Alimentatore PWM

[Edgardo_Rosatti]

PWM è l'acronimo di Pulse With Modulation, cioè modulazione con impulsi.

Un alimentatore per locomotive tradizionale, generalmente usa un potenziometro o un reostato per regolare l'alimentazione sui binari di corsa. In base alla posizione del potenziometro dell'alimentatore, avremo una relativa velocità del treno sul plastico.

Un alimentatore PWM fa sostanzialmente la stessa cosa, ma in modo diverso e consente di avere un controllo molto accurato sul motore della loco soprattutto per modelli in scala molto piccola come N, Z o T.

La differenza tra il metodo tradizionale ed il PWM sta nel modo in cui viene inviata la corrente sui binari.

Con un alimetatore tradizionale la corrente viene erogata in modo lineare e la loco si muove proprio in base al livello di corrente che gli inviamo.
Con alimentatore PWM, si manda una corrente ad impulsi regolabili attraverso un potenziometro. Cioè si apre e si chiude un interruttore molto velocemente.
Il risultato finale non cambia molto e si riesce a regolare la velocità del motore molto accuratamente soprattutto sui modelli molto piccoli, come per la scala N, Z o T.

Nelle figure un alimentatore PWM di Nuova Elettronica e due diagrammi che mostrano le differenze tra il sistema tradizionale e quello PWM.

Alimetatore:

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Grafici della modulazione con impulsi:

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Una delle caratteristiche degli alimentatori PWM, è quella che consente di mantenere accese le luci del convoglio anche da fermo.

Tuttavia, questo sistema non sempre è indicato in quanto ha qualche difetto nel momento in cui si cerca di alimentare loco provviste di luci (fari) che contengono diodi. Questo perchè i diodi presenti nella loco mandano in tilt l'alimentatore PWM.

Riassumendo, il PWM è indicato solo per tutte quelle loco senza luci.

L'alimentatore in foto ha anche una caratteristica molto interessante che consente di programmare la curva di accelerazione o frenatura in modo automatico. Cioè impostando una velocità finale ed il tempo di accelerazione ci consente di avere un funzionamento molto simile alla realtà.

[carlo mercuri]

Ciao Edgardo:

Quanto costa?E' in kit?Ma non si diceva che scalda molto i motori,specie al minimo?
Grazie!!!!

[Andrea]

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Riassumendo, il PWM è indicato solo per tutte quelle loco senza luci.[/quote]
Tutto estremamente interessante, ma questo non ne limita un po' le possibilità di utilizzo?

[Fabrizio]

Molto interessante.

metto,( come al solito ) qualche nozione teorica. Anche se scritta in parole molto povere, in quanto di più non ne so

Il motore in corrente continua, di cui sono dotate le nostre locomotive, ha una caratteristica tensione-velocità, in prima appossimazione, lineare. Ovvero all'aumentare della tensione aumenta la velocità di rotazione, di conseguenza, la velocità della locomotiva.

Per regolare la velocità ri rotazione, si deve quindi regolare la tesione di alimentazione. Come ha detto Edgardo esistono tre metodi per regolare la tensione

- Potenziometro

almeno nella versione che conosco io si usa un trasformatore a rapporto spire variabile, sul lato corrente alternata. Ovvero da un lato si alimenta il trasformatore a 220V, sul secondario si vanno a collegare più o meno spire ruotando una manopola, così che raccogliendo più spire si ha una tensione più elevata, raccogliendo meno spire si ha una tensione meno elevata. Successivamente si manda la tensione al raddrizzatore.

lo svantaggio risiede nella scarsa precisione della regolazione, per via del fatto che il numero di spire che si collegano o meno è discreto, (cioè 1-2-3-ecc, quindi si ottengono "step" di tensione. Tante più spire ha il potenziomentro, tanto più e costoso, tanto più è precisa la regolazione.

- reostato

è un metodo molto semplice, ma all'aumentare della corrente assobita, per effetto ad esempio di una salita, aumenta anche la caduta di tensione sul reostato, con conseguente diminuzione della tensione al motore della locomotiva e ulteriore rallentamento, non desiderato. Una manopola permette di variare il valore della resistenza, in modo da ottenere al motore della locomotiva rensioni più o meno elevate

- PWM

è il metodo "elettronico".



Immagine:

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per ottenere una certa tensione di uscita, si apre e si chiude un interruttore (elettronico, un tiristore). Quando il tiristore è chiuso la tensione di uscita è più alta di quella voluta, quando è aperto la tensione di uscita è nulla. Regolando i tempi di accensione e spegnimento del tiristore (tempi Ton e Toff) si fa in modo che la "media" di uscita sia la tensione voluta. Dalla figura si vede molto bene il concetto, cioè le aree racchiuse dalla "riga" che indica la tensione sono uguali. Uguali aree significa stessa energia e quindi stessa tensione "efficace".

