Los autores intelectuales (personas de existencia real) de estas obras permiten su obtención como “Copia Privada” para su uso en forma privada, y mencionando la fuente y su forma de obtención a titulo gratuito. Queda terminantemente prohibido:

• Que se edite, venda o reproduzca por cualquier medio o instrumento, una obra publicada sin autorización de su autor o derechohabientes;
• Que falsifique las obras intelectuales entendiéndose como tal la edición de una obra ya editada, ostentando falsamente el nombre del editor autorizado al efecto;
• Que se edite, venda o reproduzca una obra suprimiendo o cambiando el nombre del autor, el título de la misma o alterando dolosamente su texto;

Electricidad en Ferromodelismo

Introducción

El objeto de esta nota es brindar los conocimientos básicos de electricidad aplicada al ferromodelismo. No abarca el armado del tablero ni los criterios para la determinación de bloques, y solo es válida para tendidos de corriente continua variable (no digital).

Un conocimiento básico de electricidad le ayudará a entender mejor los principios del control de los trenes eléctricos, si usted siente que conoce poco acerca de la electricidad, no se preocupe, este material le ayudará a entender los principios básicos con los cuales funciona su tendido.

Después de haber trabajado con un cableado real por un tiempo, se tornará fácil.

Energía eléctrica

Para mucha gente la electricidad es algo misteriosa; si usted mira la electricidad como una forma de energía estará en el camino de entenderla, ella tiene la capacidad de realizar trabajo.

La corriente eléctrica es simplemente el movimiento de electrones entre objetos, pero no hay que hacerse problema con los electrones, simplemente hay que saber que se mueven y ese movimiento se llama corriente.

La facilidad con que la corriente puede pasar a través de diferentes sustancias varia considerablemente, dependiendo del material utilizado.

Los materiales se agrupan en 3 clases:

• Conductores: la energía pasa fácilmente.
• Semiconductores: la energía pasa con alguna dificultad.
• Aislantes: solo una pequeña cantidad de energía puede pasar, prácticamente cero, bajo condiciones ordinarias.

La energía eléctrica debe ser medida, entendida y usada por el hombre, las unidades con las que más trabajaremos son el Volt, el Ampere y el Ohm.

Se puede decir que el voltaje es la presión que impulsa a la corriente a moverse y el amperaje la cantidad de corriente que realmente se mueve, debido a la presión ejercida.

La analogía del agua

Frecuentemente, para el entendimiento de los principiantes, se usa una analogía con el agua.

A modo de ejemplo, en la figura 1 se muestra un circuito de agua unidireccional.

La diferencia de alturas h1 - h2 produce una fuerza que hace circular al agua del recipiente de la izquierda al de la derecha, esta diferencia de alturas es, para un circuito eléctrico, el voltaje o diferencia de potencial entre un punto y el otro.

Cuando la válvula se abre, una cantidad de agua determinada circulará por la cañería, permitiendo que una cantidad de liquido pase de un recipiente al otro, esto lo podemos medir en litros / hora, en un circuito eléctrico es la corriente que pasa por unidad de tiempo, y se mide en Amperes.

El motor girará debido al flujo de agua produciendo un trabajo mecánico, en nuestro circuito eléctrico girará un motor que también produce un trabajo mecánico; para el circuito de agua, este trabajo será dependiente de la diferencia de alturas que tengan las dos columnas de agua y de la cantidad de agua almacenada, en el circuito eléctrico, el trabajo realizado por el motor dependerá de la tensión aplicada y de la cantidad de energía disponible (una pila, dos, o una red).

La obstrucción de la cañería en si misma, y la que ofrece el motor al paso libre del agua equivalen a la resistencia al paso de la corriente por el cableado y a la que ofrezca el motor.

Cuando tenemos una "presión" de 1 Volt, y una resistencia de 1 Ohm, circulará 1 Amper.

La ley de Ohm expresa lo siguiente

E= I x R

Donde E = Tensión (Volts)

I = Corriente (Amperes)

R = Resistencia (Ohms)

Fácilmente podemos ver que la corriente I = E / R esto nos deja sacar algunas conclusiones importantes:

La corriente aumenta cuando aumenta la tensión y cuando disminuye la resistencia.

