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La gestión de los cambios de agujas

El método simple

1. Un poco de vocabulario

Antes de seguir adelante, es pertinente recordar la definición de algunos términos técnicos relativos a los cambios de agujas.

En la jerga oficial, lo que se denomina cambio de agujas es en realidad un aparato de vía, al que también se llama desvío.

De hecho, la aguja es la parte móvil del desvío. Hay dos agujas en un cambio de agujas, uno para cada carril.

El corazón es el sitio donde se cruzan los raíles.

La punta es la parte del desvío situada del lado de las agujas.

El talón es la parte del desvío situada del lado del corazón.

Los contrarrieles (o contracarriles) evitan que el tren descarrile al pasar por el corazón.

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2. Los solenoides

El método más antiguo de controlar un cambio de agujas se basa en el uso de solenoides. Un solenoide, también conocido como electroimán, bobina o devanado, está formado por un cable eléctrico enrollado alrededor de un eje hueco. Basta con hacer pasar una corriente por este cable para que se forme un campo magnético que atrae cualquier material paramagnético, como una barra de hierro. Bastante rústicos, los solenoides todavía se utilizan mayoritariamente porque tienen la ventaja de que son muy sencillos de usar: solo hay que conectarlos a la parte móvil del desvío. Un breve impulso eléctrico, generado mediante un simple pulsador, es suficiente para hacer pasar el cambio de agujas de una vía a otra.

Los solenoides pueden ser lo suficientemente pequeños como para colocarse a lo largo del desvío, aunque esto no resulta muy estético. Algunos fabricantes, como Peko, prefieren instalarlos debajo de la mesa, lo que tiene la ventaja de hacerlos invisibles. Esto es preferible, ya que los electroimanes Peko son particularmente voluminosos (y también particularmente ruidosos,  pero este es otro problema).

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Con la cubierta retirada, se ven claramente las bobinas de los solenoides colocadas al borde del cambio de agujas.

3. El cableado

En esencia, la maniobra de un desvío por medio de solenoides es particularmente simple: todo lo que se necesita es un transformador que suministre de 14 a 18 V y dos pulsadores. Ni siquiera es necesario un rectificador, ya que las bobinas aceptan directamente corriente alterna.

Por otro lado...

Realización práctica

1. Los circuitos impresos

El principal problema de los circuitos TBD62083 y TBD62783 es que es difícil encontrarlos en encapsulado DIP. Por lo tanto, para el diseño del circuito impreso se eligieron las versiones de encapsulado SO2; lo más importante es asegurarse de que el circuito esté orientado en la dirección correcta.

images/12B09-PCB500.png

Y aquí está la lista de componentes:

XA1

Arduino Nano

U1

TDB62083

U2

TDB62783

C1

100 µF / 16 V

J1

Bloque de barrera de 2 contactos

J2

Conector HE10 macho de 10 contactos

J3

Regleta HE13 de 8 contactos

J4

Regleta HE13 de 8 contactos

El circuito impreso de la versión más potente también es más grande debido a la presencia de los numerosos transistores en encapsulado TO220.

images/12B10-PCB5000.png

Hay cuatro redes de resistencias para instalar, lo que permite ahorrar espacio sin tener que soldar componentes SMD. Son redes de puntos comunes. Su disposición cara a cara permite instalar según se elija, ya sea una red de 8 más una de 4 resistencias o 2 redes de 6 resistencias.

Los transistores se instalan muy juntos los unos a los otros y sin disipadores, pero dado el poco tiempo que dura la activación de un solenoide, no tendrán tiempo de calentarse.

XA1

Arduino Nano

U1

7445

Q1-Q10

IRF9510

Q11-Q22

IRF510

RN1, RN3

Red de 8 x 100 kΩ o 6 x 100 kΩ

RN2, RN4

Red de 4 x 100 kΩ o 6 x 100 kΩ

C1

100 µF / 16 V

C2

100 nF

J1

Bloque de barrera de 2 contactos

J2

Conector HE10 macho de 10 contactos

J3

Regleta HE13 de 10 contactos

J4

Regleta HE13 de 12 contactos

2. Algunas pruebas

Este primer programa permitirá comprobar el buen funcionamiento del circuito. También permite elegir la duración del impulso que se enviará a los cambios de agujas.

Se puede descargar desde la página Información: at-prueba-aguja-soleno.ino.

El programa comienza con algunas definiciones necesarias. En primer lugar, el ancho de los pulsos, en milisegundos. Este valor puede aumentarse si los desvíos no consiguen moverse totalmente. También se puede reducir si se requiere. Las dos líneas siguientes definen el circuito de potencia que se utiliza; solo hay que quitar el comentario de una de las dos líneas.

#define EA_PULSE 150 
#define AIG500 // TDB62083 + TDB62783 : 500 mA 
// #define AIG5000 // IRF510 + IRF9510 : 3 A 

Esta definición...

El método realista

1. Los motores lentos

Aunque el uso de electroimanes tiene la ventaja de la simplicidad, no satisface realmente a los amantes del realismo, porque los desvíos cambian instantáneamente de una posición a otra, mientras que en la realidad la operación dura varios segundos. Es por eso por lo que se crearon los motores lentos. En ellos, un pequeño motor de corriente continua acciona un tornillo sin fin que, a su vez, mueve el mecanismo. Los interruptores de final de carrera permiten restringir el rango de acción del mecanismo y los diodos colocados en serie con ellos se utilizan para arrancar el motor de nuevo en la otra dirección. La tensión aplicada a las terminales del circuito puede ajustarse con precisión para controlar la velocidad de oscilación de la aguja y basta con cambiar el sentido de la corriente para modificar su posición.

images/cap12_img_14.png

Accionar un motor de este tipo requiere invertir la polaridad aplicada al circuito. Generalmente, esto se hace utilizando una fuente que puede ser positiva o negativa, según sea necesario. Una fuente de alimentación de corriente alterna es perfectamente adecuada. El circuito de control tiene el siguiente aspecto.

images/10AT06.png

Un simple interruptor de palanca es suficiente para accionar el desvío. Según la posición del interruptor, solo se envían las alternancias positivas o negativas al motor. Los interruptores de final de carrera integrados en el motor permiten dejar el interruptor de palanca en su posición sin que eso cause ningún problema.

Para automatizar dicho circuito de control, hay que reemplazar el interruptor por un relé DPDT controlable desde un Arduino. Esta solución es perfectamente viable, pero resulta más interesante estudiar una solución alternativa basada en servomotores.

2. Los servomotores

Se pueden utilizar servomotores para realizar la motorización. Esto simplifica la implementación. No obstante, como los servomotores se mueven bastante rápido, hay que programar una serie de posiciones sucesivas para simular un movimiento lento. Si se es hábil, es muy fácil fabricar motores de cambio de agujas basados en servomotores y mucho más barato (se pueden encontrar pequeños servomotores en lotes de diez por una veintena de euros en Internet). 

Los servomotores, a menudo...