lunes, 26 de enero de 2015

Tangana electromagnética.



Extraño título, ¿verdad? Para los lectores del blog de otros países donde no se si se usa la palabra tangana, y sobre todo para los que lo leen con traductores, aclaro que el termino tangana se usa aquí para referirse a una discusión acalorada entre dos grupos de personas, muy habitual por ejemplo en partidos de fútbol u otros deportes donde a veces los jugadores se enzarzan en peleas con insultos gritos y muchas veces patadas y puñetazos.

Yo lo utilizo aquí, en sentido figurado, refiriéndome a que a veces en los foros de Internet, se suscitan discusiones y controversias, que a veces suben un poco de tono, lanzándose descalificaciones entre los participantes, y provocando a veces la intervención de varios compañeros en defensa de una u otra postura.

A mi, en principio, no me parece mal la discusión; de hecho la esencia de un foro (de cualquier tipo de foro, desde el Foro Romano a Internet) es la discusión y el contraste de opiniones, siempre naturalmente que no se pierda la educación, y siempre que las afirmaciones que se hagan se argumenten razonablemente y no se traten de imponer "porque si"

Viene esto a cuento, de que en uno de los foros en que participo habitualmente, Plataforma-N, se suscitó hace poco una discusión sobre como funcionan los motores de bobinas de los desvíos. La verdad es que el hilo a que me refiero, resultó un poco caótico, porque empezó con un tema trivial, pasó por los sistemas de suprimir uno de los cables de mando de los desvíos, y acabó con una discusión en la que me vi directamente involucrado, acerca del funcionamiento de los motores electromagnéticos de los desvíos.

Como ya he comentado aquí, el tema del funcionamiento de los desvíos es complicado, prueba de ello es que el artículo que trata de ese tema, y que escribí en Octubre de 2011, sigue siendo el más leído de este foro, con cerca de 6000 páginas vistas a día de hoy. A mi me sorprende muchas veces comprobar que hay muchísimos aficionados que están convencidos de que los motores de bobinas de los desvíos sólo funcionan con corriente alterna, cuando la verdad es que funcionan igual de bien, o realmente mejor con corriente continua. Naturalmente a estas personas se les descolocan los papeles cuando ven un esquema de manejo de desvíos que incluye diodos, porque en este caso la corriente sería continua, o al menos rectificada, y eso más o menos fue lo que dio lugar a la discusión del foro de Plataforma-N

Esto me ha animado a escribir este artículo en el que voy a tratar de explicar con una cierta profundidad cómo es el funcionamiento de estos motores de doble bobina, En la imagen de la derecha, podemos ver, en la parte superior el interior de uno de estos motores (un modelo de Märklin para H0) y destacan claramente dos bobinas de hilo de cobre. También vemos, saliendo por la derecha, la pieza de plástico que actúa sobre los espadines del desvío.

Debajo hemos dibujado esquemáticamente las dos bobinas, y vemos que interiormente hay un núcleo de material ferromagnético representado por un rectángulo negro, que se puede mover a lo largo del eje, para situarse, centrado en una u otra bobina. Unido a ese núcleo tenemos una pieza de material no magnético dibujado en amarillo en el esquema y que sería la pieza de plástico que vemos en la imagen superior asomando por la derecha para mover los espadines.

Por lo tanto está claro que si hacemos que se mueva el núcleo ferromagnético a una u otra posición, conseguiremos que el desvío se mueva. La forma de hacer que ese núcleo se mueva es hacer circular una corriente por una de las dos bobinas. Si hacemos circular corriente por la bobina 1, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 1 (posición A en la figura) , y ahí permanece aunque cese la corriente, puesto que no hay nada que lo haga moverse de esa posición. Cuando hacemos circular corriente por la bobina 2, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 2, y de nuevo permanece en esa posición indefinidamente. Se trata por lo tanto de un dispositivo biestable, es decir que se mantiene indefinidamente estable en dos posibles posiciones, incluso sin ningún consumo eléctrico. Desde este punto de vista es parecido a un relé biestable. De hecho alguna marca como Märklin fabrica dispositivos con este mismo principio pero que en lugar de mover un desvío, abren y cierran contactos eléctricos y lo llama relé. También se utiliza el mismo tipo de dispositivo para mover señales mecánicas de brazo, algunos tipos de barreras de paso a nivel, etc.

Hasta ahora, seguramente, todo el mundo estará de acuerdo con lo explicado, pero al decir si hacemos circular corriente por la bobina 1 o por la bobina 2, ¿a qué clase de corriente me refería?

Tradicionalmente los sistemas analógicos incluyen un "transformador" que proporciona dos salidas de corriente, la que va a las vías, llamada corriente de tracción,  que será una corriente de tensión variable, alterna en el caso de Märklin H0 y continua en todos los demás casos (*)  y además una segunda salida, llamada de accesorios o auxiliar que es precisamente donde conectamos los desvíos, así que si utilizamos este sistema, lo que llega a las bobinas de los desvíos es corriente alterna.

