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Circuito limitador de corriente (Circuit Breaker)

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Hola, amigos.

Cuando hay un cortocircuito o sobrecarga en un cantón, la tensión en todos los los módulos alimentados por el booster se viene abajo. Imaginemos una estación, en la que tenemos un corto en las agujas de unas vías auxiliares. Tanto las vías de la estación como los adyacentes, se quedarían sin tensión, lo que pararía todos los trenes de ese cantón.

El circuito que os propongo, limitador de corriente (circuit breaker en inglés, o CB) dejaría confinado el cortocircuito en las vías alimentadas por el circuit breaker. El principio de funcionamiento consiste en monitorizar la corriente, y cortar rápidamente (en menos de un milisegundo) si hay sobrecarga, para que el booster no llegue cortar la corriente a todo el cantón. A efectos prácticos, durante ese milisegundo en que la tensión es cero voltios, los decodificadores no se llegan a enterar, por lo que la marcha del resto del trenes no se ve en absoluto afectada. Dicho con otras palabras, cuando hay un cortocircuito (supongamos al pasar una locomotora por las agujas), sin el ,circuit breaker la tensión se haría cero en toda el cantón alimentado por el booster, y el booster desconectaría la tensión en todo su cantón, parando todas las locomotoras. Transcurrido un tiempo (unos 0,3s al principio), el booster vuelve a verificar si el cortocircuito sigue presente. Si el cortocircuito persiste, vuelve a cortar la tensión, verificando cada vez cada más tiempo (con una cadencia de hasta unos dos segundos) si el cortocircuito sigue presente. Mientras el cortocircuito siga presente, todas las las locomotoras del cantón estarían paradas. Ponte a buscar dónde está el cortocircuito. Al final se encuentra, pero mientras, todos los trenes del cantón estarían parados. El "circuit breaker" hace la misma función de seguridad que el booster, pero focalizado en un solo módulo. Lo ideal sería que cada módulo tuviera su CB (en tramos de línea no se justifica tanto, pero en estaciones, sí). El circuit breaker se comporta igual que el booster en cuanto a un cortocircuito (corta la corriente a la vía, al cabo de un breve tiempo vuelve conectar la corriente, verifica si hay corto, si lo hay vuelve a cortar, así indefinidamente), pero lo bueno es que el cortocircuito se queda confinado en el tramo alimentado por el mismo, por lo que su identificación es inmediata, y el resto de trenes funcionan con normalidad. Una señal acústica de varios pitidos (que cesa enseguida, para no incomodar) y un led en las caras Norte y Sur, señalan dónde está el cortocircuito. Asimismo, aprovechando la propiedad del CB para cortar la corriente al módulo, permite actuar de paro de emergencia, con sendos pulsadores ubicados en las caras Norte y Sur de cada módulo.

Hay varias formas de conseguir la funcionalidad buscada. La más inmediata es basándonos en la ley de Ohm, que dice que la tensión es igual a la intensidad multiplicada por la resistencia, V = I x R. Esta es la forma más elemental de medir la corriente. Con una resistencia de valor muy bajo (por ejemplo, 0,2 ohm), podemos detectar una sobrecarga. Si por ejemplo queremos detectar una corriente de 3 amperios, tendríamos en bornes de esa resistencia, V= I x R = 3 x 0,2 = 0,6V, tensión lo suficientemente baja para que no se note en la marcha de las locomotoras, y lo suficientemente alta, para detectar con seguridad que la corriente es elevada. Así es como detecta el booster la sobrecarga. El problema de este sistema, es que requiere una resistencia de bastante potencia. Recordemos que la potencia es tensión por corriente (P = V x I), o bien corriente al cuadrado por resistencia (P = I ² x R) o bien, tensión al cuadrado dividido por resistencia (P = V²/R). Esto hace una potencia de P = V x I = 0,6 x 3 = 1,8W. No es que sea una potencia enorme, pero si considerable, porque las resistencias que se utilizan en electrónica suelen ser de 1/4W = 0,25W. Habría que poner una resistencia de más de 2W, para que no se calentase excesivamente. En mi caso, yo prefiero conectar muchas resistencias en paralelo de 1/4W, por ejemplo con 15 resistencias de 3,3 ohm (3,3R), obtengo 3,3/15=0,22R.

Luego tenemos una segunda dificultad: ¿monitorizamos la corriente en solo un raíl o en los dos? Teóricamente, con un solo raíl sería más que suficiente, pero en la práctica, no es así. A la salida del booster CDE, tenemos los polos J y K, que van a la vía. Si monitorizamos la corriente solo en el polo J o solo en el polo K, podría darse el caso que dos módulos contiguos, sus polos J y K no estuvieran enfrentados, (por descuido en la instalación de circuit breaker en el módulo, o porque los módulos pueden ser reversibles), como podemos ver:

CORTOCIRCUITO.JPG

En este caso, ni el circuit breaker del módulo 1 ni del modulo 2 se enterarían del corto, con lo cual, "saltaría" el booster, no haciendo nada los CBs de los módulos 1 y 2...

