miércoles, 1 de abril de 2015

Comparativa PWM.




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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


12 comentarios:

  1. totalmente de acuerdo contigo. poseo un regulador tuyo PWM04 i dos chinos i su funcionamiento coincide plenamente con lo que expresas. el 04 hace de regulador de los tres cantones (control cab) o solo de uno i los otros dos con regulador chino. Funciona, pero no hay color comparando uno con otro. saludos. Josep Tgna.

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  2. Pues me alegro de que estés tan satisfecho. Gracias por tus palabras.

    Ignacio

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  3. En esta web puedes ver varios controladores con características peculiares:

    http://www.scottpages.net/ReviewOfControllers.html

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  4. Yo me hice un controlador que varia tanto frecuencia como ancho de pulsos. en un tramo de vía va finísimo, avanza hasta el punto de ir a 1cm/min (lo conseguí solamente una vez), pero cuando ya es un recorrido sin aislamientos por medio, en una zona va perfecta y en otra zona va a trompicones, en otra se para y en otra vuelve a ir perfecta. Tras limpiar la vía bien sigue con comportamientos irregulares, algo que no le pasa si le meto un adaptador de corriente continua de 9 voltios conectado directamente a la vía.

    La frecuencia de mi PWM va de los 70 a los 120Hz, cuanto más duty cicle más frecuencia también, y lo de los trompicones es cuando va rápida, a velocidad media tiende más a pararse.

    Ya he limpiado la locomotora con eso de marklin que tiene como alambres y se hace rodar encima... pero sigue igual.

    Con las locomotoras de 5 polos que tengo no me pasa casi, básicamente me pasa con las de 3 polos. Tengo la locomotora de limpieza de 5 polos de marklin, la de color amarillo y esa va perfecta, va a mil cuando la pongo al máximo y a paso de tortuga cuando la pongo a paso de tortuga...

    Decir que todas las locomotoras que tengo son de 2ª mano, y no sé con qué limpiarlas ya...

    También voy a cambiar el condensador del 555 para bajar la frecuencia a unos 40-50Hz.

    La salida del PWM la conecto a un TIP121 que aguanta varios amperios, pero cuando la locomotora se me queda parada a veces el TIP121 se funde y sale humo y lo he de cambiar, hoy compraré fusibles rearmables para evitar esa situación porque no es plan.

    Dame algún consejo para los problemas expuestos por favor, a ver a qué crees que se puede deber lo de los trompicones y demás... y como limpiar vías y parte eléctrica de locomotoras.

    Actualmente lo hago con alcohol + goma abrasiva las vías, y la locomotora con spray para sacar polvo + alcohol + herramienta de marklin.

    gracias
    Carlos

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    2. Hola.

      Es muy raro eso que me dices de que en unos tramos va bien y en otros no. Se supone que la corriente generada por el controlador, llega a cualquier punto del circuito sin prácticamente ninguna pérdida. ¿has probado a repetir la alimentación llevando la salida del controlador, a varios puntos a lo largo del circuito? Si con eso se soluciona indicaría un deficiente contacto de las bridas a lo largo de la vía.

      Si tienes un TIP121 y se te quema cuando la locomotora se para es que se produce un cortocircuito en el cableado, en la vía o en la locomotora. Normalmente si fuese en en la locomotora. ésta se debería calentar.

      Deberías averiguar donde se produce el corto o si se trata de un bloqueo mecánico en la locomotora. Si cuando la locomotora se para y el TIP121 empieza a calentarse, quitas rápidamente la locomotora de la vía, si el problema es de la locomotora, la notarás caliente y el problema desaparecerá. Si está en la via o en el cableado, la locomotora estará fría y el problema persistirá al quitarla.

      Si quieres un consejo para limpiar las vias, utiliza una gamuza para cristales y alcohol isopropílico. Si quieres un consejo mucho mejor instala un limpiavías electrónico de Gaugemaster y dejarás de tener que limpiar la vía.

      Respecto de la limpieza de las locomotoras, hablas de productos, pero no del método. Si la locomotora está muy sucia, lo más adecuado es desmontarla lo más que puedas, sacando todos los ejes y los engranajes y poniendo las piezas en un recipiente con alcohol isopropílico, frotándo todas las piezas con un pincel. Luego lo vuelves a montar todo y lo engrasas muy ligeramente, preferiblemente con un aceite a base de teflón.

      Es muy importante limpiar completamente el colector, que suele tener carbonilla. Existen sprays de alcohol isopropílico que son ideales para eso, porque al poder disolvente del alcohol se une la fuerza del chorro del spray.

      Muy interesante la página que me has señalado con circuitos controladores. No la conocía. Sin embargo debo decir que no estoy en absoluto de acuerdo con algunas de las afirmaciones del autor, y en particular con lo que dice acerca de que una locomotora alimentada con PWM se calienta más que con corriente continua. Eso es rigurosamente falso, sencillamente porque el calentamiento es proporcional al valor eficaz de la tensión aplicada al motor, y éste no es mayor en el caso de una corriente PWM. Claro que con la serie de inventos raros que se ven en esa página, no me extrañaría que en alguno ocurriese, precisamente por no tratarse de una corriente PWM verdadera.