¿Porqué alterna? Muchos aficionados llegan a la conclusión de que si ya tenemos corriente continua para la corriente de tracción y en cambio se usa alterna para los accesorios, será porque tiene que ser así para que funcionen los accesorios, y dan por supuesto que los desvíos y los demás elementos que funcionan con corriente de accesorios necesitan corriente alterna.

Lo paradójico, es que últimamente la mayoría de los "transformadores" han dejado de ser tales, sino que lo que tenemos es un "alimentador" que se coloca en un enchufe de la pared y que proporciona corriente a tensión reducida a un segundo aparato, al que deberíamos llamar controlador, ya que no es un transformador , donde tenemos los mandos de control de la velocidad de los trenes, y donde encontramos los conectores para la corriente de tracción y para la corriente de accesorios. Estos alimentadores proporcionan corriente continua :(al menos rectificada) de modo que si tenemos uno de estos sistemas lo que sale por el conector de accesorios es corriente continua. Muchos aficionados ignoran esta circunstancia y siguen pensando que la corriente de accesorios es alterna, y por lo tanto siguen convencidos de que los motores de desvíos solo funcionan con alterna.

Desde luego esto no es así. Cualquier motor de desvío funciona exactamente igual con corriente continua que con corriente alterna y para convencerse basta probarlo. Al decir exactamente igual, hay que remarcar la frase porque funciona exactamente igual tanto si conectamos el positivo o el negativo de la corriente continua a uno u otro extremo de la bobina. Es decir, para este caso parece que resultan indiferentes los dos polos de la corriente continua, cosa sorprendente porque con corriente continua siempre hay que hacer la distinción acerca de qué polo va a qué sitio.

Para tratar de explicar la razón de este comportamiento atípico, habrá que profundizar un poco en cuál es el mecanismo físico que hace que se mueva ese núcleo ferromagnético que dibujábamos en el esquema anterior. En primer lugar diremos que cada una de esas dos bobinas que encontramos en el motor de un desvío, y que en definitiva no son otra cosa que un hilo enrollado en un soporte de cartón o plástico, es lo que se llama en física un solenoide.  Aclaro que un solenoide es solamente la bobina, sin ninguna clase de núcleo ni móvil ni fijo.

Cuando por el solenoide circula una corriente eléctrica contínua se crea un campo magnético que es proporcional a la intensidad de la corriente y al número de espiras de la bobina. La figura anterior representa una bobina por la que se supone que circula una corriente I , y se han representado las lineas de fuerza del campo magnético B, producido.  Es interesante ver que el campo es muy intenso en el centro del solenoide (líneas de campo muy juntas) y que se dispersa muy rápidamente en el exterior.

Naturalmente si cambiamos el sentido de la corriente, el campo magnético se invierte, así que si alimentamos el solenoide con corriente alterna tendremos un campo magnético oscilante, que cambia de sentido cincuenta veces por segundo.

Sin embargo, si como hemos dicho, en un desvío que en definitiva son dos solenoides, el funcionamiento es idéntico tanto con la corriente continua como alterna y con independencia de la polaridad de la corriente, ¿cómo se explica esto?

La explicación empieza por el hecho de que el núcleo de material ferromagnético al que nos referíamos no es un imán.

Un material ferromagnético está compuesto por pequeños dominios magnéticos que son como minúsculos imanes, que pueden orientarse en el espacio. La figura de la izquierda representa un material ferromagnético que en la parte superior tiene todos los dominios magnéticos aleatoriamente orientados. En esta situación en el exterior del material no se manifiesta ningún efecto magnético. Sin embargo en la parte inferior hemos representado el caso de que todos los dominios estén orientados en una dirección determinada. En este caso el material es un imán y produce un campo magnético en el exterior. Según está dibujado, ese imán tendría el polo sur a la izquierda y el norte a la derecha.

Lo interesante del caso, es que todos los materiales ferromagnéticos cuando están en presencia de un campo magnético orientan sus dominios en la dirección del campo magnético, o sea que se convierten temporalmente en imanes, Si embargo cuando el campo magnético cesa, pueden ocurrir dos cosas: Si los dominios magnéticos se vuelven a descolocar, el material queda sin ningún magnetismo remanente. Es el caso del hierro puro ("hierro dulce") Por el contrario, otros materiales ferromagnéticos, una vez que desaparece el campo magnético, mantienen al menos en parte la orientación de sus dominios magnéticos, con lo que conservan un magnetismo remanente. Este fenómeno se llama "histéresis magnética" y como consecuencia de ello el material queda convertido en un imán, más o menos potente. Es el caso del acero

Bien, pues lo que se busca en este caso es un núcleo de un material que no presente histéresis, o sea que una vez que cesa el campo magnético desordene sus dominios y no conserve magnetismo remanente.

De hecho lo difícil es conseguir que los materiales conserven un valor alto de magnetismo cuando cesa el campo magnético que orienta sus dominios y cuando lo que se busca es justamente un elevado magnetismo remanente hay que recurrir a aleaciones especiales de Hierro con Niquel, Cobalto, Neodimio etc.

