Controladores PWM de baja frecuencia

Tradicionalmente los controladores de tracción (que en muchos casos se llaman "transformadores") para el control del movimiento de los trenes en miniatura analógicos de corriente continua, permiten manejar por un lado la velocidad de los trenes, y por otro lado el sentido del movimiento. En muchos casos esto se hace con un único mando que tiene una posición central de parada ,y girando en un sentido hace avanzar el tren progresivamente más deprisa, y girando en sentido contrario le hace retroceder también progresivamente más rápido. En otros casos el mando de velocidad es independiente, y simplemente hace que el tren ruede más o menos rápidamente y el control de ir hacia delante o hacia atrás se hace con un segundo mando, en forma de conmutador o palanca, que además muchas veces tiene una posición central de parada.

En todo caso, lo que generan estos aparatos es una corriente continua cuya mayor o menor tensión se traduce en una velocidad mayor o menor, y cuya polaridad define el sentido de marcha, de forma que si se invierte la polaridad  el tren cambia de sentido. 

Sin embargo, hay algo muy importante: aunque todos los controladores para trenes analógicos de corriente continua producen efectivamente corriente continua, en el sentido de que su polaridad es constante, hay diferencias importantes en cuanto a la forma de esa corriente, que no es lineal casi nunca, sino que está formada por "picos" o "crestas" cuya forma de onda y frecuencia influye de forma decisiva en el mejor o peor comportamiento de los trenes

     
                                           

En las imágenes anteriores (tomadas de un osciloscopio) tenemos cuatro formas de onda de entre las que son utilizadas por los diversos controladores que podemos encontrar en el comercio. Su denominación técnica sería, de izquierda a derecha, rectificada de media onda, rectificada de onda completa, rectificada compuesta y modulada por ancho de pulso (PWM).

Todas estas formas de onda y alguna más son admitidas por las normas NEM 
(Las normas europeas que definen las características que deben cumplir los modelos de trenes) y concretamente la norma NEM 630 (A la izquierda. Pulse para ampliar)  por lo que cualquier locomotora que se venda comercialmente tiene que admitir cualquiera de esos tipos de corriente, y de hecho así es. Sin embargo, el comportamiento de la locomotoras no es igual para cada uno de estos tipos de corriente, por lo que es interesante saber de qué tipo es cada controlador.

El problema es que normalmente los fabricantes no especifican de que tipo son cada uno de sus controladores o transformadores, sino que, en todo caso recurren a terminologías misteriosas como "MSF" "Corriente pulsada" y otras denominaciones imaginativas sin que quede claro a qué se refieren en cada caso. La mayoría de los controladores de gama alta producen corriente del tipo de onda compuesta con frecuencia de 50 Hz , pero eso solo se puede verificar mediante un osciloscopio.

Sin embargo el mejor sistema, sin duda alguna, para controlar un motor eléctrico de corriente continua es el cuarto, al que se denomina PWM (Pulse Width Modulation). De hecho en las locomotoras digitales cuando la corriente digital llega al decodificador que tiene cada locomotora, éste genera una corriente PWM que es la que alimenta al motor. Es decir: el motor de una locomotora digital no recibe corriente digital sino corriente analógica de tipo PWM generada el propio decoder de la locomotora a partir de la corriente digital que éste recibe.  El excelente comportamiento de las locomotoras digitales, sobre todo en cuanto a control de velocidad, especialmente a velocidades lentas se debe a que están funcionado con corriente de tipo PWM. 

Naturalmente, si en un tren analógico, hacemos que el controlador produzca corriente PWM y la inyectamos en las vías, ésta corriente llegará al motor, y entonces este tren analógico se podrá comportar tan bien como uno digital. En el video de la izquierda se puede ver una locomotora funcionando con corriente generada por un controlador PWM externo. En el osciloscopio conectado se puede ver como la locomotora responde al ancho de pulso de la corriente mientras que la tensión de la misma es constante.  

De hecho, incluso se puede hacer esto, utilizando cualquiera de los muchos generadores de corriente PWM que se ofrecen por la red para el control de motores y de luces. Pero hay un problema: En general, para esta función, se utilizan corrientes PWM cuya frecuencia es elevada, del orden de 20 kilo Hercios. Esto es porque es muy habitual que algún elemento del motor entre en resonancia con la frecuencia de la corriente PWM, y si estamos dentro de la gama de frecuencias audibles, percibiremos un sonido como un pitido constante, que resulta molesto y alarmante. Por este motivo se emplean esas frecuencias altas por encima de la gama audible. Cuando la señal PWM se produce muy cerca del motor, como en el caso de una locomotora digital, no hay problema en emplear esas altas frecuencias, pero si generamos la corriente PWM en el controlador y la hacemos recorrer toda la vía hasta la locomotora, con esas altas frecuencias, la señal se deforma y pierde parte de su eficacia.