Si la resistencia es cero, la corriente es infinita (Cortocircuito).

A medida que la resistencia crece la corriente disminuye.

Si no hay tensión, no hay corriente, esto es clave y se confunde muy a menudo, la corriente es consecuencia de la aplicación de una tensión sobre una resistencia.

La figura 2 muestra un antiguo y simple método de control del motor de una locomotora.

Hoy en día, la batería del dibujo se reemplaza por un transformador que nos provee esta tensión continua de 12/16 Volts sin limite de tiempo, a diferencia de lo que sucede con una batería que tarde o temprano se agota.

Ahora nuestro "acelerador" en realidad es una resistencia variable, en el máximo ofrecerá casi nada de "freno" a la corriente, en otras palabras, poca resistencia al paso de la corriente (llave de paso abierta en la analogía del agua) y toda la energía fluirá al motor permitiendo que este realice más "trabajo" (corriente máxima).

Por el contrario, con el "acelerador al mínimo" el reóstato está ofreciendo la máxima resistencia al paso de la corriente a nuestro motor, y este será incapaz de producir trabajo (corriente casi nula).

El transformador

En realidad nuestros conocidos "trafos", en su interior contienen varias secciones bien demarcadas.

• Transformador real: transformador de 220 V, de la red domiciliaria, a 12/16 V de corriente alterna.
• Etapa de rectificación: circuito electrónico que se encarga de rectificar la corriente alterna dejándola estabilizada y filtrada en 12 V de corriente continua.
• Regulación de la tensión de salida: esta etapa consta de un reóstato conectado a un circuito electrónico al cual entran siempre 12 V y salen entre 0 y 12 V en función de la posición de nuestro reóstato.
• Interruptor de dirección: algunos transformadores lo incluyen, se encarga de invertir la polaridad - o + de los bornes de salida del mismo.

Lo habitual es encontrar entre 12 y 18 V como una máxima tensión de salida, los transformadores modernos disponen de varias salidas simultáneas tales como alterna de 17 V para accesorios, continua fija de 24 V, etc.

La recomendación es separar la alimentación de las locomotoras del resto de las cosas, esto hace que toda la potencia esté dedicada a la locomotora y el resto se alimente con otros transformadores específicos.

Conexión al tendido

En la figura 3 vemos como se conecta un transformador a un tendido, las vías son las que finalmente conducirán la corriente a las locomotoras, los rieles deben estar aislados entre si para no provocar un cortocircuito; esto es, que la corriente pase de un borne a otro del transformador sin que en el medio se interponga alguna resistencia. Recordando la ley de Ohm si la R = 0 la corriente es máxima y puede dañar nuestro transformador.

Muchos transformadores tienen una luz que señala esta condición, otros no, y es muy común que una herramienta, como un destornillador, esté sobre las vías y no nos demos cuenta, esto puede dañar severamente el transformador si permanece conectado entregando tensión.

Las vías

Para que las vías conduzcan la corriente a nuestras locomotoras, estas deben estar limpias y con las uniones (eclisas) en buen estado. Si es posible, lo mejor es soldar las uniones con estaño, de no ser posible, es fundamental verificar el correcto ajuste de las eclisas. Cuanto más conexiones hagamos del transformador a la vía, menos inconvenientes de conducción tendremos; en la figura 4 vemos como seria idealmente, esto es lo mejor que podemos tener.

Una recomendación para lugares donde el tendido esta expuesto a variaciones de temperatura importantes es soldar cada unión de vías con un pedazo de cable, dejando un poco para el trabajo que harán las vías al expandirse y contraerse por el calor y frío.

Limpieza de las vías

Una vía limpia es fundamental, estas se oxidan y por las características del material esta oxidación no se ve, para evitar dificultades y lograr un buen contacto de las ruedas de las locomotoras hay que extremar la limpieza de esta parte fundamental del tendido.

