miércoles, 7 de febrero de 2018

PWM8ASFA

PWM8ASFA

Continuando con lo comentado en el artículo "Detectando trenes (de nuevo)" he decidido intentar crear un sistema de bloqueo automático basado en detectores de consumo asumiendo la limitación de que sea válido solamente para trenes de escala N y escala Z, y utilizando mi sistema PWM como corriente de tracción.  Impongo la limitación de que sea para mi sistema, porque es del único que puedo tener garantía de que funciona, e impongo que sea solo para escala N o Z, porque aunque hay algunos aficionados que usan mis PWM con escalas H0 y también H0e, el mayor consumo de estas locomotoras haría que hubiese que hacer un ajuste distinto de algunos elementos. De hecho ni siquiera descarto que no haya que hacer una versión para Z y otra para N.

Todas estas salvaguardas provienen de que el sistema de detección es muy delicado, ya que una condición es que pueda detectar una locomotora completamente parada en una vía, y como sabemos una locomotora analógica parada puede tener un consumo nulo, con lo cual es indetectable. Afortunadamente mis PWM mantienen un consumo mínimo con la locomotora parada y por eso puedo hacer un sistema muy sensible que la detecte, pero al mismo tiempo ese detector debe resistir sin quemarse el consumo de una locomotora rodando a toda velocidad, y con carga, lo cual puede ser del orden de 200 veces más alto.

En el anterior artículo, un compañero comentó que él había hecho algo parecido, y que para ello se basaba en  los terminales SENSA y SENSB del controlador de motor L298 que ambos usamos. Efectivamente tiene razón, lo primero de todo porque esos terminales están ahí para eso, es decir para medir el consumo, y lo segundo porque al intentar medir la corriente de salida, me encuentro con el problema de que esa corriente puede variar de sentido cuando el tren cambia de dirección, mientras que en los SENS no es así.

Con lo que no me convenció es con el método de medir esa corriente, ya que él emplea una resistencia de valor muy bajo mientras que yo empleo unos diodos para medir la caída de tensión directa en ellos. Después de varias pruebas me convencí de que es mejor este segundo sistema porque la resistencia siempre tendrá una caída de tensión proporcional a la corriente y por lo tanto variable en un amplio margen, mientras que la caída de tensión directa en un par de diodos es prácticamente constante. En la imagen adjunta se ve el sistema que he empleado con dos diodos (D25 D26 y D33 D34) en cada terminal SENS del L298. La tensión en los nodos SENSA y SENSAB es cero cuando el consumo es nulo y del orden de 1,5 voltios, muy constante en cuanto hay consumo, ya sea mínimo o ya sea el consumo máximo.


PWM8W
En la imagen de la derecha se ven claramente las dos parejas de diodos, casi en el centro, y muy próximos a los terminales del L298 que es el gran circuito integrado que vemos en primer término, atornillado a la placa

El método de medir el consumo en los terminales SENSx, tiene un condicionante que es precisamente que son terminales del controlador, y por lo tanto estoy midiendo el consumo de cada uno de los dos canales del controlador de forma global, es decir si con este controlador alimento un tramo de vía con el canal A por ejemplo, y en ese tramo hay más de un tren, el consumo que mido con el SENSA es el total de todos los trenes que haya en ese tramo. Por contra si mido la corriente en la salida, puedo bifurcar la alimentación de ese tramo en varias salidas y poner un sensor en cada bifurcación, de manera que podría saber en que tramo hay un tren y en cual no, aunque todos ellos reciban la corriente de un único controlador.

O sea, por pasiva: tengo que tener un controlador distinto para cada tramo en que quiera saber si hay o no un tren. Bueno, exactamente, como el L298, tiene dos canales, A y B, tengo que poner un controlador por cada dos tramos donde quiera detectar si hay o no un tren.

Como lo que quiero hacer es un sistema de acantonamiento o bloqueo automático, y un sistema así se basa en saber cuando un cantón está o no ocupado, tendría en principio que poner un controlador para cada dos tramos, o bueno,  tengo que saber si hay un tren en cualquier parte de un cantón y además saber si el tren está en el tramo de parada precisamente, asi que puedo hacer varias cosas, pero una forma sería alimentar con uno de los canales del L298 el tramo de parada del cantón y con el otro canal del mismo L289 el resto del cantón. Asi habría un L289 por cantón, con un canal alimentando el tramo de parada y el otro canal el resto. Queda todo muy simétrico y modular, porque puedo hacer módulos, cada uno con un L289, que tengan todas las conexiones para un cantón. Así que para un boqueo automático de N cantones necesitaré N módulos idénticos al mostrado en la imagen anterior.

Estos módulos PWM8W son apilables de manera que puede hacerse un montaje muy compacto. De cada uno salen las conexiones que proporcionan a un cantón la alimentación de corriente PWM y al mismo tiempo detectan por consumo la ocupación del cantón. En ese aspecto son muy parecidos a lo que hacen los llamados "retromódulos" en un sistema digital.

PWM8C
Para completar el sistema, necesito un primer módulo que genere la señal PWM para que cada uno de los PWM8W la envíe a cada cantón, Este primer módulo es el que lleva el mando para variar la anchura de pulsos del PWM y conseguir así que los trenes vayan a más o menos velocidad, y también lleva el mando para cambiar el sentido de la marcha y para dejar todos los trenes parados. 

Este módulo de control se sitúa en la pila, encima de los demás módulos, con lo que queda un montaje muy práctico.

Como se ve en la imagen de la izquierda, éste mòdulo PWM8C se parece a primera vista a un PWM71.  Esto se ha hecho intencionadamente para que en un cuadro de mando puedan ponerse juntos los PWM71 y los PWM8C y se vean iguales desde la parte frontal del cuadro de mando. 

