La evolución del modelismo ferroviario como proxy para la industria electrónica

El primer modelismo ferroviario fue de implementación simple pero de rendimiento limitado. La energía eléctrica se suministraba a las locomotoras a través de los rieles de la vía, y la velocidad del motor se controlaba variando el voltaje aplicado (típicamente hasta 18 voltios de CC). El rendimiento del motor era insignificante a velocidades más bajas, ya que la curva de par de torsión frente a la curva de voltaje para los motores de CC es deficiente a un voltaje reducido, por lo que los motores y los trenes tendrían un movimiento intermitente en lugar de un desplazamiento lento.

Si se utilizaba un motor diseñado específicamente para operaciones de bajo voltaje para compensar esta deficiencia, lo que ocurría es que carecía de la energía necesaria para tirar de algo más que unos pocos vagones. Todos eran bucles de CC básicos sin electrónica, pero algunos aficionados avanzados empleaban interruptores de cierre de contacto activados mecánicamente en el diseño del modelismo ferroviario para activar señales, controlar luces y crear otras acciones realistas.

A medida que los dispositivos de estado sólido estuvieron disponibles, la electrónica pronto resolvió el problema del control del motor de baja velocidad con el uso de la potencia pulsatoria. En lugar de usar CC de bajo voltaje simple para velocidades bajas, se aplicó el voltaje completo (o casi) con el uso de la PWM (modulación por ancho de pulsos). Entonces, el motor funcionaba bien a bajas velocidades y proporcionaba un par de torsión casi completo, pero ahora la vibración del motor se convirtió en un nuevo problema. Los proveedores de estos paquetes de alimentación de CC de PWM abordaron este problema con diversos esquemas adaptativos que moldearon y cambiaron la forma de onda de la PWM según la configuración del acelerador.

Figura 1: Una fotocélula orientada hacia arriba colocada entre las vías es el núcleo de un detector de ocupación simple de una vía, pero también tiene algunas características de funcionamiento indeseables. (Fuente de la imagen: Iowa Scaled Engineering, LLC).

Junto con el uso de la electrónica por parte de los proveedores en el paquete de alimentación, los entusiastas (aficionados) del modelismo ferroviario también comenzaron a usar transistores y componentes electroópticos en el diseño. Uno de esos ejemplos fue la detección de ocupación, que se usó para determinar si una sección de la vía estaba en uso. Esto permitió el control semiautomático del tren, así como otras funciones. Se utilizaron comúnmente varias técnicas de detección óptica, cada una con compensaciones en complejidad, rendimiento y costo.

La técnica más simple utiliza sensores ópticos, y hay muchas variaciones de este enfoque. En la versión básica, se enterraba una fotocélula entre las vías (Figura 1). Si algún vagón bloquea la fotocélula, su caída de salida es detectada mediante un simple circuito comparador. Si bien esto es bastante sencillo, el punto de activación del comparador debe ajustarse a la intensidad de la luz ambiental, y las variaciones de las personas que se mueven alrededor y otras actividades de diseño pueden causar activaciones falsas.

Un método mejor pero más complicado utiliza un LED infrarrojo (IR) en lugar de luz ambiental y un fototransistor complementario. En los diseños de modo de transmisión, el par se coloca en los lados opuestos de la vía con el camino de la luz bloqueado por cualquier vagón; en la implementación del modo reflectante físicamente más simple, el par se coloca en un solo receptáculo, pero los vagones oscuros pueden no reflejar suficiente luz de vuelta al fototransistor. Como de costumbre, es la compensación de la simplicidad versus la consistencia y la facilidad de ejecución. Los diseños avanzados incluso modulan la unidad LED para que no haya confusión debido a la luz ambiental.

Otros esquemas de detección de ocupación no utilizan óptica en absoluto, sino que utilizan la detección de corriente. En este método, se une una resistencia de descarga de rango de kilohmios ubicada entre las dos ruedas normalmente aisladas del vagón (los juegos de ruedas están aislados entre sí en sus ejes para evitar el cortocircuito de los rieles de la vía). Un transformador de detección de corriente y algunos componentes electrónicos detectan el flujo a través de la ruta de fuga de la resistencia, lo que indica la presencia de un vagón en las vías. Tenga en cuenta que este enfoque requiere que la vía de diseño general se divida eléctricamente en bloques aislados para que sepa dónde está realmente el vagón detectado, más allá del hecho de que haya un vagón en las vías.

Un esquema representativo de un detector de ocupación de bloque de detección de corriente de doble canal muestra la sofisticación del circuito (Figura 2). El transductor crítico es un transformador como el transformador de detección de corriente de Pulse Electronics FIS121NL 1:200 utilizado para T1 y T2, con su orificio central para proporcionar una ruta para el cable que transporta la corriente que se detecta.