Bien, y que pasa entonces si colocamos una pieza de material ferromagnético con muy baja histéresis en el campo magnético de un solenoide?

Veamos la figura:



El material ferromagnetico se convertirá en un imán con sus dominios orientados en la dirección del campo producido por el solenoide por lo tanto se convierte en un imán, en este caso con el polo sur a la izquierda y el norte a la derecha. El polo sur tenderá a moverse entonces a la izquierda y el polo norte hacia la derecha (es la misma fuerza que hace que se oriente una brújula en el campo magnético terrestre) pero como el campo está mucho más disperso en la zona derecha, es mas fuerte la fuerza que actúa hacia la izquierda, sobre el polo sur,  y el núcleo se desplaza hacia la izquierda,  ¿hasta dónde? Precisamente hasta el centro del solenoide porque allí la densidad de flujo se iguala en un extremo y otro del núcleo y éste queda en equilibrio.

Y ¿qué ocurre si la corriente circula en la bobina sentido contrario? Ésta es la imagen:



Ahora, tal como esperábamos, el campo magnético del solenoide es inverso lo cual induce que la orientación de los dominios magnéticos en el núcleo se haga al revés que antes, y siempre siguiendo el sentido del campo del solenoide. De manera que ahora el imán temporal que se forma en el núcleo tiene el polo norte a la izquierda y el polo sur a la derecha. Ahora es el polo norte el que está en la zona de mayor flujo magnético, y por lo tanto la fuerza sobre el polo norte del núcleo es mayor y el núcleo se mueve hacia la izquierda otra vez, y lo mismo que antes, hasta el centro de la bobina que es donde las fuerzas se equilibran.

Conclusión: Sea cual sea el sea el sentido de la corriente, el núcleo se mueve hacia el centro de la bobina.

Esto no debería sorprendernos. Al fin y al cabo el solenoide se comporta como un imán, y un imán siempre atrae hacia si a los cuerpos ferromagnéticos situados en su campo, y esta fuerza es siempre atractiva aunque acerquemos los objetos al polo norte o al polo sur del imán. Y desde luego la causa es la misma: el campo magnético del imán  provoca la ordenación de los dominios magnéticos de los materiales ferromagnéticos en un sentido tal que quedan enfrentados al imán los de signo contrario, y por lo tanto la fuerza siempre es atractiva.

Volviendo a nuestro caso, si la corriente es alterna, durante el medio ciclo que la corriente tiene un sentido la bobina se mueve hacia el centro y en el medio ciclo en que la corriente es negativa, también, así que también con corriente alterna el núcleo se mueve hacia el centro de la bobina.

Aquí hay una pequeña diferencia entre la corriente continua y la alterna. Con corriente continua, la fuerza que actúa sobre el núcleo es uniforme, pero con corriente alterna, la fuerza que actúa sobre el núcleo se anula cada vez que la tensión pasa por cero, aunque luego vuelve a crecer en el mismo sentido. Esto hace que la fuerza oscile con una frecuencia de 100 Hz. y eso es lo que produce que cuando conectamos los desvíos a corriente alterna produzcan ese característico sonido a chicharra, que no se produce si la corriente es continua, pero continua de verdad, es decir uniforme y no simplemente rectificada.

Queda ahora plenamente justificada la frase que incluí en la descripción del motor de bobinas:

La forma de hacer que ese núcleo se mueva es hacer circular una corriente por una de las dos bobinas. Si hacemos circular corriente por la bobina 1, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 1 (posición A en la figura) 

Ahora ya sabemos que es indiferente si la corriente es alterna o continua y porqué el núcleo se sitúa precisamente en el centro de la bobina cuando ésta se activa.

Resumiendo: Los desvíos y todos los demás aparatos de motor de bobinas funcionan tanto con corriente alterna como con corriente continua y en este caso con cualquier polaridad.  En cuanto a la fuerza que mueve el núcleo es la misma en ambos casos siempre que el valor eficaz de la intensidad de la corriente alterna sea igual al valor de la corriente continua, aunque en el caso de la corriente alterna la fuerza es oscilante con una frecuencia de 100 Hz, mientras que con corriente continua es uniforme.

Una precisión: he dicho que la fuerza es la misma siempre que el valor eficaz de la intensidad sea el mismo. Como normalmente cuando hablamos de corriente alterna nos referimos a valores eficaces, si yo digo que el desvío se mueve con la misma fuerza con corriente continua que con alterna, parece que quiero decir que da lo mismo usar corriente continua de 12 Voltios que corriente alterna de 12 Voltios. Si, pero no. Veamos: todos los cálculos que se hacen para calcular el campo magnético se basan en la intensidad, no en la tensión. De manera que si yo conecto a una bobina 12 voltios de tensión continua, y la bobina tiene una resistencia de 4 Ohmios, aparecerá una corriente continua de 12 / 4 = 3 Amperios de corriente continua. En el caso de alterna, trabajando con valores eficaces, si yo conecto a la misma bobina una tensión alterna de 12 voltios eficaces, aparecerá una corriente de 12 / 4 = 3 Amperios eficaces de manera que el valor eficaz de la corriente es el mismo y por lo tanto la fuerza que puede ejercer el desvío es la misma. Pues  no. Resulta que con corriente alterna hay que considerar la inductancia de la bobina, que depende como sabemos de la frecuencia. Por lo tanto aún con frecuencias bajas, como 50 Hz la impedancia de la bobina será ligeramente superior a 4 Ohmios y por lo tanto la intensidad ligeramente inferior a 3 Amperios, con lo cual, la fuerza que ejerce el motor del desvío será un poco menor que con corriente continua.