Y.. a todo esto, ¿funciona? . Bueno si. Aquí hay una pequeña prueba: 




Naturalmente eso no son más que unas primeras pruebas con el primer prototipo, pero parece que puede funcionar. Por lo menos se ve lo más importante, que es el hecho de que el sistema detecta una locomotora en los carriles a cualquier velocidad, incluso parada completamente. Y también vemos como inmediatamente que la locomotora deja de hacer contacto con los carriles se enciende el led verde y se apaga el rojo, o sea que el cantón ha quedado libre.


Evidentemente con esto se puede llegar a hacer un sistema de acantonamiento y como vemos, aquí no existen imanes ni sensores en las vías ni relés ni nada parecido. Solo se necesitan los cables de alimentación, para llevar la corriente a la vía y para detectar la presencia o ausencia de las locomotoras.

Por cierto he bautizado a este sistema como PWM8ASFA. Evidentemente PWM se refiere al sistema de corriente PWM que se utiliza, y 8 porque la serie anterior de controladores lleva el número 7.

ASFA es en recuerdo del sistema que se usó (y se sigue usando) en España para controlar el acantonamiento en las redes de RENFE. Las siglas ASFA significan Aviso de Señales y Frenado Automático, y si esto llega a funcionar bién también tendremos unos pilotos que avisan de la posición de las señales y el tren se parará automáticamente si las señales impiden el paso.

La verdad es que si esto llega a funcionar bien va a ser un tema curioso, porque durante los muchos años que existió el sistema analógico como única opción, hubo varios sistemas que pretendían hacer algo así, y mis noticias es que nunca se impusieron, seguramente por la complicación que  suponía, y desde luego también porque los sistemas basados en sensores de paso eran más seguros y eficientes. 

La mayoría de las marcas fabricaban tramos de vías con algún tipo de sensor de paso, bién de tipo mecánico o bien de tipo magnético. Marklin, por ejemplo fabrica las vías 8589, 8529 y 8539 con un sensor mecánico para hacer acantonamientos junto con los relés 8945. y el resto de marcas tenían sistemas parecidos.

 Sin embargo los sistemas basados en detectores de ocupación eran de pequeñas empresas (yo diría que casi artesanales) y nunca tuvieron demasiado éxito. Yo tengo noticias de un producto español que se vendía con la marca TRENICO y por lo que yo sé estaba limitado a cuatro cantones. La dificultad, claro, estaba en que era muy difícil detectar una locomotora analógica parada en un vía, así que se recurría a superponer a la corriente continua de tracción , una corriente alterna de alta frecuencia, que era de valor constante, y se podía detectar si una locomotora la cortocicuitaba. Es realmente algo muy parecido a lo que hace un limpiavías Gaugemaster, y en efecto vemos que el Gaugemaster tiene un piloto que está encendido cuando no hay ninguna locomotora y que se apaga en cuanto ponemos la locomotora en la vía. Es decir que detecta la presencia de la locomotora aún cuando esté completamente parada. (*)

Ya discutía en el artículo "Detectando trenes (de nuevo)", las ventajas y  los inconvenientes de los sistemas de detección basados en sensores de paso, frente a los basados en sensores de consumo. Yo soy partidario de los detectores de paso, pero a muchos aficionados les asusta el complicado cableado que suponen, así como la necesidad de poner imanes en las locomotoras y sensores en las vías. No cabe duda que la instalación de un sistema basado en sensores de consumo es mucho más sencilla. asi que cada uno puede decidir qué sistema prefiere.

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* ¿No se podría hacer un sistema de limpiavías tipo Gaugemaster que hiciese también la función de sensores de consumo para un sistema de bloqueo? Mmm........



lunes, 29 de enero de 2018

Motores con inducido de campana (y III)

Automotor a vapor "Kittel"
Uno de los nuevos modelos de Märklin (Ref: 88145) anunciados con motor de inducido de campana

Toca abordar el tema del cogging. Realmente me he enterado de que existe esta palabra cuando hace unos días, la leí en la página de Maxon relativa a sus motores con inducido de campana, aunque conocía el efecto, pero no había encontrado antes algo serio escrito sobre el mismo. No tiene nada de extraño que no encontrase nada, dado que desconocía la palabra cogging y dado que, por lo que parece, no hay en español una palabra que se haya adoptado para describir ese efecto. Sin embargo, lo conocía, y en algún caso incluso ya hablé sobre él en algún foro. El símil de la carretilla rodando sobre chapa ondulada ya lo emplee hace tiempo en alguno de esos comentarios. (*)

Bien, pues este efecto, que como sabemos de debe a la influencia del campo magnético del estator sobre las piezas polares del rotor cuando el motor gira, se traduce en que a lo largo de un giro completo del motor hay zonas en las que aparece una fuerza (mejor dicho un par) que se opone al giro, y zonas en las que aparece un pàr que favorece el giro. Este par se denomina en inglés "Cogging torque" (**) y como vemos es de sentido alternante lo que da lugar a que el giro del motor no sea uniforme, sino que el motor gira ligeramente más rápido  en unas zonas del giro y ligeramente más lento en otras zonas, lo cual naturalmente se convierte en una vibración, y en definitiva en una pérdida de energía. De todas formas el efecto es pequeño y apenas es apreciable en cuanto el motor coge velocidad y la inercia del rotor girando estabiliza el movimiento.

Algo curioso es que cuando cortamos la alimentación, y el motor se para, lo hace siempre en un punto en el cual el par de coggin es nulo, porque si no fuese así este mismo par le haría seguir girando hasta llegar a un punto de cero, a partir del cual ya no puede seguir girando sin energía porque el par de coggin empezaría a crecer en sentido de oposición al movimiento.