Existen varios métodos de limpieza:

• Mediante un paño que no deje pelusa, mojado con alcohol isopropílico.
• Vagones comerciales que aplican líquido limpiador.
• Goma limpiadora comercial

Todos los métodos anteriores son buenos, pero recomendamos los no abrasivos, ya que estos van desgastando los rieles.

Las ruedas de las locomotoras

Las ruedas toman la corriente de los rieles, deben estar limpias al igual que las vías (existen cepillos comerciales con este fin). Las ruedas limpias son muy importantes para un andar suave y continuo.

Todas las locomotoras tienen las ruedas aisladas entre si para evitar un cortocircuito, en la figura 5 vemos los tipos de aislación más comunes usados en las ruedas.

Dirección de la locomotora

Los estándares internacionales determinan que, si nos ubicamos imaginariamente en la locomotora, mirando en la dirección en que esta debe marchar, el polo positivo de nuestro transformador debe conectarse al riel que nos queda del lado derecho, esto parece no tener muchos motivos, pero es importante al tener varias locomotoras al mismo tiempo y alimentadas desde un mismo transformador.

Motores

Los motores convierten energía eléctrica en energía mecánica, los más frecuentes están compuestos por los elementos que se muestran en la figura 6.

Funcionamiento

El principio de funcionamiento se basa en la atracción y repulsión entre dos campos magnéticos, uno es generado por el bobinado interior, como consecuencia de la corriente que circula por el mismo (corriente que ingresa por los carbones y el colector). El otro campo magnético es el proporcionado por los imanes permanentes que se encuentran en el estator (parte exterior del motor). La fuerza de repulsión entre los dos campos es la que hace girar al motor.

Las características requeridas de un motor para nuestras locomotoras son varias, entre ellas podemos citar:

• Tamaño pequeño.
• Bajo voltaje para el arranque.
• Torque a bajas revoluciones.
• Bajos requerimientos de corriente.

Tipos de motor

Voltaje y amperaje son características fáciles de medir, pero el torque y suavidad a baja velocidad no son tan fáciles de especificar.

Algo útil indicativo de estas características es el número de "polos" en la armadura del motor, tres polos, cinco polos, siete polos, etc. Tres polos es lo mínimo (locomotoras de baja calidad), cinco polos es buena, y 7 polos son las de mejor calidad.

A modo de ejemplo, en la figura 7 se muestra un gráfico con los datos de consumo de corriente y tensión de una locomotora modelo U30C de la marca Atlas, recién salida al mercado.

En el gráfico vemos que este modelo consume más corriente que el promedio de los consumos de las locomotoras del mercado y esto se evidenciará cuando al operaria necesitemos mover mas nuestro reóstato para que arranque, es decir darle mas tensión. (Información obtenida de revista Model Railroader -Junio 04).

Este tipo de gráficos nos muestra el comportamiento del motor, si las curvas son de pendientes constantes, sin cambios bruscos, ese motor arrancara suavemente y tendrá una aceleración constante y progresiva. En nuestro ejemplo, la locomotora Atlas es menos suave que el promedio de las locomotoras del mercado.

Otro valor importante es la corriente con que la locomotora empieza a moverse. En nuestro ejemplo, la locomotora Atlas consume más corriente desde el inicio, esto se notará como un arranque más brusco que el promedio de las locomotoras del mercado.

Cableando un tendido

Para hacer más simple la explicación arrancaremos con un circuito básico, como es un óvalo, el que se muestra en la figura siguiente.

Con esto nuestro tren ya funciona, pero ¿qué sucede si queremos hacer correr más de un tren al mismo tiempo, en forma independiente?

Secciones I bloques

Para poder hacer correr más de un tren debemos seccionar nuestro circuito en bloques, es decir en tramos de vías aisladas del resto y alimentadas en forma independiente, a eso se lo llama "bloque o sección"

Para hacer esto primero debemos dividir nuestro tendido en cuantas secciones o bloques queramos (donde y cuantos no está al alcance de esta nota).