Esta circunstancia, así como el mayor coste de fabricación de los controladores PWM han hecho que esta tecnología se haya empleado muy poco para trenes analógicos. Sin embargo, hoy en día los componentes electrónicos tienen precios más asequibles que hace años, y por otra parte si se emplean frecuencias de PWM mucho más bajas, del orden de entre 30 y 40 Hercios las posibles resonancias quedan también fuera de las frecuencias audibles, ahora por debajo, de modo que como mucho se produce un sonido de tono muy bajo (que denominamos "ronroneo")  que no resulta molesto.

De este concepto ha surgido la serie de controladores PWM71, PWM72, PWM73SI y PWM75VO que ofrecemos en nuestra tienda on-line. En los cuatro, la corriente generada es exactamente la misma, así que respecto de lo explicado hasta ahora no hay diferencia de uno a otro. Las diferencias se refieren a la forma de manejo. En la figura de la derecha, puede verse una imagen del más sencillo de los controladores: el PWM71. Como se puede ver el tamaño es muy pequeño, 63 x 40 mm, y aún así puede manejar una potencia de salida suficiente para cuatro locomotoras de escala N o seis de escala Z o dos de escala H0, aunque normalmente se prefiere que cada controlador maneje una sola locomotora, para tener un flexibilidad mayor.

Como decíamos, con cualquiera de estos controladores se obtiene un control idéntico de las locomotoras que es especialmente preciso en velocidades lentas y muy lentas. En el siguiente video, tomado con una locomotora de escala Z y un controlador PWM71, se puede comprobar este extraordinario control:




Como decíamos, las diferencias entre los cuatro controladores estriban en su forma de manejo. El controlador PWM71 se maneja de forma manual, es decir tiene un botón giratorio para incrementar o disminuir la velocidad, y un conmutador de palanca para invertir el sentido. Este conmutador tiene una posición central de parada.

Los otros tres controladores tienen el control de sentido de marcha y de parada manejado mediante tres botones: Uno verde que activa el sentido hacia delante, otro verde que activa la marcha atrás y un tercero rojo que activa la parada inmediata. Los botones son pulsadores momentáneos, así que basta una breve pulsación para accionarlos, pero existen además tres leds situados junto a cada pulsador, que permanecen encendidos, indicando la opción que está activa en cada momento. La imagen de la izquierda muestra la placa de circuito que realiza estas funciones y que es idéntica en los tres controladores PWM72, PWM73SI y PWM74VO.

De esta forma, mediante estos tres pulsadores se puede ejercer el mismo control sobre el sentido y marcha/paro de los trenes que con el conmutador de palanca del PWM71. Haciéndolo manualmente no hay ventaja alguna entre uno y otro sistema. 

Sin embargo, hay una diferencia muy importante entre ambos sistemas, y es que el PWM72, al tener estos controles comandados electrónicamente, permite que estas funciones de adelante/atrás y marcha /paro se puedan activar exteriormente con una serie de dispositivos, lo que permite que el PWM72 arranque o pare los trenes, o los cambie de dirección de forma automática.

Los dispositivos que permiten esta acción son los mismos que se utilizan para activar otros automatismos (desvíos por ejemplo) en las maquetas de trenes, y concretamente los más habituales son los pulsadores y botoneras para accionamiento manual y también los interruptores Reed, los interruptores Hall, las vías de contacto, los sensores infrarojos, etc para accionamiento automático al paso de los trenes. A primera vista esto no parece muy útil, pero si consideramos que cuando queremos por ejemplo que un tren se detenga ante una señal, o que un tren realice una inversión de sentido de forma automática tenemos que recurrir a complicados circuitos con relés biestables, diodos etc, vemos que si es el mismo controlador el que puede realizar esas funciones, la instalación se simplifica de forma extraordinaria. En el video presentado arriba, se pueden ver cinco situaciones, bastante comunes en instalaciones de trenes y se puede comprobar como se han resuelto de forma muy sencilla utilizando uno o dos sensores situados en la vía (en este caso sensores Hall) y en algún caso unos diodos (en un caso se usa un temporizador). Intencionadamente los cableados se han dejado a la vista, para demostrar que se trata de montajes bastante sencillos. Llamamos la atención sobre la forma simple con que se resuelve un bucle de retorno sin recurrir a complicados (y caros) montajes, con gestores de bucle, etc. Recomendamos prestar atención a los leds que se encienden y se apagan en el controlador PWM72 para ver como actúan los automatismos. 






