PWM

Volviendo a las razones del éxito del sistema digital, desde luego tiene importantes ventajas, fundamentalmente tres:

La primera, la posilibidad de tener varios trenes en la misma vía y manejarlos de forma independiente. La mayoría de los usuarios del sistema digital se quedan en este estado, y no pasan siquiera a la posibilidad de manejar también digitalmente los desvíos.

La segunda ventaja es la posibilidad de individualizar el control de cada locomotora, haciendo que cada una responda de una forma semejante a como lo haría su prototipo.

La tercera ventaja es la posibilidad de controlar toda una instalación mediante programas de ordenador que manejan todos los trenes y automatizan las circulaciones.

Se dirá que hay otra razón: Los trenes digitales funcionan mucho mejor, es decir se puede controlar su movimiento con mucha mayor precisión que un tren analógico, y especialmente se consiguen unas velocidades lentas espectaculares, que los sistemas analógicos no pueden conseguir.

Pero consideremos esto: Compramos una locomotora analógica y la ponemos a circular en un clásico circuito alimentado por un transformador de corriente continua. Efectivamente notaremos que las arrancadas son bastante bruscas y no se consigue una marcha lenta aceptable. Entonces decidimos digitalizar la locomotora y para eso le colocamos un decoder. El decoder recibe la corriente de las vías, que antes se conectaban directamente el motor, y tiene unas salidas para conectar al motor, que ahora recibe corriente del decoder. Está claro que el motor es el mismo, y por cierto un motor es un dispositivo analógico, así que debe recibir corriente analógica, igual que antes de la conversión a digital, de modo que el decoder debe fabricar corriente analógica para el motor a partir de la digital que recibe.

Si esa generación de corriente para el motor que realiza el decoder no tuviera truco, está claro que el motor recibiría la misma corriente que antes de la conversión, y por lo tanto se comportaria exactamente igual que antes. Sin embargo lo que se observa es que la locomotora pasa a comportarse ahora mucho mejor y de hecho se ha convertido en una "locomotora digital" con su característico control preciso a velocidades lentas. De modo que como el motor sigue siendo el mismo, la diferencia debe estar en esa corriente "fabricada por el decoder" que debe ser distinta de la corriente analógica que genera el transformados tradicional.

Efectivamente esto es así: TODOS los decoders generan una corriente especial para alimentar los motores que se denomina PWM (Pulse Width Modulation). El hecho de que lo hagan todos es porque es más sencillo generar a partir de la corriente digital que recibe el decoder una corriente PWM que la corriente continua que produce el transformador clásico. Como además el resultado es mucho mejor, no hay duda.

Pero aquí viene la pregunta del millón: ¿Y no sería posible sustituir el transformador clásico con el que alimentamos nuestros trenes analógicos por otro dispositivo (llamemósle controlador PWM) que genere corriente PWM, en lugar de corriente continua? De esa forma la locomotora de corriente continua, recibiría corriente PWM desde el controlador, y esta corriente llegaría directamente al motor, que debería comportarse entonces igual que una locomotora digital.

La respuesta es: SI. De hecho es posible que la corriente PWM generada por un controlador PWM tenga un comportamiento incluso mejor que la creada por un decoder, porque en el decoder la frecuencia de la c0rriente PWM viene condicionada por la frecuencia de la corriente digital de la que se parte, y en el controlador PWM podemos crear libremente la frecuencia más adecuada.

¿Y qué es la corriente PWM ?

Primero diremos que los trenes analógicos funcionaban de toda la vida con corriente continua (excepto los de la marca Märklin de escala H0 que son de corriente alterna). Corriente continua es por ejemplo la que produce una pila o una batería de automóvil. Tiene una tensión constante en el tiempo, es decir mantiene el valor de la tensión, ya sea por ejemplo 1,5 Voltios en una pila tipo AA o ya sean 12 Voltios en una batería de automóvil. Si representamos en una gráfica esta tensión a lo largo del tiempo, obtenemos una linea horizontal, ya que la tensión es constante de un valor determinado.