La regolazione PWM permette molta più precisione e si possono regolare le accelerazioni e le decelerazioni, perchè ci sono semplici circuiti che, spostando i selettori che si vedono nella foto che ha messo Edgardo, fanno variare in maniera appropriata i tempi di apertura e chiusura dello switch.

Tuttavia, oltre al difetto già indicato da Edgardo riguardo le luci, è anche vero quel che dice Carlo. Soprattutto al minimo si scaldano di più i motori. Questo perchè il segnale è un segnale periodico, e non continuo. La tensione è quindi equivalente, ma il segnale più "sporco", e questo fa si che tutto ciò che c'è in più va dissipato in calore sul motore. Tanto più è alta la frequenza (quadratini del disegno fitti e ravvicinati) tanto più il segnale è simile a quello continuo "vero" e tanto meno scaldano i motori. Ma per avere basse tensioni (al minimo) i quadratini, per ragioni tecniche, sono abbastanza radi tra loro, e non fitti come dovrebbero quindi il segnale "sporco".

Tutto questo è detto proprio in parole povere. Solitamente con un buon alimentatore a PWM non si dovrebbe surriscaldare più di tanto il motore e ottenersi un ottima regolazione.

[Edgardo_Rosatti]

Per Carlo; il kit lo trovi nel link qui sotto ma purtroppo è esaurito. Comunque se ti interessa ho la rivista con l'articolo completo di schema, componenti e circuito stampato.
Per realizzarlo non sono necessari componenti particolari ed il costo si aggira indicativamente sui 40-50 euro, forse anche meno.
Posso fartene una copia e/o realizzare il circuito stampato in fotoincisione.
Nel kit originale c'era anche il mobiletto con frontalino serigrafato.
http://www.nuovaelettronica.it/prodotti ... ini-1-1126

Per Andrea; è come dici. E' limitato all'uso di loco e carrozze che hanno un impianto di illuminazione con lampadine. Le lampadine si comportano come delle semplici
resistenze e non influenzano l'alimentatore. I led o i diodi in generale, filtrano il segnale PWM raddizzandolo, e mandano in cortocircuito la giunzione collettore/emettitore
dei transistor finali. In pratica inizia ad uscire fumo dalla scatola dell'alimentatore... esperienza già vissuta.

Per Eurostar; bè qui non ho nulla da aggiungere, in quanto la tua descrizione sul funzionamento del PWM è semplicemente perfetta. Concludo solo col dire che dalle prove
che ho fatto con questo alimentatore, non ho notato un surriscaldamento del motore in generale. Evidentemente è dimensionato per evitare che questo avvenga o forse non l'ho mai usato a basse velocità per lungo tempo. E' una cosa che proverò a fare .

Un ultima nota; come si può vedere dalla foto, ci sono 3 potenziometri lineari che sono molto comodi da usare. Uno comanda in manuale la loco avanti e indietro e gli altri
due regolano velocità finale e curva di accelerazione/frenatura se l'alimentatore viene predisposto per un funzionamento automatico.
Visto che il kit è esaurito, sarà dificile reperire dei potenziometri uguali a quelli originali e probabilmente ci si dovrà adattare usando quello che si riuscirà a trovare

[marioscd]

Gli alimentatori PWM non hanno avuto un gran successo nel fermodellismo perchè all'inizio dell'era "elettronica" erano decisamente più costosi di un normale "trafo" da fermodellismo e quando il costo dei componenti elettronici necessari al suo funzionamento ha cominciato a scendere notevolmente sono arrivati i diodi (illuminazione loco sia a led che a lampadine con diodo per inversione bianca/rossa) e, soprattutto, il digitale. Quest'ultimo sistema utilizza, in parte, proprio la logica PWM per l'alimentazione dei motori... solo che parte dei "treni di impulsi" vengono utilizzati come codice e, comunque, il contenuto energetico viene "trattato" dal decoder. Diciamo che la tecnica PWM si può considerare un po' un passaggio "ibrido" intermedio tra l'analogico puro e le nuove tecnologie più sofisticate del digitale. Forse, oggi come oggi, non ha più molto senso...

ciao

[Edgardo_Rosatti]

Dipende dai punti di vista, se pensi ai grandi plastici concordo con te, l'era del digitale offre molte più opportunità, ma dal mio punto di vista personale si inflaziona un po' la tecnica e non sempre è necessario usare il digitale.
Il PWM rimane sempre una valida alternativa e permette di avere un controllo perfetto della trazione nei piccoli impianti senza fare ricorso ai costosi impianti digitali.
L'alimentatore in oggetto costa poco e fa quello per cui è stato progettato.
Non a caso ho citato le scale come la N, Z e T dove i motori e le masse in gioco sono molto piccole.