Pero hay una circunstancia especialmente interesante, y es lo que ocurre en el arranque:

Volviendo al símil de la carretilla, la carretilla siempre se queda parada con la rueda metida en uno de los valles de la chapa ondulada. Entonces para arrancar hay que hacer un esfuerzo especial para que la rueda suba hasta la primera cresta. Una vez que se ha llegado a ese punto, la rueda cae sola hacia el siguiente valle, y la inercia de ese movimiento facilita la subida de la cresta siguiente. En resumen se necesita más esfuerzo para iniciar el movimiento que para mantenerlo.

Pues con el motor ocurre igual: si partimos de cero y vamos incrementando lentamente la tensión, al principio el par generado es insuficiente para vencer el par de cogging que siempre está inicialmente en el punto en que hay que vencer el mayor valor desfavorable, Hasta que no se supera el valor de ese par, el motor no arranca. En el momento en que se supera la tensión que produce un par mayor que el de cogging el motor comienza a girar y como a partir de ese momento el par alterna entre favorable y desfavorable el motor sigue girando ya con una cierta velocidad. O sea: el par de cogging es el responsable de que los motores clásicos arranquen ya con una cierta velocidad.

Aqui vemos también la razón de que los controladores PWM consigan arrancadas lentas. La corriente PWM está formada por pulsos muy cortos pero de tensión máxima. Por lo tanto cada uno de esos pulsos produce de sobra un par mucho mayor que el par de cogging y el motor empieza a girar. A partir de ese momento la inercia de giro del rotor mantiene el giro hasta el próximo pulso.

Esa claro que todos los aficionados desean que sus locomotoras se comporten del modo más parecido posible a las locomotoras reales, y uno de los deseos más claros es conseguir que puedan rodar a velocidades muy lentas y que los arranques sean lentos y progresivos. Y acabamos de ver el motivo por el que esto no es posible con corriente continua normal y motores clásicos a causa del par cogging de este tipo de motores.

Desde luego, Marklin ha tratado de minimizar el efecto cogging de sus motores y a esto fundamentalmente se deben los cambios de tecnología que ha ido introduciendo en sus motores de escala Z:

Hacia el año 2000 cambió de motores de tres polos a motores de cinco polos, lo cual, fundamentalmente reduce el efecto cogging y por lo tanto permite un arranque claramente más lento. Los motores de cinco polos tienen más puntos de par favorable y desfavorable que los de tres polos, pero la intensidad del par es menor, asi que el par inicial necesario para que se supere el primer par máximo es menor.

Luego hacia 20013 aparecieron algunos motores con bobinas oblicuas. Esto produce que el par de cogging se "suavice", es decir que los maximos y mínimos se repartan a zonas más anchas y menos intensas, pero el efecto sigue estando ahí.

Y ahora, en 2018,  parece que se ha decidido por un paso drástico eliminando por completo este efecto con los nuevos motores de inducido de campana, en los que en efecto, este efecto no se da

La figura reproducida arriba compara el valor del par motor , con el par de cogging indicando que el motor clásico convencional (en azul) puede tener un par de cogging de alrededor del 4% del par motor. Con un motor "skewed" o sea de bobinas oblicuas, el par de cogging se reduce a menos de la mitad, quedando en un 1,5% (en rojo), y por supuesto, el inducido sin hierro se queda en el 0% (en verde)

A diferencia de los casos anteriores (ligereza y baja impedancia) no veo que de ninguna forma y en ningún caso esto pueda ser perjudicial para el funcionamiento de nuestros trenes, así que creo que es una buena noticia para todos los aficionados.

P.D.:  Me he apuntado en lista de espera para comprar el automotor "Kittel" En teoría sale el segundo trimestre de este año.....ya veremos.

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* Véase este post mío de Febrero de 2015 en Plataforma-N: http://www.plataforma-n.com/index.php?topic=30773.msg391592#msg391592


** He visto en algún caso llamarle en español "par de saliencia" lo cual me parece bastante horrible en primer lugar porque la palabra "saliencia" no está en el diccionario y además esta palabra es un término usado en Psicología para definir la capacidad de una persona para destacar ante los demás. Puestos a inventar yo hablaría de "par de endentado". Al fin y al cabo la palabra cogging viene de cog, diente de una rueda dentada.





sábado, 27 de enero de 2018

Motores con inducido de campana (II)




Los periodistas suenen querer distinguir entre lo que es información y lo que es opinión. Bueno pues yo también quiero hacer  hoy esa distinción, porque todo lo publicado en la primera parte de este artículo era pura información sacada de los catálogos de Marklin de la web de Maxon, y algunas aportaciones adicionales. Pero son solamente descripciones de cómo son estos motores, como funcionan y cuales son sus propiedades. En esta segunda parte me voy a arriesgar a dar mi opinión sobre algunos de estos temas y cómo nos puede afectar a los aficionados

Motor con cabezas oblicuas.
Nos quedábamos en que estos nuevos motores tienen unas características distintas en algunos aspectos a los tradicionales motores que ha usado Märklin en esta escala, La verdad es que teniendo en cuenta que esta aventura empezó allá por el año 1972, los avances tecnológicos han sido mínimos, sobre todo en el tema de los motores, cuya única modificación importante fué el paso de motores de tres polos a motores de cinco polos, que se produjo hacia el año 2000. Luego hubo también unos motores con cabezas oblicuas que pasaron casi totalmente desapercibidos. En casi 50 años la tecnología ha evolucionado y concretamente en lo que respecta a este tema en dos aspectos: Por un lado, ahora, gracias a los procesos automáticos de producción con maquinaria controlada por ordenadores es posible construir motores de este tamaño, con la tremenda precisión que se requiere, sin que el coste sea desorbitado. En segundo lugar, y esto es más específico del tema de motores eléctricos, ahora se pueden fabricar imanes de una potencia mucho mayor que hace unos pocos años A todos nos ha sorprendido la presentación en sociedad del Neodimio, material que hace unos pocos años era poco más que una rareza de laboratorio. La consecuencia es que hoy se pueden fabricar motores adecuados para nuestras locomotoras con prestaciones superiores a las anteriores y seguramente a menor coste.