La mejor manera de hacerlo es cortando los tramos de vía como se muestran en la figura 9 mediante un torno de mano, pero también se puede hacer mediante una sierra manual o un alicate filoso.

Lo más fácil es comprar eclisas aislantes y colocarlas entre tramos y/o cambios, de esta manera no cortamos los rieles pero, por razones operativas, no siempre es lo mejor.

Hay dos métodos para aislar eléctricamente un sector o bloque, el más fácil es aislar un solo riel y trabajar cortando el positivo solamente, manteniendo el negativo en un solo circuito todo unido.

La segunda alternativa es cortar ambos rieles de nuestro tendido, la ventaja del segundo método respecto del primero, es que este permite invertir la dirección de una locomotora respecto de otra, a pesar de que ambas funcionen con un solo transformador.

Para hacer que el bloque o la sección interrumpa su alimentación, comúnmente usamos una llave comercial que corta o invierte la alimentación del tramo a las vías, (doble inversión con punto medio, se consigue en comercios de electrónica).

Para facilitar la explicación usaremos el siguiente esquema que muestra como conectar una llave inversora (vista desde abajo).

En la figura siguiente vemos como podemos tener cada bloque cortado o habilitado en un sentido o el otro en forma independiente y podemos tener varias locomotoras funcionando simultáneamente.

Es conveniente mantener un orden de trabajo al conectar y armar nuestro tablero; todas las llaves alineadas, y conectadas de igual manera, usar siempre los mismos colores de cables, diferenciando el positivo del negativo. Esto nos hará más fácil detectar errores y nos permitirá una operación más intuitiva.

El cable a utilizar normalmente debería ser de 0.50mm ó 0.75mm. Ya que por el consumo máximo de una locomotora (1.2A ó 1.3A) alcanza y sobra, pero son difíciles de conseguir en el mercado. Si se utiliza de 1 mm no habrá problemas y se consigue en cualquier casa de electricidad.

La única diferencia entre las dos llaves de la figura 11 es que sus palancas están en posición opuesta. Esto invierte la polaridad de un bloque sin afectar al otro. De esta manera la locomotora "A" circulará en dirección contraria a la locomotora "B". Otra alternativa es poner una de las palancas en posición neutra, y el bloque correspondiente quedara sin tensión, y su locomotora no se moverá.

Como se mencionó anteriormente podemos efectuar nuestras secciones o bloques interrumpiendo solo el polo positivo (un solo riel) y utilizar dos transformadores diferentes (llamaremos cabina "A" al trafo 1 y Cabina "B" al trafo 2).

Depende de las preferencias del usuario es mejor un sistema (cortar ambos rieles y poder invertir el sentido de un tren respecto de otro en ese bloque solamente) o cortar un solo riel, no poder invertir la marcha, pero permitir que un bloque (puede ser una playa de maniobras por ejemplo) cambie de cabina que lo comanda, o sea de transformador (figura 12).

Más de un transformador

Una vez que tenemos un tendido armado, con las secciones hechas y conectadas, puede surgir la posibilidad de alimentarlo desde dos a tres transformadores. Generalmente, y lo más recomendable, es tener las vías principales (circulación permanente) alimentadas cada una con un transformador diferente, y otros transformadores para las playas de maniobras.

De esta forma podemos hacer circular dos trenes (mínimo) por las vías principales y podemos operar en la playa para el armado de otra formación.

Cambios

Por los cambios, obviamente circula corriente, en el mercado hay dos tipos de cambios (marcas de calidad) aislados "insulfrog" y no aisladas "sulfrog". En el siguiente esquema aclaramos las características de cada uno.

Aislado o Insulfrog (también llamado Power Routina)

Mientras el cambio está en posición para seguir derecho, el ramal que se abre no tiene alimentado el riel derecho (ramal muerto, la aguja móvil no transmite tensión). Por el contrario, con el cambio en posición de bifurcar, la aguja móvil no transmite tensión al ramal recto.

Estos cambios son conocidos como "power routing" (caso "A" de la figura 13)

Ventajas del Power Routing

La ventaja de este sistema es que hace más segura la operación ya que evita la colisión entre trenes, solo tiene tensión la ruta "habilitada".