Figura 2: El enfoque de flujo de corriente depende de un chorro de corriente que fluye por las vías a través de una resistencia de descarga del juego de ruedas. La corriente es detectada por un transformador de corriente con un orificio central. (Fuente de la imagen: Circuitous.ca).

Este método tiene sus propios inconvenientes: cada vagón por detectar necesita la resistencia de descarga adicional, y el valor óptimo para la descarga es un compromiso entre la sensibilidad y la activación falsa, la longitud de la vía y la caída de IR asociada, entre otros factores.

Más allá de CC simple: conectarse en red

A medida que los numerosos circuitos adicionales crecieron en número y sofisticación, su costo, complejidad, incompatibilidad y problemas de mantenimiento alcanzaron un nivel insostenible. Además, hay un problema inevitable al alimentar directamente los motores desde los rieles de la vía: cada motor ve el mismo voltaje, por lo que no son controlables individualmente.

La única solución práctica basada en CC es dividir físicamente la vía en bloques aislados eléctricamente y usar múltiples paquetes de alimentación, con uno por motor. A medida que la locomotora específica se mueve de un bloque al siguiente, el operador de diseño también tiene que cambiar su paquete de alimentación de control. Cuando hay más de dos o tres locomotoras funcionando al mismo tiempo, la administración se vuelve frustrante y agotadora; hay algunos esquemas semiautomatizados, pero estos son inflexibles, complicados y costosos.

Afortunadamente, los CI y el control de energía en chip (MOSFET) ofrecieron una salida. A mediados de la década de 1990, la Asociación Nacional de Modelismo Ferroviario (National Model Railroad Association, NMRA) y los proveedores de la industria establecieron un estándar abierto llamado control de comando digital (DCC) que llevó al modelismo ferroviario al mundo de redes. Con el DCC, siempre se proporciona energía completa a la vía, y a cada locomotora se le asigna una identificación como nodo de red. Las señales codificadas se envían en la vía e indican cuánta energía se debe entregar al motor a esa identificación a través de un CI de control del motor con aproximadamente 1 amperio (A) de capacidad. El DCC se volvió popular rápidamente ya que resolvió un conjunto genuino de problemas y funcionó en todos los proveedores, al igual que el Wi-Fi. Las locomotoras eran nodos de red, y cada una de ellas recibía sus instrucciones a través de los rieles que funcionan como un bus de datos.

Pronto, el papel del DCC se expandió mucho más allá del control de velocidad de la locomotora. Los efectos de sonido se programaron en CI montados a bordo, junto con pequeños altavoces, todos controlados por comandos de DCC. También hay motores compatibles con el DCC para configurar los desvíos de la vía (también llamados interruptores) y otras funciones no motrices, todo posible gracias a los CI decodificadores de DCC especializados y las identificaciones de nodo únicas. El DCC ahora se usa en la gran mayoría de los diseños, y se ha desarrollado para ser casi un sistema "plug-and-play". También permite la operación del diseño a través de una PC o incluso un teléfono inteligente, con escenarios operativos preestablecidos y secuencias de conmutación automatizadas.

La interrupción de energía sigue siendo un problema

Como la mayoría de las redes, el DCC tiene una debilidad importante: no funciona cuando se corta la energía. Puede haber una breve pero incapacitante pérdida de energía de CC en el decodificador y, por lo tanto, en el motor debido a una variedad de razones: espacios de vía que aíslan los bloques operativos de la vía; huecos donde la polaridad debe cambiarse "sobre la marcha" debido a bucles inversos donde los rieles se cruzan sobre sí mismos (Figura 3); brechas en la continuidad física de la vía en el entrecruzamiento de carriles de un desvío; y contacto intermitente entre las ruedas y la vía. A velocidades lentas, puede que ni siquiera haya suficiente impulso para atravesar la brecha, e incluso puede ser necesaria una intervención manual (un empujón).

Figura 3: El bucle inverso es un aspecto inevitable del uso de los dos rieles de la vía para la entrega de energía y ocurre cuando la vía se enlaza sobre sí misma; el bucle debe estar aislado y la polaridad energética de la vía principal invertida por un interruptor DPDT mientras el tren está en el bucle. (Fuente de la imagen: The Spruce Crafts).

Una vez más, los componentes modernos ofrecen una solución al problema. Al conectar algunos supercondensadores en serie para proporcionar una salida de alrededor de 20 a 25 voltios y colocar el paquete a bordo, proporcionan energía siempre activa durante el período de "tiempo muerto". Los supercondensadores se cargan continuamente a través de los rieles, lo que proporciona una solución simple pero efectiva (Figura 4). Una opción viable para el supercondensador es el Kemet FM0H103ZF, una unidad de 10 milifaradios (mF) y 5.5 voltios; el uso de cinco en serie garantiza suficiente voltaje de CC y energía de transporte para soportar una locomotora típica de escala HO (1:87) durante uno a dos segundos.