Decíamos que un motor con inducido de campana, tiene entre sus características un tamaño más reducido y un menor peso que el motor de tres o cinco polos de potencia equivalente. Esto ya es interesante, porque realmente el que una locomotora pese menos es un inconveniente, no una ventaja.

Todos los aficionados a la escala Z estamos acostumbrados a ver que nuestras locomotoras empiezan a patinar en cuanto las cargamos con demasiados vagones o en cuanto pretendemos hacerlas subir por pendientes demasiado fuertes. Naturalmente el hecho de que no tengan aros de goma en las ruedas, como es habitual en escalas mayores, contribuye a esa facilidad  con que comienza el patinaje. Hay quien considera que esto es un grave defecto, pero a mi me parece que es un tema muy real: Cuando un tren real pretende subir por una pendiente demasiado fuerte o lleva demasiada carga también patina. Y la solución es la misma en un caso y en otro: no hacer pendientes demasiado fuertes, no sobrecargar los trenes, y si todo eso no funciona poner dos locomotoras a tirar del tren, o poner una locomotora más pesada.

En efecto, es el peso de la locomotora (el que apoya sobre las ruedas motrices, llamado peso adherente) el que evita que la locomotora patine, tanto en la realidad como en nuestra escala.

Otra cosa que podría ocurrir, es que la locomotora no tenga fuerza suficiente, o sea que sin llegar a patinar las ruedas, la locomotora se pare deteniéndose el motor por falta de fuerza, Esto yo no lo he visto jamás en una locomotora de escala Z (si en otras escalas con aros de goma en las ruedas) así que parece que los motores tienen potencia más que sobrada para arrastrar cualquier tren.

En resumen: que no tenemos ninguna necesidad de motores más potentes y mucho menos de motores más ligeros. La única esperanza es que si estos motores son más pequeños, dejen espacio suficiente para meter contrapesos y aumentar el peso de las locomotoras.

Es curioso que en el tema del peso, Märklin ya lo ha hecho mal en otro aspecto: Desde 2013, Märklin empezó a fabricar las locomotoras de vapor con en bielaje completo. Esto fué una gran noticia, pero también quisieron añadir unos detalles adicionales para reproducir las zapatas de freno,y  algún detalle más. Todo eso está muy bien, pero para poder hacer por moldeado esa filigrana de elementos, decidieron hacer toda la parte inferior de plástico. Es sabido que la tapa inferior de la caja de engranajes de las locomotoras de vapor, era en todos los casos anteriores, una pieza de metal de un grueso notable, que naturalmente pesaba unos gramos y  contribuía a evitar que las locomotoras patinasen, Bueno pues con el cambio a plástico se nota bastante que la tendencia a patinar se ha incrementado.

Al año siguiente yo compre la BR38 (88998) que fué la primera locomotora pequeña que sacaron con bielaje completo. Es preciosa, (véase Marklin 88998) pero patina a la mínima carga que se pretenda arrastrar.

Por cierto, y hablando de peso, si efectivamente los nuevos motores son más ligeros, hay que considerar que la mayor pérdida de peso corresponde a la desaparición del inducido de hierro. Como el inducido es justamente la parte que gira en el motor, quiere decir que la parte móvil pesa menos y por tanto tiene menos inercia. Los fabricantes de motores de este tipo alaban como una gran ventaja esta falta de inercia que hace que el motor empiece a girar a su velocidad máxima en tiempos muy cortos. Pero de nuevo hay que preguntarse si eso es bueno o no, y la respuesta es evidentemente negativa. Muchas marcas de otras escalas ponen en sus motores un "volante de inercia" cuya misión es regularizar la marcha y sobre todo evitar que la más mínima interrupción de la corriente, por ejemplo al pasar por un desvío o un trozo de vía sucio. haga que la locomotora se pare. Marklin nunca ha puesto volantes de inercia en la escala Z pero es evidente que el rotor de tres polos y más el de cinco polos, tienen un peso relativamente importante. Cuando están girando mantienen una cierta inercia que tiene un pequeño efecto de volante de inercia.  Si ahora el rotor, la famosa campana, es mucho más ligera, este efecto se pierde y podría ocurrir que la locomotora se pare a la mínima interrupción. Supongo que Marklin ha adoptado alguna solución sobre este tema, porque si no es así, podría estar empeorando el comportamiento.

La segunda cuestión es mucho más importante, porque se relaciona con la importante bajada de la inductancia del motor de campana. Esta reducción proviene fundamentalmente del hecho de que se ha suprimido el núcleo de hierro del motor clásico. De nuevo los fabricantes de motores presentan esto como una ventaja, y tienen razón desde el punto de vista de que debido a la histéresis, una corriente no constante produce un calentamiento del núcleo de hierro, que se lleva parte de la energía consumida, mientras que al no haber núcleo de hierro en el motor de campana no se pierde esa energía. Se evita por lo tanto el calentamiento por esta causa, y se aumenta el rendimiento energético.  De hecho, este desperdicio de energía que suele denominarse "pérdidas en el hierro", puede llegar a ser el factor más importante de pérdida de energía en un motor clásico, de manera que el de campana, resulta más eficiente por esta causa.

Pero cuando he dicho una corriente no constante no he aclarado a que me refiero. Estamos hablando de un motor de corriente continua, así que la corriente debería ser constante. Bueno, en primer lugar en un motor clásico, aunque la corriente sea continua, debido al juego del colector, en cada revolución del motor la corriente que pasa por los bobinados cambia de sentido un par de veces, y como estos bobinados tienen  el núcleo de hierro se produce la perdida por histéresis aunque la alimentación sea un tensión constante. Pero además en la práctica, en muy pocos casos se utiliza corriente rigurosamente continua aunque por el hecho de que no cambia de polaridad la llamamos así.