Desventajas del Power Routing

Requiere mas trabajo en el proceso de cableado ya que muchas veces hay que alimentar algún sector del cambio para poder operar con total libertad (independiente de la posición de las agujas).

No aislado o sulfrog

Estos cambios son los más simples ya que todos los rieles y agujas están conectados independientemente de la posición de las agujas, no comandan la operación (caso "B" de la figura 13)

Casos especiales

Muchas veces tenemos un tendido como el de la figura 14, como se puede ver tanto usando cambios aislados o no aislados se produce un cortocircuito.

Para solucionar este problema se requieren dos cortes que aíslen los rieles en cada final del rulo o "loop"; la sección aislada nos dará el control del movimiento de retorno del tren.

Debido a que la sección está aislada necesitará su propia alimentación, y se debe tener en cuenta que la sección aislada debe ser algo más larga que la más larga de las locomotoras que usemos.

Estas secciones que debemos alimentar, necesitarán una llave inversora auxiliar para controlar la (adicional a lo que trae el transformador). La figura 15 muestra como podemos solucionar fácilmente nuestro problema con dos métodos diferentes, el "A" con una sola llave adicional, y el "B" con dos llaves adicionales.

En la figura 16 vemos como funciona el sistema.

Vemos que el tren se aproxima, y la llave principal de dirección está posicionada "hacia el este", la llave que comanda el sentido dentro del rulo debe estar posicionada según por que brazo del rulo se quiere que el tren circule, sur en este caso. Observamos que el control de dirección del transformador permanece fijo y el tren no se detiene.

Una vez que el tren ingresó en el rulo, la llave de dirección principal la pasamos a la posición "oeste" y el cambio pasa a la posición que permita la salida del tren del rulo. La llave de dirección dentro del rulo se deja fija y la del transformador también.

Si queremos que el tren entre y bifurque hacia el rulo, la operación de la llave Este-Oeste es la misma, solo debemos poner la llave Norte-Sur en posición Norte.

Este método, si bien requiere de dos llaves, es muy fácil e intuitivo de operar.

¿Qué pasa si tenemos dos rulos?, el sistema es el mismo y no requiere más llaves, con las mismas dos funciona (ver figura 17)

Recomendaciones generales para cablear un tendido

• Es conveniente ser prolijo, use colores diferentes de cables y mantenga sus propias normas.
• No haga empalmes, use borneras, es más seguro, permite desarmar lo hecho sin cortar cables, y es más fácil de seguir un circuito.
• Trate de aislar bien y en forma clara donde hay 220 V del resto; evite zonas de ambas tensiones en forma paralela, un error puede ser fatal
• No debe haber cables pelados ni de 12 V, ni obviamente de 220 V.
• Sea prolijo al rutear los cables bajo la maqueta, ponga "lazos u omegas" de chapa o plástico, gastará más cable pero será más fácil rastrear un cable para saber donde hay una falla.
• Identifique todo lo que pueda con el número de bloque I sección.
• Use colores de cables diferentes para lo que es continua (vías) y lo que es alterna (cambios y accesorios un color, iluminación de otro color, etc.).
• Si puede, utilice terminales tipo "AMP" para cada conexión.

Bibliografía

"Easy Modelrailroad Wiring" de publicaciones Kalmbach EEUU

Los autores intelectuales (personas de existencia real) de estas obras permiten su obtención como “Copia Privada” para su uso en forma privada, y mencionando la fuente y su forma de obtención a titulo gratuito. Queda terminantemente prohibido:

• Que se edite, venda o reproduzca por cualquier medio o instrumento, una obra publicada sin autorización de su autor o derechohabientes;
• Que falsifique las obras intelectuales entendiéndose como tal la edición de una obra ya editada, ostentando falsamente el nombre del editor autorizado al efecto;
• Que se edite, venda o reproduzca una obra suprimiendo o cambiando el nombre del autor, el título de la misma o alterando dolosamente su texto;