Figura 4: Por lo general, una serie de supercondensadores colocados en paralelo con las conexiones de alimentación del CI del control del motor pueden proporcionar energía de respaldo para el motor a medida que atraviesa un espacio en los rieles de alimentación. Los valores de capacitancia reales pueden variar según el tiempo de ejecución de respaldo deseado. (Fuente de la imagen: Model Railroader Hobbyist Magazine).

Hay un problema con esta solución: generalmente no hay espacio para incluso pequeños supercondensadores en maquetas de locomotoras diésel en escalas pequeñas a medianas como O (1:48), y ciertamente no hay espacio en escalas más pequeñas de HO (1:48), S (1:64), N (1:160), TT (1:120) o Z (1:220). Sin embargo, los modelos de locomotoras de vapor antiguas pueden usar estos paquetes siempre activos de supercondensadores, ya que tienen su oferta adjunta (para madera o carbón en la vida real) que les proporciona una ubicación.

Lo que viene: energía sin vías

Es fácil suponer que suministrar energía a las locomotoras es simple. Después de todo, existen esos dos rieles de vía muy tangibles que también se pueden usar como rieles de alimentación, así como datos codificados en un sistema DCC. Sin embargo, la realidad es que el suministro confiable de energía a través de esos rieles es a menudo un problema continuo debido a las razones citadas anteriormente.

Una vez más, las mejoras en los componentes eléctricos básicos están permitiendo alternativas innovadoras. En lugar de extraer energía de esos rieles de vía, ¿qué pasaría si pudiera transportar la energía necesaria a bordo a través de baterías recargables? De repente, todos los numerosos problemas asociados con el uso de vías para el suministro de energía desaparecen. Hay algunos modeladores que han hecho esto en las escalas de modelos más grandes, como G (1:24), que a menudo se usa para diseños de "jardín" externos; ese es un entorno donde las rutas de energía basadas en rieles son especialmente problemáticas debido al óxido, la corrosión, las hojas, el césped y otros obstáculos.

Entonces, ¿cómo controla los motores si no hay una conexión de vía cableada? Utilice un módulo de enlace inalámbrico de corto alcance que incorpore un decodificador DCC con un front end de RF en lugar de la ruta DCC basada en rieles. Todos los módulos necesarios están disponibles como artículos listos para usar de forma estándar de proveedores especializados, y una instalación típica tiene un tiempo de ejecución de 20 a 30 minutos.

A medida que las baterías mejoran, la energía a bordo puede volverse viable para las escalas más pequeñas muy populares. Esto realmente sería un cambio de paradigma en el modelismo ferroviario tan dramático como lo ha sido el DCC. No solo los vehículos eléctricos (EV) se beneficiarán de una mayor densidad de energía de la batería. Como hemos visto muchas veces, los avances en un área objetivo bien definida a menudo permiten beneficios en aplicaciones no relacionadas.

Referencias y lecturas adicionales:

1. National Model Railway Association, "Beginners guide to Command Control and DCC" ("Guía para principiantes de control de comando y DCC"): https://www.nmra.org/beginners-guide-command-control-and-dcc

2. Wikipedia, "DCC Tutorial (Basic System)" ("Tutorial de DCC [Sistema básico]"): https://dccwiki.com/DCC_Tutorial_(Basic_System)

3. Wikipedia, "Digital Command Control" ("Control de comando digital"): https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Command_Control

4. Azatrax, "Model Railroad Infrared Train Detection" ("Detección de trenes infrarrojos del modelismo ferroviario"): http://www.azatrax.com/ir-model-train-detector.html

5. Circuitous.ca, "Block Occupancy Detector For DCC" ("Detector de ocupación de bloques para DCC"): http://www.circuitous.ca/DccBODvt5.html

6. Model Railroader Hobbyist Magazine, "Build an optical detector circuit" ("Construir un circuito detector óptico"): https://model-railroad-hobbyist.com/node/23535

7. Kalmbach Media, "Model Railroader": https://mrr.trains.com/

8. Iowa Scaled Engineering LCC, "2018 Optical Detector Roundup" ("Resumen del detector óptico 2018"): https://www.iascaled.com/blog/2018-optical-detector-roundup/

9. Model Railroader, "Keep Alive Circuit For Passenger Car Lighting" ("Circuito siempre activo para la iluminación del vagón de pasajeros"): http://cs.trains.com/mrr/f/744/p/268873/3047228.aspx

10. Model Railroad Hobbyist Magazine, "Build your own stay alive" ("Construya su propio sistema siempre activo"): https://model-railroad-hobbyist.com/magazine/mrh2019-06/electrical-impulses

11. The Spruce Crafts, "How to Build and Wire Reverse Loops for Model Trains" ("Cómo construir y cablear bucles inversos para modelismo ferroviario"): https://www.thesprucecrafts.com/reverse-loops-model-trains-2382604