Hace tiempo escribí aquí un par de artículos  (Corriente ¿continua?) en que analizaba los distintos tipos de corriente que proporcionan los distintos tipos de controladores que podemos usar con nuestros trenes. Los seguidores de este blog saben que me he dedicado con intensidad al tema de la corriente PWM y naturalmente tengo mucho interés en analizar en qué afecta al tipo de control basado en corriente PWM, la baja impedancia de estos motores. Hay muchos artículos en este blog dedicados a este tema, pero recomiendo a los que quieran tener una buena idea de lo que es y lo que se obtiene con este sistema que vean el artículo siguiente: Comparativa PWM.

Lo primero que se puede deducir del citado artículo es que no basta con hablar de corriente PWM. Es necesario determinar de qué frecuencia es esa corriente, y en el mismo artículo se deduce que los mejores resultados se obtienen con frecuencias muy bajas, del orden de 50 Hz. Sin embargo también se avisa que muchos aficionados compran controladores de tipo industrial para sus trenes, y es seguro que si lo hacen se van a encontrar con un aparato que produce una frecuencia de mas de 20 kiloherzios.Realmente las bajas frecuencias, del orden de 20 Hz se encuentran solamente en controladores PWM diseñados especificamente para el control de trenes, como los que fabrica, System Jörger, Ken Stapleton, o yo mismo. 

Como decía, los mejores resultados para controlar trenes se obtienen con frecuencias del orden de 40 Hz como es el caso de los míos, pero en el artículo anterior se veía un pequeño controlador de tipo industrial de origen chino, cuya frecuencia variaba entre 20000 y 30000 Hz. y no es nada excepcional sino precisamente es lo habitual.

Bien, pues estoy seguro de que un controlador PWM de baja frecuencia, es decir con una frecuencia por debajo de 100 Hz no produce ningún calentamiento detectable en el inducido de campana. Digo que estoy seguro, no por que me lo parezca, sino porque un compañero de foro, que tiene una locomotora 88770 y uno de mis controladores ha hecho la prueba y me ha confirmado que no hay ningún problema. Y tampoco lo habrá con controladores PWM como los de System Jorger, Ken Stapleton ni ningún otro que opere a frecuencia baja, en definitiva con controladores diseñados para trenes. Como ilustración, en la cabecera de este artículo hay un vídeo en el que se ve uno de mis controladores manejando una locomotora de escala Z, y que tiene un osciloscopio conectado para mostrar la forma de onda de la corriente que produce. Se aprecia muy bién que la velocidad de la locomotora responde exactamente a la anchura de los pulsos de la corriente PWM generada y también se aprecia, sobretodo al final, del video, que la frecuencia de ese controlador concretamente es de 31 / 34 Hz

Sin embargo hay que avisar a aquellos que han comprado controladores PWM que son de uso general, y se venden por internet para control de iluminación, control de ventiladores, etc. Casi todos esos aparatos usan frecuencias muy altas, superiores a 20000 Hz, porque es la forma de evitar sonidos por resonancia o parpàdeos cuando se usan para regular luces. Aunque los hayan usado con éxito para sus trenes com motores clásicos, prodría ocurrir que con los motores de inducido de campana tengan problemas de calentamiento.

Es curioso que en este caso la página de Maxon si que admite que la falta de impedancia puede ser un problema con controladores PWM. Se está refiriendo desde luego a sistemas industriales con frecuencias altas, y dice que la solución es poner unas inductancias externas en serie con las bornas del motor. Bueno, claro, es de perogrullo: Si el motor con poca inductancia se calienta, pongamos inductancia añadida por fuera. Pero es también una bonita forma de estropear el efecto de la PWM. Siempre que se va a usar una locomotora en digital o con PWM se recomienda eliminar los posibles condensadores "atiparasitarios" y las "bobinas" (inductancias) en serie.

Todavía tenemos otro caso relacionado con el tema de la inductancia del motor. Me estoy refiriendo a los llamados limpiavías electrónicos, de los cuales los más populares son los que fabrica la marca Gaugemaster. Tan populares son que entre los aficionados se habla simplemente del Gaugemaster para referirse a estos limpiavías, aunque realmente Gaugemaster fabrica muchas otras cosas.

El principio del "Gaugemaster" está comentado en unos cuantos artículos de este blog. Para el que desee saber los fundamentos del sistema, recomiendo en concreto: Gaugemaster II, donde se explica la teoría en la que se basa. En resumidas cuentas el Gaugemaster inyecta en la vía una corriente alterna de alta tensión y alta frecuencia que cuando se interrumpe por una falta de contacto entre los carriles y las ruedas a causa de suciedad en la vía, produce un chispazo que quema la suciedad y limpia los carriles y las ruedas.

Naturalmente después de lo que hemos estado diciendo respecto de lo mala que era una corriente de alta frecuencia para los motores de campana, decir "alta tensión y alta frecuencia" pone los pelos de punta a cualquiera. Más se ponen de punta si conectamos un osciloscopio a la vía cuando hay un Gaugemaster actuando sobre ésta. La imagen es bastante espectacular como se ve en la fotografía siguiente:


Esto es lo que aparece en el osciloscopio cuando ponemos las puntas de prueba en los carriles con el Gaugemaster funcionando, ¡ lo prometo !. Bueno, aclaremos un par de cosas: La linea roja no corresponde a la vía sino que es la entrada de corriente alterna de 50 Hz con que alimentamos el Gaugemaster. También hay que decir que la punta de prueba lleva un atenuador de 1:100 para no saturar el osciloscopio.  Entonces lo que vemos es una salida representada en amarillo que es una corriente alterna de más de 60 KHz (60.22 KHZ se lee en la imagen) que vemos tan apretada que parece una macha amarilla sólida, pero realmente es una onda alterna de esa frecuencia. Como se ve la amplitud de esa onda no es constante, sino que está modulada por la corriente de alimentación de 50 HZ, y además se interrumpe durante los ciclos negativos de esa corriente de alimentación. Medidas más precisas hechas posteriormente me han dado los valores de 58 kHz y 688 Voltios de pico a pico. 