      Saludos

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  5. Hola muy interesante, yo tengo un layout Marklin z y después de leer tu blog compre una PWM Kemo. El tema que me aun tengo dudas para su instalación, tienes algún ejemplo sobre como instalarlo??

    gracias

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    1. Y..¿Después de leer este artículo has comprado un controlador de ese tipo?

      Supongo que te refieres al Kemo # M171

      Si es así, fíjate que ese conmutador es de tipo industrial, justamente lo que el artículo dice que no hay que comprar.

      Tiene una intensidad de salida de 5 A y puede llegar a 10 amperios cuando en el artículo se dice que lo apropiado son entre 0,5 y 1 A.

      Tiene una frecuencia de 10 a 20 kHz o sea 10000 a 20000 Hz cuando en el artículo se dice que lo apropiado son menos de 50 Hz

      No tiene inversor para cambiar el sentido de la marcha de los trenes, como los que son adecuados para trenes.

      Yo te diría que si puedes lo devuelvas y compres uno específico para trenes. En mi tienda tienes varios modelos y además seguramente más baratos.

      Un Saludo

      Ignacio de la Fuente

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  6. Hola Ignacio:
    Tengo un regulador tuyo PWM71 y su funcionamiento me desconcierta, los arranques, aceleraciones y paradas son increiblemente controlables, asemejándose al movimiento real de una locomotora, pero en alguna locomotora de las mas antiguas, al arrancar, la vibración y zumbido me resulta alarmante; con las mas modernas no ocurre esto.
    Tambien tengo uno de los chinos, el primero del reportaje, al que le he colocado un conmutador para cambio de marcha y aunque su arrancada y aceleración no es tan controlable como el PWM71, no produce ningún zumbido y vibración en las máquinas.
    Y ahí ván mis preguntas:
    ¿Es normal que esto ocurra? y
    ¿Sufren los motores mas antiguos?.
    ¡Ah!, esto no me ocurre con todos los motores de tres polos, solo con algunos.

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    1. Casi te contestas tu solo......

      El que el controlador chino no produzca un sonido audible es porque su frecuencia es de 20 kHz y por lo tanto por encima de las frecuencias audibles. Los míos en cambio tienen una frecuencia de 40 Hz lo cual si puede ser audible y sobre todo algunos armónicos que entren en resonancia.

      Pero esa diferencia de frecuencias (que como habrás visto en el texto es común a todos los reguladores para trenes) es precisamente lo que produce esa diferencia de comportamiento a favor de las frecuencias bajas.

      En general, como tu mismo dices, ese sonido se produce sólo en algunas locomotoras, y no en otras, y eso es porque las que producen sonido tienen alguna pieza o piezas que entra en resonancia con la frecuencia del motor. Hasta ahora nadie me había comentado que considerase alarmante ese sonido que en general no es más que un ligero "ronroneo". Incluso hay quién dice que le gusta porque suena como si se oyera el motor de la locomotora. Entiendo que en tu caso hay alguna locomotora que produce "demasiado" ruido, y parece que son las más antiguas. No se la causa pero probablemente la construcción de esas locomotoras haga que algún elemento como puede ser la propia carcasa entre en resonancia y amplifique el sonido.

      Si quieres haz un experimento: quítale a una de esas locomotoras ruidosas, la carcasa y hazla rodar así. Verás que el sonido disminuye muchísimo o incluso desaparece.

      Eso te da la pista de que en realidad el sonido no proviene del motor, sino normalmente de la carrocería. Por tanto no tienes que tener ningún miedo de que el motor sea perjudicado, porque no es la causa del sonido.

      Se me ocurre que si en algún caso detectas claramente que se trata de una vibración de la carcasa, intentes eliminar esa vibración. Por ejemplo un poco de plastilina colocado por el interior de la carrocería puede evitar que esta vibre.

      Saludos





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    2. Añado otra cosa: En una ocasión un compañero se quejó también de mucho ruido en alguna locomotora. Al final se descubrió que estaba haciendo funcionar los controladores alimentados con 16 Voltios, porque era uno de esos que quieren ver una carrera de formula 1 en su maqueta.

      Supongo que no será tu caso. Debes usar fuentes de alimentación de 12 V y preferentemente de tipo conmutado.

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  7. Muchas gracias Ignacio:
    Miraré lo que comentas, el ruido no es en el rodaje normal, sino en el arranque o parada a mínima velocidad.
    Me parece una buena idea lo de la plastelina.
    El mayor ruido me lo hacen dos locomotoras, una E94 y una Ae 6/8 II, ambas de Arnold-rápido, son mas o menos de 1995, sin embargo las locomotoras de vapor, tambien de los 80, 90 del siglo pasado funcionan mas silenciosas, quizás sea por las calderas-carcasas mas estrechas.
    La fuente de alimentación que uso es conmutada de 12V 1A.
    Un abrazo.

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