En resumen que el uso de corriente alterna tiene dos pequeñas desventajas: por un lado la fuerza es un poco menor y por otro lado el desvío emite un zumbido. Un amigo mío decía que con alterna los desvíos cantan y se les va la fuerza por la boca. No le faltaba razón.

¿Porqué entonces los fabricantes llevan toda la vida proponiendo que los desvíos se muevan con corriente alterna.? Simplemente porque es más barato.  Si yo tengo un "transformador" de los clásicos, lo primero que tengo es efectivamente un transformador que me entrega corriente alterna de baja tensión , 12 o 14 Voltios. Si utilizo eso directamente como corriente de accesorios no tengo que hacer nada más. Para la parte de tracción necesito corriente continua, así que pongo un rectificador para tracción, pero que solo tiene que rectificar la corriente de tracción que es de menor intensidad, de modo que la parte de accesorios a la que se le puede llegar a pedir intensidades de 2 o 3 Amperios no necesita rectificadores.

Tengamos en cuenta que esta tecnología de los desvíos viene de principios del siglo XX, donde los rectificadores eran de selenio y aparte de caros eran voluminosos y se recalentaban con facilidad. La inercia de mantener los desvíos alimentados con corriente alterna se ha conservado en casi todas las marcas, aunque alguna japonesa como Rokuhan o Kato, la han abandonado y utilizan desvíos movidos por corriente continua, que funcionan con un sistema distinto al que estamos viendo.

Y ahora llegamos finalmente al tema que suscitó la controversia en el foro de Plataforma-N . La imagen de cabecera recoge el esquema del sistema propuesto.

Este sistema requiere obligatoriamente corriente alterna, que mediante los diodos D1 y D2 se divide en semiondas positivas y negativas. Para cada desvío tenemos una pareja de pulsadores de manera que pulsando uno u otro se envía las correspondientes semiondas por un único cable (naranja en el dibujo) a cada desvío, donde un par de diodos se encargan de dirigirlas a una u otra bobina según su polaridad. El retorno es por el hilo negro.

Algunos participantes en el debate no tenían claro cómo se comportaría un desvío cuando a sus bobinas llegase corriente rectificada, y hay quién defendía que no podía funcionar

Esto funciona perfectamente, salvo por el hecho de que lo que llega a cada desvío es justamente una corriente rectificada a media onda, cuyo valor eficaz es la mitad que la onda completa, de modo que los núcleos de las bobinas se moverán exactamente con la mitad de la fuerza que si utilizásemos directamente la corriente alterna de la fuente. Como los desvíos suelen ir más bien escasos de fuerza, ésto es un inconveniente.  Nada impide desde luego, si el uso va a ser exclusivamente para esto, utilizar un transformador de unos 24 Voltios para tener tensiones eficaces del mismo orden de magnitud que con mando directo.

Y como la anterior explicación puede haber resultado un tanto teórica, he decido hacer una demostración práctica. Para ello he grabado un video con un experimento que he montado para comprobar lo que aquí se ha visto. Para ello he usado una bobina construida a base de enrollar un hilo de cobre en un tubo de cartón, y la he alimentado con corriente continua y con corriente alterna. He querido limitar el experimento a la zona externa de la bobina, para que se pueda ver fácilmente el movimiento, y eso hace que la fuerza que se produce sea bastante débil, así que para que se aprecie, y de paso suprimir cualquier rozamiento, he suspendido el núcleo de hierro de unos hilos de forma que la fuerza magnética lo hace oscilar.

Este es el vídeo:





* Véase el artículo Corriente continua? 






lunes, 19 de enero de 2015

Obras son amores..




Como algunos seguidores de este blog podrán decir, obras son amores que no buenas razones, o sea que menos contar cómo quiero hacer algo, y más enseñar lo que he hecho.

Bueno, pues los interesados tienen ya un buen montón de razones, casi veinte minutos de razones, para comprobar que todo lo que he venido contando acerca del controlador, que primero fué PWM05I y luego se ha convertido en PWM05.3G, es rigurosamente cierto. Tan cierto que ni yo mismo acabo de creerme lo perfecto que ha salido todo, en esa exhaustiva prueba, de más de dos días de duración, a que he sometido al PWM05.3G. y en la que por cierto, he grabado varias horas de vídeo, de las que al final han salido los veinte minutos del vídeo que encabeza este artículo.