La primera idea es que esos valores son una burrada y que pueden destruir cualquier motor de una locomotora de escala Z sea de campana o sea de lo que sea. El truco está en que eso corresponde a lo que tenemos en la vía cuando no hay ninguna locomotora. En cuanto ponemos una locomotora en la vía todo eso desaparece y en la vía no hay tensión ni frecuencia ni nada. Si la locomotora está parada tampoco habrá tensión de alimentación, o, si conectamos la alimentación, por ejemplo un controlador PWM, aparecerá su característica onda cuadrada con una altura de unos 9 V en escala Z (o 12 V en escala N) tal como veíamos en el video que hay en la cabecera. ¡Nada de 600 Voltios!

Esto que parece complicado de hacer y peligroso por si algo llegase a fallar y todos esos voltios llegasen a la locomotora, en realidad es algo sencillo y seguro pues se debe solamente a la gran impedancia del Gaugemarter. En lugar de extenderme en explicaciones y cálculos de como funciona esto, he hecho una simulación en el programa Proteus, para ver que es lo que pasa y de paso para sacar unas imágenes que ilustren el tema. 

1 Sin locomotora en la vía
En la primera imagen podemos ver el circuito que hace la simulación. Se hace que genere una salida muy parecida a la que genera el Gaugemaster real, y está formada por un generador de señal y una fuente de 50 Hz que modula la señal producida por el generador de señal. La clave del tema es el transformador que se ve en el circuito, que eleva mucho la tensión y por lo tanto crea un agran impedancia de salida. En la parte derecha he puesto los dos elementos que van a simular el motor: una resistencia de 12 ohmios y una impedancia de 100 milihenrios. Estos datos corresponden a un motor clásico- Hay también un interruptor SW2 que permite eliminar la impedancia cortocircuitándola. y así poder simular lo que ocurre con el motor sin inductancia como sería el caso de inducido de campana.

El otro interruptor SW1 conecta o desconecta el circuito de R2 y L1 que  simula la locomotora, asi que al estar abierto como en la figura 1, es como si la locomotora no estuviera, y la acción de cerrarlo equivale a poner la locomotora en la vía.

2. Con la locomotora en la via
Asi que la figura 1 muestra la situación de que no haya ninguna locomotora en la vía. Como vemos en la imagen el osciloscopio virtual de la simulación muestra una imagen muy parecida a la obtenida con el Gaugemarster real. No sólamente el aspecto es similar sino los datos: La sonda de tensión situada en la parte superior permite leer una tensión de 299 Voltios que correspondería a 600 de pico a pico y la frecuencia del generador de señal es de 60kHz, y por supuesto la frecuencia de modulación es de 50Hz. (se ve la onda en rojo). Asi que una situación prácticamente idéntica a la que se obtuvo en su día con el Gaugemaster real.

La figura 2 muestra lo que ocurre cuando cerramos el interruptor SW1 es decir lo que ocurre simplemente por colocar la locomotora en la vía. Lo más espectacular es que los casi 300 Voltios que marcaba la sonda sin locomotora.,  han pasado a una cifra despreciable. Concretamente se puede leer 4.5 E-005 o sea unos 45 microvoltios. y como consecuencia  la intensidad que circula ahora por la locomotora es 3,73 microamperios. Eso y nada es lo mismo.

 Si en esta situación abrimos y cerramos el interruptor SW2 lo que equivale a considerar un inducido con inductancia o sin inductancia, las variaciones son mínimas, asi que se puede concluir que la influencia de la presencia de un inducido con inductancia o sin ella es prácticamente despreciable.

Por último, ya que estamos, vamos a ver que pasa cuando se produce una interrupción, por suciedad en la vía o por falta de contacto:

3. Circuito interrumpido por suciedad
Bueno, si hay un corte en la alimentación, ocurre lo que vemos en esta tercera imagen: En la parte inferior vemos que el circuito está interrumpido en un punto y he situado sondas de tensión a ambos lados de ese corte. Lo primero que vemos es que la alta tensión y alta frecuencia aparecen de nuevo, y podemos leer en la sonda de la parte superior otra vez una tensión altísima, de 562 voltios en la imagen, pero esta misma tensión aparece en el lado derecho del corte. 

Sin embargo por esa rama donde está la locomotora la intensidad es cero, así que por la locomotora no pasa ninguna intensidad y toda esa rama se ha puesto a esa tensión. A la izquierda del corte la tensión es cero y la intensidad también. O sea, en definitiva, que a ambos lados de la interrupción tenemos más de 500 voltios.  Este punto será normalmente, por un lado el carril sucio y por el otro la llanta de la rueda de la locomotora. Lo normal es que entre ambos puntos separados por milésimas de milimetro y con una tensión de unos cientos de voltios, salte una chispa que queme la suciedad que impedía el contacto. En cuanto el contacto se restablece volvemos a la situación de la figura 2

Lo más interesante de esto, es que en ninguna de las tres situaciones pasa una corriente significativa por la locomotora, con lo cual no hay energía suficiente para estropear ni para calentar nada, asi que mi conclusión es que el sistema de limpiavías Gaugemaster es compatible con los motores con inducido de campana.