La imagen anterior presenta juntos el controlador PWM72 y el PWM73SI Como puede verse el primero lleva un mando giratorio para controlar la velocidad de los trenes tal como es habitual en la mayoría de los controladores y también en el PWM71  Sin embargo, a la derecha vemos el PWM73SI, en el cual la parte de control de marcha y sentido es igual, pero la parte de control de velocidad lleva dos botones azules y un mando giratorio más pequeño.

Esto es porque PWM73SI es un mando con simulación de inercia (SI). Esto quiere decir que la velocidad de los trenes no puede variar de forma casi instantánea como lo hace con un mando giratorio, sino que el tren siempre cambia de velocidad acelerando o decelerando de una forma progresiva, imitando el efecto de inercia que presentan los trenes reales. En este controlador se puede ajustar este efecto en límites muy amplios, actuando sobre el mando de regulación de inercia que es el que vemos entre los dos botones azules.
Con el mando en su ajuste mínimo el tren tarda unos tres segundos en pasar de cero a su velocidad máxima. Con el mando ajustado al máximo, el tren tardará unos 70 segundos en alcanzar su velocidad máxima desde cero. Igualmente en las frenadas. Entonces el manejo de la velocidad del tren, se hace presionando los botones azules. Con el derecho la velocidad aumenta mientras el botón está presionado y deja de hacerlo al soltar el botón. Con el izquierdo la velocidad decrece mientras el botón está presionado. 

Esta forma de actuar produce un movimiento del tren extraordinariamente realista como puede verse en el video adjunto.

Algunos aficionados, sin embargo, consideran que la forma de manejar los trenes, a base de mantener la presión sobre uno u otro botón, puede resultar incómoda. Realmente algunas centrales digitales (Lenz por ejemplo) usan el mismo sistema pero es cierto que resulta una acción "poco natural".

Afortunadamente hay una solución muy buena, ya que al ser estos botones un mando electrónico, igual que los marcha/paro o marcha adelante/atrás, es posible accionarlos desde fuera del controlador. En este caso los sensores Hall y dispositivos similares no son adecuados, porque éstos dan un pulso momentáneo, mientras que los botones de aceleración y frenado requieren mantener la pulsación todo el tiempo necesario para alcanzar la velocidad requerida. Sin embargo, si conectamos la entrada que activa estas dos funciones a un conmutador (tipo (on)-off-(on)) se pueden manejar ambas funciones con este tipo de mando. Si el conmutador empleado es suficientemente grande, su aspecto y la forma de manejarlo será muy similar a un joystick, lo cual es una forma muy cómoda de manejar los trenes. Y además muy realista, ya que los trenes modernos se manejan con este tipo de mandos. En la imagen anterior, vemos uno de estos conmutadores montado en una caja para formar así un mando externo más cómodo que los botones del controlador. (es un conmutador Apem 637h/2-5  con un capuchón de goma Apem U2197 ).


En la misma imagen vemos también el velocímetro VELAN Se trata de un accesorio que conectado al PWM73SI muesta en su pantalla digital, la velocidad de la locomotora que el controlador está manejando. Con este aparato, una vez calibrado, se obtiene permanentemente la velocidad del tren reducida a su escala y expresada en km/h.

En el video de la izquierda, podemos ver el controlador PWM74SI equipado con el velocímetro VELAN y conectado a un joystick, manejando un tren en un circuito de pruebas. Como se puede observar se obtiene un control muy preciso y muy realista de los trenes. Es una combinación ideal para los aficionados que prefieren actuar de maquinista, simulando la conducción de los trenes de forma realista.

Como decíamos, con el PWM73SI se puede conseguir que los trenes aceleren o frenen progresivamente de un modo realista, mientras mantenemos pulsado uno de los botones del mando o mientras mantenemos la palanca del Joystick hacia delante o hacia atrás. Al soltar la palanca o dejar de presionar el botón el tren mantendrá indefinidamente la velocidad a la que haya llegado en ese momento, y por lo tanto esa velocidad depende del tiempo que se haya estado actuando sobre la palanca o el botón correspondiente. Por ese motivo los sensores que se activan automáticamente al paso de un tren no son adecuados para esta función, ya que que producen un pulso de duración muy corta. precisamente durante el tiempo que la locomotora pasa sobre el sensor. Por este motivo el PWM73SI no es adecuado para automatizar, mediante sensores, el control de la velocidad de los trenes.