Como ya he comentado, el PWM05.3G es un controlador de tracción con simulación de inercia, es decir que los trenes bajo su control, no aceleran y frenan bruscamente, sino de una forma progresiva, emulando a los trenes reales, que debido a su enorme masa, no pueden variar su velocidad de forma brusca. Esto se consigue mediante un circuito electrónico que se encarga de controlar en cada momento la velocidad según unas curvas de aceleración y frenado cuya pendiente se puede ajustar por el usuario entre límites bastante amplios, de modo que en el ajuste máximo, la frenada de un tren puede llevarle más de 100 segundos, recorriendo un espacio que a escala serían varios cientos de metros.

Como también he comentado ("Palancas y botones") un control de estas características no es adecuado para ser manejado mediante el clásico mando giratorio y en cambio resulta mucho más práctico manejarlo mediante un sistema que reproduzca las funciones de "acelerador" y "freno"

He preferido hacer varias versiones del sistema de mando, y en el video se pueden ver cuatro elementos de mando, que pueden intercambiarse, simplemente desenchufando el conector de uno y enchufando el del otro,

El vídeo comienza demostrando el funcionamiento del mando por teclado. Este teclado es herencia directa del mostrado en el artículo "Split" y es el elemento más sencillo para manejar este controlador. Lleva seis botones con las funciones de Acelerar, Frenar, Parada, Stop, Adelante y Atrás

Como decía los dos primeros botones simulan las actuaciones de un acelerador y de un freno, y con eso se controla la velocidad del tren de una forma distinta a la habitual, pero muy eficiente. Los botones de Adelante y Atrás son evidentemente para cambiar el sentido de la marcha.

El botón de Stop tiene en realidad dos funciones: por un lado sirve como parada de emergencia, es decir que, pulsándolo con el tren en marcha, el tren se detiene de forma instantánea. Además no se pierde la memoria de la velocidad, de modo que pulsando a continuación el botón de Adelante, el tren reanuda la marcha a la velocidad que llevaba antes de la parada. La otra función de Stop es desconectar una locomotora que se ha detenido por haber disminuido su velocidad hasta cero. Aún con la locomotora parada, sigue recibiendo señal PWM que mantiene las luces encendidas. Al pulsar Stop se corta totalmente la alimentación de la locomotora.

Y la tecla de Parada, lo que provoca es la detención progresiva del tren disminuyendo su velocidad hasta cero. Es equivalente a mantener pulsada la tecla de Frenar hasta que el tren se detiene, pero con la tecla de Parada basta un toque moméntáneo para producir este efecto.

También se ve en esta primera parte del vídeo, cómo se puede variar de forma independiente la inercia de aceleración y la inercia de frenado, actuando sobre los potenciómetros de ajuste presentes en la placa del circuito. No se si se aprecia bien en el vídeo pero con los valores de inercia ajustados al máximo, el tren tarda unas dos vueltas completas al circuito antes de alcanzar la velocidad máxima, y también otras dos vueltas completas antes de detenerse mediante la tecla de Frenado. Si alguien quiere realismo en el comportamiento de los trenes, aquí lo tiene.

Este mando por teclado está previsto para ser manejado teniendo el mando en la mano, y lleva un cable de unos dos metros que lo une al circuito del controlador. El circuito en si se colocaría oculto, por ejemplo bajo el tablero.

En una segunda parte, se muestra el mando de consola. Este mando, que está previsto para ser situado cerca de la maqueta, de forma estable en modo "sobremesa", se une también al circuito controlador mediante un cable corto (unos 30 cm). Lo característico de este mando es que las funciones de Acelerador y Frenado se realizan por un único mando que es un joystick (y que ahora se llama regulador, nombre muy ferroviario).

Como ya he comentado anteriormente ("Conduciendo Locomotoras") el uso de un joystick para regular la velocidad de las locomotoras se ha impuesto en el tren real últimamente, y no sin motivo, ya que esta pequeña palanca parece ser la forma más intuitiva de manejar la velocidad. Aunque había defendido esta postura en este blog en alguna ocasión, apenas lo había probado más que con locomotoras moviéndose en un corto tramo de vía, con lo cual es muy difícil apreciar su utilidad. Ahora que, con esta prueba he podido comprobarlo extensamente debo decir que me ha encantado. El manejo con este elemento es mucho más intuitivo que con cualquier otro sistema que yo haya probado.

Otra característica de este mando es que incorpora los controles de ajuste de inercia en arrancada y frenada en el mismo mando. De esta forma se puede cambiar el ajuste de estos valores en cualquier momento ¡Incluso con el tren en marcha!

He hecho también una variante de este mando, prevista para ser situada en un cuadro de control. En el vídeo se puede ver cómo se coloca en un cuadro, con el circuito colocado dentro de la caja, y el mando encastrado en el tablero.

Por lo demás este mando es completamente idéntico al de consola, sólo que en lugar de ir montado en una caja de ABS se monta sobre una placa de metacrilato. Por cierto que he visto que que la luz del led azul que se enciende al funcionar se transmite por el metacrilato, lo cual hace un efecto bastante feo. Tengo que ver cómo lo resuelvo.