Bueno, pues nos queda el tema mas divertido. El del dichoso cogging. En el próximo artículo será tratado como se merece.


miércoles, 24 de enero de 2018

Motores con inducido de campana (I)

www.maxonmotor.com/academy

Aunque Märklin había sacado ya algún modelo (88770)  en el que hablaba, de una forma un poco confusa de un nuevo tipo de motor, ("The model has a new exclusive powerful motor") hasta ahora parecía que se trataba de un caso especial debido la original estructura de esa locomotora doble.

Sin embargo recientemente ha aparecido el catálogo de novedades para 2018 y nos encontramos con una irrupción de modelos en los que se anuncia una nueva generación de motores, dándoles el nombre de "motor con inducido de campana". En inglés "bell-shaped armature motor" y "Glockenankermotor" en alemán. Estas son las que yo he localizado en el citado catálogo:

88544 Locomotora eléctrica BR103
88353 Locomotora eléctrica E 41
88185 Locomotora de vapor Clase C de Wurttembeg
81332 Tren Rheingold con locomotora de vapor BR18
88203 Locomotora diesel V 200
88742 Locomotora de vapor BR 064
88227 Locomotora eléctrica E94

Dado que esas son prácticamente todas las nuevas locomotoras, está claro que Marklin ha tomado la decisión de utilizar este nuevo tipo de motor en todos los modelos que vayan apareciendo. Yo siempre me he  quejado del inmovilismo de Märklin, así que en principio parece un cambio importante y hay que suponer que a mejor. De hecho, un espía me dice que la gente de Märklin presume de que con este motor las locomotoras de escala Z funcionan tan bien como las de H0. Por cierto, que esta frase me deja un poco frío porque las locomotoras de Z ya funcionaban como las de H0, si se las alimentaba con PWM. El problema estaba en los transformadores, no en los motores.

Por lo que parece Marklin ha llegado a un acuerdo para que la empres Maxon le fabrique los motores tanto de H0 como de Z. Maxon es una empresa suiza especializada en pequeños motores utilizados en miles de productos, asi que esto es una garantía.

Pero, ¿qué es un motor con inducido de campana?. Con la ayuda de algunos contertulios del foro "Escala-Z" (Gracias, "cavero"!) parece que he llegado a unas cuantas ideas sobre el tema, aunque debo aclarar que dada la falta de información por parte de Märklin, algunas conclusiones pueden ser inexactas.
Inducido de campana

La imagen de la portada (de la web de Maxon)  presenta un esquema de este tipo de motores. En esencia se trata de un bobinado sin ningún núcleo, de hilos de cobre  por lo que adopta la forma de un cilindro hueco. Es como si enrolláramos el hilo en un lapicero, y luego quitamos el lapicero. Pero el cable no va enrollado formando círculos sino que sigue una dirección más o menos paralela al eje. por lo que ese cilindro se desharía fácilmente, pero realmente el aislamiento que lleva el cable se funde durante la fabricación del motor, de modo que queda un bloque con forma de cilindro hueco de pared relativamente fina en la que quedan embebidos los hilos de cobre. Este elemento es la famosa campana y está representada en rojo en el dibujo de la cabecera. Es el inducido o rotor, o sea la parte que gira en el motor.

En el interior de ese cilindro, tenemos un imán fijo de forma cilíndrica unido a la carcasa del motor por la parte abierta (la derecha en la imagen) Es la parte fija del motor y constituye por tanto el inductor o estator, y se  representa en verde en el dibujo

www.maxonmotor.com/academy
El estator está perforado a lo largo de su eje y por ese taladro atraviesa el eje del motor que se sustenta en dos cojinetes en las tapas de la carcasa, Por la parte contraria, (la izquierda en la figura) el inducido acaba en una placa circular donde los extremos de los bobinados se juntan y se conectan a las delgas de un colector con escobillas al estilo clásico.

La carcasa es también de material ferromagnético para conducir el flujo magnético creado por los imanes.

La imagen sobre estas líneas es muy ilustrativa porque muestra el motor a medio desarmar, de manera que vemos el bobinado unido a la placa del colector, y ésta unida al eje, desplazados hacia la izquierda y por el lado derecho quedan la carcasa y el núcleo magnético, unido a la carcasa por la tapa de ese lado.

Vemos que el bobinado gira en el etrehierro que queda entre el imán y la carcasa.

Curiosamente en este tipo de motores es mucho más fácil entender porqué se mueven, que en un motor clásico de bobinados con núcleos de hierro. Como dije los hilos del bobinado van aproximadamente en dirección paralela al eje asi que esto es una aplicación directa de la ley de Loretz. Curiosamente cuando se empiezan a estudiar motores eléctricos, se suele utilizar una imagen como la siguiente:

Como vemos en el dibujo, la corriente circula por una espira que tiene dos ramas paralelas al eje del motor. Sobre estas dos ramas longitudinales es sobre las que aparece la fuerza de la ley de Loretz representada aquí con las flechas verdes. Bueno pues lo que estamos diciendo es que el motor de campana funciona exactamente así, excepto por el hecho de que el imán que genera el campo mágnético, en lugar de ser esas dos grandes piezas roja y azul, es una pieza más pequeña situada en el hueco entre las espiras. Pero el campo magnético es exactamente igual en cuanto a posición y sentido al representado en la figura con las flechas rojas.
El bobinado está compuesto por muchas espiras que van girando y que al situarse en una posición como la del dibujo reciben fuerzas como las F que hacen girar el bobinado.

En otro tipo de motores es difícil llegar a cómo funcionan, pero en este tipo es elemental, ya que coincide con esa sencilla figura, en la que como vemos no hay piezas polares ni nada parecido.