Para automatizar el control de velocidad mediante sensores, existe el cuarto controlador de esta familia, denominado PWM775VO Este controlador tiene también simulación de inercia como el PWM73SI pero su manejo se basa en el principio de Velocidad Objetivo (VO). Esto significa que el mando de control de velocidad se usa para marcar la velocidad a la que se desea que circule el tren, pero a esta velocidad se llega acelerando o frenando progresivamente hasta alcanzarla, y ésta aceleración o frenada será más o menos rápida según el ajuste del valor de inercia simulada que se hace con el mando pequeño.

De esta forma el mando de velocidad pasa a realizar una función semejante al llamado "control de crucero" de algunos automóviles.

Otra caractertísica de este control, es que lleva tres pulsadores luminosos de colores verde amarillo y rojo. Pulsando el amarillo se ordena una frenada progresiva hasta la detención del tren, y pulsando el verde se ordena una aceleración hasta recuperar la velocidad indicada por el mando de velocidad. Como esto no requiere actuar sobre el mando de velocidad, al final el tren volverá a circular a la misma velocidad que llevaba cuando comenzó a frenar. El botón rojo ordena una parada inmediata. Su uso normal es como salvaguarda de que un tren que realiza una parada progresiva, no sobrepase un punto determinado, como un semáforo, un desvío etc, 

Lo importante es que la activación de estos pulsadores, además de hacerse manualmente puede también conseguirse mediante sensores, tipo Hall o Reed por ejemplo, situados en las vías. Esto permite que cuando un tren alcance un determinado punto, como una señal de aviso de parada, comience automáticamente una frenada progresiva que le lleve a detenerse más adelante junto a la señal principal, y también que mediante la activación con un segundo sensor, la parada ante la señal sea en el punto exacto.

En el video adjunto puede verse una corta demostración de estas tres formas de manejo de este controlador, es decir utilizando el mando de velocidad, utilizando los pulsadores luminosos y utilizando sensores en la vía.

De esta forma puede automatizarse la circulación en una maqueta de forma que si tenemos establecido un bloqueo automático, las paradas ante las señales cerradas y las arrancadas cuando éstas se abran sean progresivas. También pueden hacerse progresivas las paradas y arrancadas en estaciones etc. Todo ello de una forma muy simple, sin necesidad de ningún elemento electrónico adicional.

En el siguiente video se demuestra más específicamente la utilización de este controlador conjuntamente con un sistema de bloqueo automático. Aunque en el corto desarrollo del circuito de prueba no hay espacio para establecer un bloqueo automático con varios cantones, se ha simulado un único cantón que tiene su correspondiente controlador de bloqueo BLKS03 y que sería el que abriría o cerraría las señales del cantón. y lo que se ha hecho es que manualmente, mediante un interruptor en el cuadro de control, se actúa sobre ese circuito BLKS03, abriendo y cerrando las señales, cosa que un caso real sería automática según la situación de los demás trenes.

En las imágenes que presentamos de los diferentes controladores y también en los vídeos. los vemos sin ninguna clase de caja o montaje, porque eso es lo que realmente se ofrece en la tienda. Sin embargo todos estos controladores deben montarse el algún tipo de consola, caja o panel de mando, para garantizar la estabilidad mecánica , y la protección de las conexiones, sin olvidar tampoco la estética. Para facilitar este montaje, con cada controlador se facilita una carátula adhesiva plastificada y algunos elementos de tornillería que permiten una forma de montaje sencilla. Además existen vídeos donde se pueden ver distintas formas de montaje de estos controladores en cajas y en paneles de cuadros de control. Sin perjuicio de que cada aficionado pueda adaptar el montaje a su instalación de la forma más conveniente, se muestran a continuación algunas imágenes de controladores de la serie PWM70 montados de diversas formas con ayuda de los accesorios suministrados, o adaptados a las necesidades de cada aficionado

                                                                        
                        PWM71 en panel                                                                                                                   PWM72  en caja

                                                                                 
                                                                     PWM73SI con VELAN y Joystick en panel



                                                             
         PWM71 en caja con alimentación incluida                                                              Panel con cinco PWM71 y un PWM72


                                                

                                                                        

                                                                          PWM75VO con VELAN en panel