Y cuando ya parece que está agotado el tema, el vídeo nos presenta una sorpresa: Conectamos, en el mismo sitio que cualquiera de los mandos anteriores una placa Velleman K8055 que los seguidores de este blog conocerán porque era parte fundamental del sistema de control por software de mi maqueta, Demasiado fundamental, diría yo, porque parte de los motivos que me llevaron a renunciar a ese sistema de control se derivan de haber dependido demasiado de las posibilidades de esta placa para crear las señales PWM que controlan los trenes. En el sistema que vemos ahora, la placa se limita a hacer de interfase con el ordenador que vemos conectar a la misma, y las señales PWM son generadas en el propio circuito PWM05.3G. Lo mismo puede hacerse con una variedad de sistemas que puedan realizar esta labor de interfase, por ejemplo un Arduino.

Lo interesante de esto es que la placa, se conecta directamente al circuito del PWM05.3G sin ninguna clase de "traductor" o "adaptador" y esto es porque el PWM05.3G entiende y responde a las señales producidas por este tipo de elementos electrónicos.

En el ordenador tenemos un sencillísimo programa en VisualBasic (no me llevó más de media hora el hacerlo) en el cual intencionadamente he creado una imagen que es muy aproximada a la del mando por teclado.

Como se ve en el vídeo, el programa funciona correctamente y produce exactamente el mismo funcionamiento que el visto anteriormente con los otros mandos.

Evidentemente, hacer un programa de ordenador para tener lo mismo que con un teclado, no tiene mucho sentido. Simplemente he querido demostrar que la conexión es inmediata y el sistema funciona. A partir de aquí podríamos construir un programa todo lo complicado que quisiéramos en el ordenador, incluyendo la lectura de sensores y todo lo demás que necesitemos para controlar totalmente los trenes.

Por cierto que como digo, a diferencia de mi anterior sistema de control por software, con este nuevo sistema la generación de la señal PWM que maneja los trenes es realizada por el controlador, que recibe las órdenes de Frena o Acelera, exactamente como desde un teclado. Esto da lugar a una cierta indefinición, porque realmente la velocidad que llega a alcanzar un tren depende del tiempo que está recibiendo la orden de aceleración o frenada, y del ajuste de los valores de inercia que siguen estando en el controlador. Sin embargo y para prevenir este tema, el circuito PWM05.3G tiene unas salidas de feedback que si se hacen llegar al programa de ordenador, permiten que éste sepa a qué velocidad se mueve el tren en cada momento, Con esto el control de las locomotoras desde el ordenador puede ser absoluto. Debo decir que todavía no lo he probado, pero ahí está,

Queda claro entonces que el controlador PWM05,3G constituye en si mismo una interfase sencilla y potente para realizar el control por software de trenes analógicos.

Cuando anuncié en este blog mi intención de desmontar el sistema de control por software ("Sublime decisión") surgió un diálogo con algunos lectores que no entendían muy bien mi decisión. En una de las respuestas a esos comentarios expliqué que el haber basado el sistema en la generación de señales PWM de las placas Velleman había sido un error, al tener éstas una frecuencia fija con un resultado bastante pobre para el control de los trenes. Parece que no me expliqué muy bien porque algunos lectores entendieron que no sabía como conseguir las frecuencias bajas de 40 Hz con control por software. De hecho, un amable lector me animaba con esta frase:

"En cuanto a las Velleman, yo creo que podría hacerse algo tanto con Arduino como con PIC y conseguir los 40Hz de su sistema.. Ahí lo dejo"

Yo ya tenía en mente que eso era fácil de conseguir, precisamente con este sistema de control, por lo que no no me preocupaba el tema. Ahora lo he hecho funcionar en poco más de media hora. En definitiva es un sistema mucho más potente y también mucho más simple que el anterior. De hecho como digo, el software que consigue esto es elemental. Realmente lo que ocurre es que he pasado la "inteligencia" del sistema desde el software y la placa Velleman al PWM05.3G, con lo cual el software queda super simple y la placa se limita a hacer de interfase, sin aportar nada.

¿Y eso es todo? Realmente no cabe duda de que es mucho, pero podría añadir alguna cosa que no se recoge en el video,

Por ejemplo el hecho de que el PWM05.3G tenga tres entradas, no se ha justificado. De hecho siempre se ve que se conecta un mando en el mismo sitio donde estaba el anterior, Sin embargo podría haber conectado un mando en cada una de las entradas de manera que tendría dos o tres mandos simultáneamente. El tener más de un mando manual no parece que tenga mucho sentido, pero si hemos hablado de tener un programa de ordenador conectado a una de las entradas, nada impide tener al mismo tiempo, conectado un mando manual, y el controlador obedecería a ambos sistemas. Naturalmente podrían darse órdenes contradictorias como Acelera y Frena al mismo tiempo, lo cual seguramente haría que se obedeciese ninguna de las dos. De hecho la orden de acelera y frena al mismo tiempo la podemos dar también con el teclado.