Asi que lo primero qué vemos es que en efecto, aquí hay mucho menos hierro que en un motor clásico, y eso tiene dos consecuencias importantes:

Por un lado se disminuye el peso y el volumen del motor respecto de uno de la misma potencia (o dicho de otra forma podemos hacer un motor más potente con el mismo tamaño)

Por otra parte en un motor clásico, la corriente circula por conductores arrollados alrededor de núcleos de hierro. Esta disposición tiene la característica de presentar una alta inductancia y esto lleva consigo que haya una pérdida de energía debida a la histéresis del hierro, que se traduce en calentamiento. Es lo que se llama en física "pérdidas en el hierro". En este tipo de motores la inductancia es mucho menor asi que las pérdidas son menores, pudiendo obtenerse más potencia sin que el motor se recaliente.

O sea que podemos tener un motor más pequeño y eficiente. Esto ya sería importante, pero hay un factor que para nuestros trenes es mucho más importante, asi que voy a intentar describirlo con detalle. Bueno lo primero que ocurre es que no se como se llama en español. En ingles la palabra es cogging. He estado buscado en internet como traduce la gente esta palabra y me he encontrado con que cuando el que traduce sabe de lo que está hablando, deja la palabra sin traducir, o sea directamente usa cogging. Por el contrario todos los intentos de traducción que he visto resultan rocambolescos.

Una imagen vale mas que mil palabras....
¿Y qué significa cogging?  Imaginemos que tenemos una carretilla de las clásicas de obra, con una única rueda delante y dos mangos detrás para llevarla. y que la hacemos rodar sobre una plancha ondulada como las antiguas uralitas, moviéndola perpendicularmente a las crestas de la chapa, es decir que la rueda va subiendo y bajando según avanza. Cada vez que la rueda sube una cresta, nos exige un esfuerzo extra. Ciertamente una vez que supera la cresta la rueda cae sola,  pero inmediatamente hay que volver a hacer el esfuerzo para superar cada cresta. Y cuando dejamos de empujar la carretilla se queda siempre encajada entre dos crestas, y es casi imposible dejarla con la rueda en la parte alta. Entonces este movimiento en lugar de ser uniforme, exige un mayor esfuerzo y además no permite detenerse en cualquier punto. Exactamente eso quieren decir los ingleses cuando dicen que ese movimiento tiene cogging. Parece ser que deriva de cog que es algo asi como diente de una rueda dentada. Yo no se si hay una palabra en español para referirse a eso, así que de momento lo dejaremos en inglés.

Bueno, pues si nosotros cogemos un motor eléctrico del tipo que usamos en los trenes, y sin conectarlo eléctricamente a nada, ni ponerle nada en el eje, es decir solo y aislado en el mundo, y hacemos girar el eje entre los dedos, notaremos ¡que tiene cogging!. es decir el eje gira, pero presenta momentos en que está mas duro y otros en los que parece que se mueve solo hasta el próximo punto duro. Como el motor está desconectado, no es nada que tenga que ver con la electricidad. De hecho podríamos quitar todo el cobre de los bobinados, y el efecto seguiría igual. Se trata simplemente de la atracción magnética entre los núcleos de hierro de las bobinas del rotor (tengan o no los bobinados de cobre puestos) y los polos del imán del estator. Hay puntos en que las atracciones van a favor del movimiento, y por tanto son puntos "blandos" y puntos en los que la atracción se opone al movimiento y son los puntos "duros". Bueno pues este efecto lo tenemos siempre, tanto si movemos el eje entre los dedos como si el motor está girando cuando funciona. Siempre es un efecto que tiende a frenar el motor, aunque cuando la marcha del motor es un poco rápida es un efecto prácticamente imperceptible.

Peeeero..... Cuando estamos a un régimen muy bajo o pretendemos arrancar lentamente, el efecto es muy significativo. Tanto que cuando decimos eso de que al ir subiendo la tensión lentamente desde cero, inicialmente el motor no gira hasta tanto se alcanza un punto en el que se vence el rozamiento, y el motor arranca es mentira: ¡lo que hay que vencer fundamentalmente es el cogging no el rozamiento! Por eso notamos que los motores de tres polos arrancan peor que los de cinco polos. La diferencia es que los de tres polos tienen menos puntos de cogging pero más potentes mientras que los de cinco polos tienen más puntos pero menos potentes, así que incordian menos.

Bueno, pues lo interesante, es que un motor con inducido de campana ¡no tiene cogging!. Pero nada, o sea cero pelotero. Es evidente porque aquí no hay ninguna pieza de hierro que se mueva en un campo magnético que es lo que daba lugar a cogging. De hecho no hay ninguna pieza de hierro que se mueva.

Parece por lo tanto que las diferencias fundamentales entre un motor con inducido de campana y el clásico motor de polos bobinados, son tres

Menor peso y tamaño para la misma potencia.
Mucha menor inductancia.
Cero cogging

Ahora voy a tratar de analizar cómo nos pueden afectar estas diferencias a nuestros tenes, pero será mejor dejar pasar unos días para ir asimilando el tema.


domingo, 21 de enero de 2018

Detectando trenes (de nuevo)




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

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

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

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

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

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

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

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



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

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



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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  • Si ponemos con la mano una locomotora en un cantón, como no ha pasado por el sensor de entrada, el cantón se seguirá considerando libre. Análogamente si quitamos manualmente una locomotora de un cantón el cantón queda ocupado aunque no hay ninguna locomotora en él.  Lo mismo ocurre si hay desvíos que permiten entradas y salidas laterales a un cantón si no tienen sensores, y si los ponemos se llega a situaciones muy complejas

  • Si por error había dos trenes en un mismo cantón cuando el primero sale el cantón pasa a considerarse libre aunque haya queda el segundo tren dentro del cantón.

  • Cuando ponemos en marcha la maqueta, los trenes están indetectados, y por lo tanto todos los cantones libres hasta que no empiezan a moverse trenes y a activar sensores (Los relés biestables pueden "guardar memoria" de la situación al apagar la maqueta, pero nada garantiza que la situación no haya variado)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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