilizados permiten montar, cuatro circuitos de detección para cuatro desvíos sin añadir más circuitos integrados. Es habitual que los circuitos lógicos se presenten en paquetes de cuatro u ocho secciones iguales ya que están pensados para manejar señales digitales de varios bits. Por eso con los mismos circuitos puedo fabricar un circuito para señalización de cuatro desvíos que sería solo ligeramente más caro que un circuito para un solo desvío y desde luego mucho más barato que cuatro circuitos para un desvío cada uno.

Comenté antes que la salida está reforzada con un circuito ULN8003A para conseguir una salida que puede llegar a ser de 500 mA por canal. Esto parece excesivo para encender y apagar luces de Led's pero es que se me ha ocurrido que este circuito además de servir para señalización en un cuadro, podría utilizarse para manejar relés que hagan la polarización de los desvíos. Este es otro problema que muchos aficionados también sufren y que se resuelve a base de conmutadores, muchas veces accionados mecánicamente o mediante relés biestables (otra vez) para conseguir que los desvíos de tipo electrofrog. cambien la polaridad del corazón del desvío según la posición de las agujas. Bastaría colocar unos relés (no biestables) en la misma salida que alimenta los leds para que esos relés cambiasen la posición según la posición de las agujas.

Así que como me parece que este circuito puede ser muy útil, voy a hacer un diseño de PCB que incluya las bornas de conexión adecuadas, con objeto de que cualquiera pueda montarlos en su maqueta.