Por ello, decidí sensar en los polos J y K:
CORTOCIRCUITO2.JPG


Sensar en las resistencias de los polos J y K a la vez, complica mucho, porque las resistencias RA y RB están referidas a distinto potencial. Encontré este circuito en internet, y me gustó mucho (siento la baja calidad del mismo, al capturar la pantalla):
CORTOCIRCUITO3.JPG

Confirmo que funciona.

En condiciones normales, en el pin 4 de U1 tenemos +5V. Cuando la caída de tensión en las resistencias en paralelo, llega a los 0,6-07V (situación de sobrecarga o cortocircuito), el transistor Q1 empieza a conducir, U1 también, y en el pin 4 de U1 tenemos prácticamente 0V, lo que nos permite detectar el cortocircuito. Este circuito debe estar repetido en el otro polo, lógicamente:
CORTOCIRCUITO4.JPG
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La salida de ambos optos, como es en colector abierto, va al mismo punto, que es llevado a un PIC.

Aunque el método de detección funciona, no me acaba de convencer... requería muchas resistencias en cada polo J y K (o una de más de 2W en cada polo), dos optos... Un amigo me habló del circuito integrado ASC712, un interesantísimo circuito integrado, basado en la medición mediante efecto hall, de alimentación unipolar a 5V, y capacidad de medida bidireccional (recordemos que en DCC tensiones y corrientes son alternas cuadradas) que saca 2,5V cuando la corriente es 0A, poco más de 3V cuando la corriente medida es 3A, y poco menos de 2V, cuando la corriente es -3A:
ASC712.jpg
ASC712.jpg (57.36 KiB) Visto 193 veces


La utilización de este integrado evita utilizar resistencias de sensado en los polos J y K (lo que evita también, caídas de tensión de 0,6+0,6 = 1,2V).

Una vez tenemos resuelta la medición (o detección) de la sobrecorriente, tenemos que abordar cómo cortamos la corriente a la vía. Con un relé se descarta, porque no es lo suficientemente rápido. Unas veces actuaba antes que el booster, otras no... Así que opté por poner dos Mosfets. Necesariamente deben ser dos Mosfets, y no solo uno, porque tienen un diodo en antiparalelo, y podemos cortar solo un semiciclo, así que un Mosfet corta el semiciclo positivo, y el otro el semiciclo negativo.

CORTOCIRCUITO5.JPG

Nótese que la tensión VCC1 y VCC2 para disparar la puerta de cada Mosfet, la obtengo de la propia señal DCC.
Los diodos D1 y D2 no pueden ser el 1N4148 como indiqué en el esquema, debe ser el 1N4007 (o S1M, en SMD). Tuve que hacer una ñapa, para poder montar el S1M (en la próxima versión de PCB lo corregiré)
E113A.jpg


Le he puesto al circuito dos microinterruptores (no montados en la tarjeta de la foto), para seleccionar si queremos rearme manual o automático, si queremos que las señales de STOP de los módulos colaterales, paren el módulo...u otra cosa que se nos ocurra.

Como en mis módulos también pondré detectores de presencia de tren (detección de cantón ocupado), en la caja de conexiones, aparte del conmutador de polaridad, pondré otro conmutador, para que la tensión DCC llegue a la vía a través de los módulos colaterales, o a través del Circuit Breaker, y la tarjeta de detección de cantón ocupado. Recordemos que si el CB no recibe alimentación de +12V, los trenes no pueden circular.

Aquí tenéis el vídeo que he puesto:
https://youtu.be/ttlXvAirYbg

Saludos.

Atentamente:

Dvorak


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Registrado: 19 Ago 2009 20:39
Hace tiempo probamos los Breakers de Merg y no nos funcionaron y el problema fue el siguiente.

Si tenemos dos estaciones seguidas (en aquellos tiempos solo habían módulos de estaciones y ningún módulo de paso), y cada estación dependiendo de un booster distinto (booster de Paco Cañada), y en cada estación un Breaker, entonces al pasar un tren entre dos beakers dependiendo de dos boosteres distintos provocaba la caída de los dos breakers. Si los breakers dependían del mismo booster funcionaba perfectamente. La solución era poner módulos de paso entre estaciones que nos hicieran de "zona neutra" entre dos boosteres distintos, y así cada estación tenía su breaker dependiendo de su booster de manera que un mismo tren no 'pisaba' dos breakers a la vez.
Como que entonces los encuentros de módulos eran muy dilatados en el tiempo y hacía difíciles las pruebas, se encontró otras soluciones más prácticas, ya que los fabricantes dejaron de fabricar sus breakers. Entonces las marcas como Tams, LDT o Rautenhouse ofrecian sus Breakers, pero los dejaron de tener en sus catálogos y ahora creo que los únicos comerciales son el kit de Merg y el americano de TonysTeam.
Si crees que te he servido de ayuda, puedes invitarme a un café alfredpuro (a) telefonica .net

l'Alfred, el Fantito.


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