domingo, 23 de febrero de 2014

No vale cualquier manera de "tirar cable"


Los cables que transmiten la corriente a la vía transportan tanto la energía eléctrica que mueve los trenes como la información de cómo deben hacerlo. No es una corriente continua como la que suministran las pilas, es una corriente "variable" que produce cambios en su alrededor. A la vez que podemos influir en nuestro entorno, también manejamos dispositivos que pueden verse afectados. Ya no estamos con faltas de detección, sino con detecciones de material de vía "fantasma" que "no está ahí". Veamos cómo se comportan nuestros cables. En un próximo artículo recapitularemos y sacaremos conclusiones acerca de este tema.


Estamos rodeados de redes de transmisión de datos, de "magia invisible" que hace que el mundo se acerque a nosotros. Toda esa tecnología funciona correctamente dentro de unos márgenes. A nuestra maqueta le pasa algo parecido.

Supongamos que montamos un pequeño circuito con una pila, una bombilla y los cables de ida y vuelta que conectan: un cable un polo de la bombilla con otro de la pila, y otro cable los dos polos restantes. Cuando por esos cables circula una corriente continua, la corriente es más o menos constante. A pesar de ello esa corriente influye en el entorno por culpa del magnetismo que produce. Si esto te suena a chino abre tu navegador y en tu buscador favorito escribe "campo magnético cables corriente continua", en los primeros 3 o 4 enlaces que te ofrezca encontrarás información abundante que puede ayudarte a entender el presente artículo.


En el instituto pudimos hacer un experimento en el que sobre un cable recto poníamos una cartulina. luego dejábamos caer, tratando de repartirlas, unos "pellizcos" de virutas de hierro sobre la cartulina de manera parecida a como repartimos la sal con los dedos por una ensalada. Las virutas quedan esparcidas desordenadamente. Si hacemos pasar una corriente por ese cable vemos, de repente, cómo las virutas tratan de ordenarse y muchas parece que quieren "delatar" la presencia del cable ordenándose a su alrededor. La inocua corriente continua ha influido en su entorno.

Muchísimo más influyente en su entorno es la corriente alterna. Si en lugar de una pila, en el experimento de la bombilla, usamos una fuente de corriente alterna, y colocamos un cable siguiendo todo el recorrido  a uno de los cables que llegan a la bombilla podríamos ver cómo este último cable "recoge" energía eléctrica de la que circula encendiendo la bombilla. Esto se debe al efecto de la inducción. Es el principio en el que basa el funcionamiento de los transformadores (nuestro viejo transformador azul... por ejemplo). Pero para empeorar las cosas vienen algunas propiedades de nuestra corriente digital: la frecuencia y la pendiente de la onda.


En la red eléctrica que abastece nuestras casas, la frecuencia es de 50 o 60Hz, según nuestra localización geográfica. Los transformadores que se emplean utilizan núcleos de hierro para poder hacer su trabajo. La forma de la onda de esa corriente alterna emplea todo su tiempo en subir y bajar, no hay prácticamente ningún momento en que deje de hacerlo, y lo hace con relativa lentitud (onda sinusoidal). Pero nuestra corriente digital es de una frecuencia bastante alta y  sube a sus valores máximos positivos instantáneamente, permanece allí unos microsegundos y luego baja en un instante a su valor máximo negativo (onda cuadrada). Cuando la frecuencia es más alta la necesidad del gran tamaño del núcleo en los transformadores disminuye. Y, cuando la frecuencia es muy alta los cables hacen prácticamente todo el trabajo y es posible ver transformadores sin núcleo (núcleo de aire). Esto es realmente una simplificación ya que la tecnología de los núcleos de bobinas y transformadores de alta frecuencia es muy sofisticada tanto respecto a los materiales como a las formas. Si quieres ver hasta donde puede llegar todo esto busca en la red algo denominado calentamiento por inducción, o piensa en algo que se está haciendo habitual en nuestras vidas: transmisión de energía "sin cables" para cargar nuestros teléfonos móviles.  Pero volvamos al "lío":

Este efecto de la inducción puede ser bastante dañino si hacemos que los cables de señal, por los que circula una corriente muy débil hacia unos dispositivos muy sensibles, estén paralelos a los de la corriente digital a lo largo de muchos metros. Ese montaje tan inocente se comportará como un transformador. Pero en muchos sitios habréis leído que esto no debe hacerse, ¿verdad?. Debemos evitar que los cables de señal discurran junto a los de corriente digital. Si podemos evitar que vayan paralelos haremos que vayan separados una cierta distancia.