Sin embargo, la presencia de tres entradas de señal, no está orientada a tener más de un mando, sino a la posibilidad de manejar el PWM05.3G mediante sensores. Es una lástima que no se vea en el vídeo (prometo que se verá en uno futuro) pero cuando tenemos un mando conectado en una de las entradas, podemos utilizar las otras para automatizar movimientos de los trenes mediante sensores. Basta situar un sensor en la vía (un sensor Hall o Reed) conectado a una de las entradas, concretamente a la señal de Stop, para que cuando se active el sensor el tren se detenga inmediatamente. Otro sensor conectado a la señal Adelante, provocará al activarse la reanudación del movimiento. Nótese que esto es exactamente lo que se necesita para hacer un sistema de bloqueo automático, y para ello no hay que dejar tramos aislados en las vías ni utilizar relés biestables.

Quería haber hecho una demostración de ésto, pero requería organizar todo el tema de sensores que ya existe en el circuito pero está preparado para el sistema de relés. Lo dejo para cuando el sistema lo monte en mi maqueta,

También funcionaria si ponemos un sensor conectado a la señal de Parada. Cuando se active este sensor momentáneamente por el paso de un tren, el controlador ordena al tren al que está conectado una parada progresiva. Esto haría que ante un semáforo se detuviera el tren con parada progresiva, lo cual es un efecto muy deseado y muy difícil de conseguir en analógico. Sin embargo no hay la función contraria, que sería una arrancada progresiva, y esto por la razón de que el PWM05.3G no guarda memoria de cuál era la velocidad a la que marchaba la locomotora cuando empezó a detenerse. Evidentemente si estamos utilizando un ordenador, o un Arduino o algo asi, el sistema de feedback que antes mencioné puede utilizarse para que el software guarde la velocidad y la utilice para la arrancada, pero el PWM05.3G no hace ésto por su cuenta. Se me ocurre que quizá pudiera hacerse un módulo auxiliar que conectado al PWM05.3G a los sensores y al feedback consiga una parada y arrancada progresivas solo por hardware. Lo tengo que probar.

Y como final, no quería dejar de mencionar a la pequeña protagonista de este vídeo. Mi locomotora BR 85 (Märklin 88887) que aparece siempre en el vídeo en segundo plano, arrastrando nueve vagones de dos ejes, y que ha estado durante muchas horas rodando, respondiendo fielmente a la señal PWM y sin producir ni el más mínimo incidente en los dos días de prueba, Lo digo también por si a alguien le queda alguna reticencia acerca de los controladores PWM.

Recuerdo a los lectores interesados que estoy preparando la comercialización de éste y otros dispositivos diseñados por mi. Pronto habrá noticias al respecto en este blog


domingo, 11 de enero de 2015

MULTIPLEX


En el pasado mes de Junio, publiqué aquí el artículo "Split" que terminaba con la frase:

Asi que...... no creo que ningún lector se extrañe mucho si dentro de poco aparece aquí algún artículo sobre un control multiplexado.

La verdad es que ha pasado algo más de tiempo del que yo pensaba sin que volviese a hablar de este asunto. Sin embargo en el artículo anterior "Lógica negativa" ya comenté que el protagonista del artículo Split que era el controlador con simulación de inercia, se había convertido en el el PWM05.3G, al haber sido modificado para funcionar comandado por el sistema de puertas lógicas, que cada vez me parece más flexible y adaptable.

Sin embargo en este tiempo, no se había ido de mi cabeza el hacer un control multiplexado, y precisamente a raíz del desarrollo del PWM05.3G empecé a pensar que si hacía un control múltiple, debería contar también con los perfeccionamientos incorporados al PWM05.3G, es decir, manejo por puertas lógicas, parada progresiva automática, etc. Siempre había pensado en el control multiplexado como una serie de módulos, cada uno de ellos con las funciones de control correspondientes (las mismas que PWM05.3G) y además los elementos requeridos para obedecer a señales dirigidas específicamente a cada módulo, es decir que cada módulo debería tener un sistema para asignarle una dirección, que el sistema de comando enviase esa dirección, y que cada módulo solo obedeciese las ordenes cuando su dirección está activada. No es demasiado complicado, pero incluir todo eso en un módulo que ya tiene todas las funcionalidades para el control con simulación de inercia y también para la comunicación con tres grupos de puertas lógicas iba a dar como resultado un circuito muy complejo para cada módulo.

Así que se me ocurrió otra solución, que me ha parecido muy prometedora: Se trata de que no voy a hacer un módulo nuevo, sino que voy a utilizar simplemente módulos PWM05.3G; tantos como se requiera. Exactamente el mismo módulo diseñado para funcionar como mando para un único circuito sin ninguna modificación. Bueno si, una: Si voy a tener varios circuitos, uno por cada sector o cantón, lo suyo es que los módulos se coloquen juntos y apilados. El tipo de conectores que usé con PWM05.3G no era adecuado para apilar circuitos, ya que los cables saldrían hacia arriba, tropezando con el módulo situado encima, así que he cambiado los conectores para utilizar unos de tipo clema, que permiten apilar varias placas de PWM05.3G sin problemas. Véase la muestra:



Es el mismo circuito que veíamos en el artículo anterior, pero cambiando los conectores.  Como se puede apreciar se obtiene un apilado muy compacto. Afortunadamente estos conectores se pueden soldar en los mismos taladros que los usados inicialmente.