Curiosamente la mayoría de los transformadores que se usaban, y se siguen usando para los trenes analógicos no producen exactamente una corriente continua uniforme, sino una corriente que oscila a lo largo del tiempo, ya que mantiene un cierto rizado proveniente de la corriente alterna que es la que recibe el transformador desde el enchufe doméstico. Esto que parece un defecto, en realidad es un beneficio, porque los motores funcionan mejor con formas de corriente mas o menos rizadas. Muchas marcas venden transformadores donde se favorece especialmente este efecto, y les dan nombres como "Transformador de corriente pulsada" (Titán) o Transformador MSF (Fleischmann).

Pero todo eso no tiene nada que ver con la corriente PWM. En ésta la tensión continua va alternando entre dos valores: uno es cero (con el que la locomotora estaría parada), y el otro el valor máximo (con el que la locomotora iría a la máxima velocidad) Esta alternancia se hace desde unas decenas de veces por segundo hasta varios miles de veces por segundo, es decir, de frecuencia muy distinta. Esto introduce una diferencia, ya que no todas las PWM son iguales, sino que puede haberlas de frecuencias distintas.

Pero lo interesante es que el tiempo en que la corriente es cero y el tiempo en que es máxima, no tienen porqué ser iguales. De hecho con la relación entre un tiempo y otro es con lo que se regula la velocidad del motor. Si hacemos que sea cero casi todo el tiempo, el motor no se moverá porque tiene corriente cero todo el tiempo menos unos intervalos muy cortos. En el otro extremo, si hacemos que el motor reciba la corriente máxima casi todo el tiempo, el motor se moverá a la velocidad máxima.

Si representamos en un diagrama la tensión a lo largo del tiempo, se obtiene una traza en forma de greca, que puede variar de anchura relativa entre las zonas altas y las bajas, pero que siempre la suma de las dos anchuras suma el mismo tiempo, que es lo que se llama "periodo". La inversa del periodo es lo que llamamos frecuencia.

La animación precedente muestra sucesivas gráficas de una corriente PWM que va variando desde cero a tener ¨pulsos¨de la anchura total del periodo. Se llaman pulsos a las partes en que la corriente tiene el valor alto, así que la anchura de pulso en esa imagen varía desde 0% hasta el 100% del valor del periodo. en este caso en 6 pasos

Como decíamos antes, si alimentamos un motor de corriente continua con una corriente PWM se obtiene un control extraordinariamente preciso de la velocidad, y muy especialmente en las velocidades cortas. Como decía esto es lo que hacen todos los decoders de locomotoras digitales, pero nada impide fabricar un controlador que produzca este tipo de corriente, llevarla a las vias y alimentar así una locomotora analógica.

La razón por la que una locomotora alimentada con corriente PWM se comporta mucho mejor que con cualquier otro tipo de corriente, especialmente a velocidades lentas, es porque en un motor de corriente continua, del tipo habitual en los trenes, se produce un fenómeno llamado "par de cogging". Esto ocurre como consecuencia de la atracción magnética entre el núcleo de las bobinas del rotor y los polos del estátor. Esta interacción se manifiesta en una serie de puntos favorables y desfavorables al movimiento del rotor a lo largo de su giro. Para que el motor arranque y se mueva lentamente se tienen que superar los puntos desfavorables, y eso lo consigue la corriente PWM porque en los momentos en que la corriente es máxima, aunque sean muy cortos, proporciona al rotor la fuerza necesaria para sobrepasar esos puntos desfavorables. Cualquier otro tipo de alimentación se basa en hacer que la corriente tenga un valor bajo para conseguir la marcha lenta, así que aunque no sea uniforme, incluso los puntos más altos no tienen fuerza suficiente para sobrepasar los puntos desfavorables.