No es recomendable que el cable rojo vaya por un lado y el marrón retorne por otro sitio. Esto crea un bucle y se convierte en una espira del primario de un transformador. Tampoco es recomendable cerrar el recorrido de los cables en una maqueta con forma de anillo (ver figura 1 en artículo "Ya tengo los cables: ¿y ahora qué?". En esa figura no hay un óvalo de cables, la corriente no puede elegir si va por el recorrido 3-2-A-1 y retorna directamente de 1 a 2 (si el óvalo de cable estuviera cerrado). Esta posibilidad también crearía bucles de retorno e induciría interferencias.

Los que peinamos canas (bueno algunos puede que todavía pocas... 8-)   ) recordarán que hace muchos años salían por las fachadas de nuestras casas unos cables paralelos de un color rosado hacia las antenas de televisión de nuestros tejados. Eran cables de antena balanceados (en la actualidad son coaxiales, no balanceados). Los cables no iban de cualquier manera, iban trenzados. En los cables de red local los distintos pares de cable también van trenzados. ¿por qué complicarse así? Cuando algo es afectado por una interferencia (nuestro cable del ejemplo anterior que va paralelo al que enciende la bombilla) recibe dicha interferencia durante todo el recorrido, y el efecto dañino se va incrementando a lo largo de su longitud. Pero si hacemos que el cable de ida a la bombilla esté trenzado con el que retorna de ella hacia la pila, el cable que recoge las interferencias irá captando alternativamente las interferencias de la corriente que va, cuando el cable más próximo del par de cables trenzado sea el de ida, y a continuación la interferencia de la corriente que vuelve, cuando el cable más próximo de los del par trenzado sea el de vuelta. Las interferencias se restan unas a las otras, por lo que el efecto de transmisión de las mismas queda tremendamente disminuido. Lo de trenzar los cables vale tanto para los cables que emiten interferencias como para los que las reciben.



Cuando trazamos el cableado, por la propia manera de hacerlo lo que logramos es que dos cables vayan muy próximos, y podemos amplificar otro de los problemas que se producen cuando varios cables van juntos. Dos cables que discurren paralelos crean un condensador. El comportamiento de este condensador "parásito" es parecido al del efecto transformador antes tratado. Es muy reducido, pero puede ser problemático cuando los cables tienen más de 10 metros de longitud.

Hemos visto que la corriente digital tiene una forma de onda cuadrada. En teoría cuando alimentamos las etapas de salida de las centrales y boosters a, pongamos + 20V y -20V la onda cuadrada va cambiando de +20V a -20V según lo ordene la central. Pero por culpa de los cables esta onda se puede deformar, y mucho. Los 20V se pueden convertir en 30V y más en los momentos críticos de la conmutación debido a unos "rebotes" de la tensión. Esto puede provocar que los decodificadores se desprogramen e incluso que se quemen. Este efecto dañino es consecuencia de la inductancia que se va creando en el cableado cuando los cables son muy largos, porque el efecto de los bucles (espiras) y otras malas costumbres del cableado se potencia con su longitud. Los cortocircuitos, especialmente si no son permanentes, pueden generar picos de tensión elevados "aprovechando" esas inductancias y capacidades parásitas (en un principio parecido se basa el funcionamiento de los reguladores de tensión boost). Las inductancias almacenan energía que luego siempre devuelven (por eso se suele poner un diodo en paralelo con las bobinas de los relés cuando se pilotan con corriente continua).
Pendiente de subida idealPresencia de inductancia
Llegados a este punto hemos visto los peligros que están presentes "ahí fuera". No, no pienses en que es tan grave. Simplemente tenemos que tomar unas ciertas precauciones. Pensad si os suenan algunas de las "anécdotas" aquí contadas (casos concretos de mal funcionamiento). No conozco a nadie, ni con más ni con menos experiencia en las maquetas digitales, que no haya sufrido alguna vez que una locomotora o un accesorio no haya obedecido una orden de su central. Algunos habéis reportado detecciones "fantasma" de vuestros s88, o comportamientos erráticos del Train Controller que serían explicables si se hubiera recibido una "falsa detección".

Ojalá estéis a tiempo de corregir los defectos graves, siempre podréis hacer alguna mejora. ¿Cuál?. Podremos hablar de cosas más concretas en el próximo artículo donde llegaremos de diversas conclusiones.


No hay comentarios :

Publicar un comentario