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 por lo que cualquier locomotora que se venda comercialmente tiene que admitir cualquiera de esos tipos de corriente, y de hecho así es.

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 esto funciona, e incluso se puede hacer 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 señal 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 la señal PWM mucho más bajas, del orden de entre 30 y 40 Hercios las posibles resonancias quedan también fuera de las frecuencias audibles, 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 PWM74TM que ofrecemos en nuestra tienda on-line. En los cuatro, la señal 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, PWM73 y PWM74.

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 el mismo controlador 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 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 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 PWM74TM Este controlador, que vemos en la imagen adjunta, tiene exactamente todas las funciones del PWM73SI, incluidas la posibilidad de manejar los trenes mediante pulsadores o mediante un joystick para acelerar o decelerar progresivamente de forma manual, pero además tiene la posibilidad de controlar las aceleraciones de forma automática, es decir que por ejemplo al pasar el tren por un punto determinado donde hay un sensor, el tren comienza a decelerar hasta detenerse, o bien hasta pasar sobre un segundo sensor que le haga mantener la velocidad, indefinidamente, o bien cuando otro tren sale de un cantón y lo libera el tren que le sigue y estaba parado en una señal, arranca automáticamente y empieza a acelerar, etc

Para conseguir esto, el controlador lleva tres botones adicionales a los del PWM73SI, que son los dos amarillos y el rojo que vemos en la anterior imagen, y además un segundo mando, cuya misión es ajustar el tiempo de las aceleraciones y frenadas. Realmente lo que lleva ese controlador es un temporizador (es lo que indica la sigla TM) que se puede ajustar en tiempos de entre uno y 40 segundos. El funcionamiento es entonces como sigue: Cuando se activa la función de aceleración (botón amarillo derecho) la velocidad del tren empezará a aumentar. El ritmo de aumento depende de como esté ajustado el mando de inercia, pero la duración de la aceleración dependerá de como esté ajustado el mando de temporización.

Por ejemplo, con el mando de inercia ajustado a la mitad, lo que implica unos 35 segundos en pasar de 0 a 100% de velocidad, si el mando de tiempo está ajustado al máximo (40 segundos) el tren llegará a alcanzar su velocidad máxima, pero si el mando de tiempo está ajustado por ejemplo a 15 segundos el tren acelera solamente durante esos 15 segundos, y como necesita 35 para llegar a la velocidad máxima, se habrá quedado aproximadamente al 50% de la velocidad máxima. Sin embargo si mantenemos el tiempo en 15 segundos, pero bajamos el control de inercia, para que la velocidad máxima se alcance en menos de 15 segundos, el tren acelerará más deprisa y llegará a alcanzar su máxima velocidad.

El botón amarillo de la izquierda pone en marcha el frenado progresivo, con los mismos valores de inercia y tiempo que funcionan para la aceleración.

El tercer botón (rojo) del temporizador sirve para cancelar la temporización. Es decir cuando se presiona este botón la aceleración o frenado que pueda estar activa, termina aunque el tiempo ajustado no haya llegado al final. Esta función también puede activarse mediante un sensor, de manera que cuando el tren pase sobre ese sensor, a partir de ese punto mantendrá la velocidad, sea cual sea la temporización que tuviese. Es una forma de manejar las aceleraciones con relación a la distancia recorrida, en lugar de con respecto al tiempo transcurrido.

Debe quedar claro, que, este sistema no está pensado para manejar de forma continua un tren mientras circula por un circuito. Para eso, como ya decíamos el PWM74TM ya cuenta con los mandos de aceleración y frenado manual análogos a los del PWM73SI. El sistema de temporización está pensado para usarse en un circuito de trenes en que se quiera tener una circulación automatizada con trenes parándose y arrancando de forma progresiva ante señales o en las estaciones sin que se necesite la presencia de un operador que controle el sistema. Por supuesto esto requiere que previamente se hayan colocado todos los sensores necesarios y se hayan ajustado cuidadosamente todos los valores de inercia y temporizaciones.

Como ejemplo de este sistema, en el video adjunto podemos ver un controlador PWM74TM manejando un circuito en el que hay una señal principal, que manualmente ponemos en rojo o en verde, y una señal avanzada que presenta una luz verde cuando la principal está también verde, y que presenta una luz amarilla (anuncio de parada) cuando la principal está en rojo. Junto a esta señal avanzada hay un sensor Hall, de manera que como podemos ver, cuando la señal principal está roja y la avanzada amarilla, cuando el tren pasa por la señal avanzada comienza a decelerar automáticamente hasta detenerse aproximadamente ante la señal roja. Lo que aquí vemos hacer manualmente para cambiar la señal principal de verde a rojo y viceversa, podría ser parte de un sistema de bloqueo automático que abriría o cerraría las señales en función de la ocupación de los cantones.Se tendría así un sistema de bloqueo automático en que los trenes arrancarían y frenarían de forma progresiva sin necesidad de otros elementos adicionales a los controladores PWM74TM.

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