Claro que este circuito no estaba diseñado para funcionar en módulo múltiplex, asi que necesito otro elemento: Necesito un elemento que reciba las señales de control que queremos enviar a los módulos y que reciba también las señales que definen qué circuito debe responder a esa señal y que envíe las señales de control, solo al circuito que debe recibirlas.  Es decir hacer un circuito adicional que resuelva la parte de multiplexado, y que tenga tantas salidas como circuitos de control queramos tener. El circuito de multiplexado dirigirá en cada momento las señales de control a uno o varios módulos para que estos actúen como si cada uno de ellos estuviese conectado de forma independiente a su propio teclado.

Un momento: ...a uno o varios módulos...? . Un sistema multiplexado no actúa así: En cada momento envía los datos y la dirección del circuito que debe utilizarlos, de manera que solo un receptor puede recibir en cada momento los datos que se envían. 

Y es que efectivamente, lo que estoy haciendo no es estrictamente un sistema multiplexado, sino algo mejor

Fijémonos en la imagen de cabecera: Es la que será la consola de control del sistema. Como se ve tiene los mismos botones que el teclado portátil del PWM05.3G: adelante, atrás, stop y parada, y en vez de un par de teclas con la función de acelerador y freno tiene un Joystick.

Pero además vemos ocho botones blancos cada uno de los cuales activa (o desactiva) el control de un módulo, en definitiva de un cantón. Pulsando uno cualquier de los botones, se enciende el led que está sobre el botón, y las ordenes de aceleración frenado parada, etc se dirigen al cantón que está conectado. Pero nada impide activar varios cantones simultáneamente, con lo cual las órdenes de dirigirán simultáneamente a todos los cantones que estén activados. Para facilitar la selección hay un botón que activa todos los cantones y otro que desactiva todos los cantones.

Pensando en Digital esto no tiene sentido, porque las ordenes deben ir siempre a una determinada locomotora. Pero no hay que olvidar que este sistema es analógico y lo que controlamos son cantones, no locomotoras. Si tenemos por ejemplo un tren que está recorriendo un circuito formado por los cantones 2,3 y 5 podemos pulsar los botones 2,3 y 5 con lo que esos tres cantones serán los activados  y las órdenes que demos llegarán a la locomotora que queremos controlar, esté donde esté, en su recorrido por esos tres cantones y en cambio no afectará a otras locomotoras que puedan estar funcionando en otros cantones. Adviértase que cuando un módulo no recibe ninguna orden, por ejemplo porque no esté seleccionado como cantón activo, el controlador no modifica para nada su situación de manera que si hay una locomotora moviéndose bajo su control, ésta se seguirá moviendo igual sin ser afectada por las órdenes dirigidas a otros cantones.

Explicado así, parece un tanto mágico, pero en realidad es algo bastante sencillo. En un sistema clásico analógico, en cuanto queremos tener varios circuitos independientes tenemos que poner un controlador para cada circuito. Asi que si pensamos por ejemplo en una gran maqueta con ocho circuitos eléctricos distintos tendríamos ante nosotros ocho "transformadores" de control. Si tenemos una locomotora en un determinado circuito y queremos que avance, le giramos el mando del transformador de su circuito, y la locomotora se pone en marcha y permanece avanzando mientras nosotros podemos manejar los trasformadores de otros circuitos moviendo otras locomotoras. Mientras la primera locomotora permanezca en su mismo circuito seguirá moviéndose con independencia de lo que hagamos con el resto de controladores, y si ese circuito es cerrado, permanecerá moviéndose indefinidamente con independencia de las demás. Pero si el trayecto de la locomotora continúa en otro circuito, en el momento en que la locomotora pase al nuevo circuito obedecerá al transformador de este nuevo circuito.  

La consecuencia de esto es que al operador enseguida "le faltan manos" para atender a todos los controladores que tiene que manejar si quiere tener funcionando varios trenes. Mi propuesta es sencillamente que "la mano es siempre la misma" es decir no hay más que un juego de controles, por lo que no hay que ir cambiando de uno a otro control, y sobre todo que con ese único control podemos manejar simultáneamente varios circuitos, con lo cual el control de este tipo de situaciones es mucho más manejable.

De todas formas debe quedar claro que esto no es un sistema Digital en el que se manejan trenes, y no sectores, y tampoco es un Cab Control, en el que también se manejan trenes y no sectores. Se trata de un sistema Block Control preparado para permitir un manejo lo más cómodo posible y nada más.

Había comentado que después de desmontar el sistema informático de control de mi maqueta, no tenía muy claro como iba a hacer el control de tracción. Ahora ya lo tengo claro: Si las pruebas resultan positivas este va a ser definitivamente el sistema de control de tracción de mi maqueta, por lo menos inicialmente. No renuncio a hacer algún día un sistema de Cab Control, pero no quiero enredarme más ahora, porque si lo hago no voy a tener nunca una maqueta operativa.