Ciao

[marioscd]

oh ma se è per quello il PWM va benissimo anche per l'H0! Senza dubbio è un sistema di compromesso economicamente vantaggiosissimo. Se i problemi legati all'illuminazione con uso di diodi sono marginali è sicuramente un sistema tecnologicamente valido. In effetti nelle scale piccole spesso questi problemi sono molto meno importanti. Si, le mie considerazioni sono più legate a macchine di scale maggiori.

ciao

[Edgardo_Rosatti]

Certo Mario, alla fine tutte le loco hanno un motore che in qualche modo va gestito, anche quelle fantastiche che ho visto a Novegro nel vostro plastico
Laciatelo dire, come scenografia il vostro plastico è straordinario e l'ambientazione è molto originale.

Ho acquistato un paio di segnali FS e un carro portacontainer in scala 0 da Lineamodel e qui sono un po controcorrente per via della scala, ma adoro queste realizzazioni che offrono un grado di particolari unico.

[Marco Cestonaro]

Ciao a tutti, mi inserisco nel discorso PWM per aggiungere qualche considerazione e magari trovare risposta a qualche mio dubbio.
Sperimentai già in passato questo tipo di alimentazione costruendo un paio di circuiti pilotati da un timer NE555. Al tempo infatti esistevano per fermodellismo solo alimentatori tradizionali a reostato o poco più. Il vantaggio evidente di questo sistema è l'ottenimento di un maggior spunto dei motori DC dei modelli e maggior coppia così da poter contare su una migliore fluidità di marcia ed ottenere regimi di velocità più bassi (i modelli del tempo correvano decisamente troppo e non sopportavano velocità lente da manovra).
Oggi nel mio impianto che resta analogico utilizzo ancora l'alimentazione PWM perché mi è utile ma è anche una scelta obbligata per inserire nel contesto generale del comando centralizzato di tutte le funzioni, basato sulla scheda Arduino, anche l'alimentazione dei modelli con le funzioni di marcia, accelerazione, frenatura inversione ecc.
Tutto ciò è gestito da una "Motor Shield" (scheda alimentazione motori basata su un ponte "H") pilotata dalla scheda arduino che fornisce il segnale PWM necessario a generare l'alimentazione PWM e variarne il Duty-Cycle.
Tutto bene fin qui, il sistema dovrebbe essere ben collaudato dato che gli impieghi per variare la velocità di motori DC o l'intensità luminosa di lampade o led sono tantissimi e presenti da anni, ma siamo sicuri che non abbiano effetti dannosi sui motori DC a spazzole? E' un dubbio che continuo a pormi anche se finora non ho avuto guai di alcun tipo.
Faccio però ancora fatica ad abituarmi a quel ronzio che emettono i motori alimentati PWM.
Da parte mia non ho invece notato differenze di funzionamento in presenza di diodi o led per le luci dei modelli piuttosto che senza. Avevo letto questo forum e ho fatto molte prove. Un effetto strano e spiacevole che trovo in alcuni modelli è questo: i modelli possono avere le luci con inversione di marcia con led bianchi e rossi o con lampadine tradizionali e diodi. Ecco: luci o led si accendono anche quando non devono ovvero non risentono dell'inversione di polarità. Ho capito che dipende dalle correnti indotte dal motore alimentato PWM, infatti, escludendo quest'ultimo le luci funzionano perfettamente, però non so che fare a questo punto.
Chiedo se qualcuno si è imbattuto in questo problema, ha gli stessi dubbi e magari conosce una soluzione.
Grazie a tutti anticipatamente.
Ciao

[sma835_47]

A suo tempo avevo costruito due alimentatori come quelli presentati da Edgardo all'inizio di questo topic. Funzionavano abbastanza bene (velocità minima effettivamente piuttosto bassa, luci sempre accese) ma i motori, anche da fermi tendevano a ronzare e, comunque venivano attraversati da una certa corrente.
Li ho smantellati dal plastico e sostituiti con normali analogici o digitali.
In realtà, tanti anni fa era stato presentato un alimentatore sulla rivista Model Railroader piuttosto complesso, ma completo per quanto riguardava le varie funzioni. Era un classico alimentatore analogico con possibilità di erogare diversi amper fino a 14V, ma aveva le funzioni di tensione massima e minima, accelerazione e decelerazione con possibilità di variarne i valori, controllo costante del carico e una seriei di spikes in fase di inizio marcia e frenata. Questi spikes (impulsi veloci sovrapposti alla normale tensione continua, non facevano altro che aiutare il motore a girare vincendo l'attrito iniziale o lo aiutavano a fermarsi gradualmente. Potevano essere sovrapposti anche in modo permanente a bassa velocità per un moto a passo d'uomo.
Peccato che è un progetto con solo transistors che forse ora non si trovano più, perchè varrebbe la pena di provarlo nuovamente all'opera.
Ciao
Saverio

[Edgardo_Rosatti]

A me non è mai capitato di sentire ronzii particolari su questo alimentatore. Mi è capitato invece di sentirli (come se gli avvolgimenti riusuonassero) usando altri tipi di alimentatori pwm. Ma secondo me in questo caso dipende dalla frequenza dell'oscillatore che se è relativamente bassa il nostro orecchio la sente. Ora non mi ricordo quanto era quello di NE, credo sui 20KHz, ma non vorrei dire una stupidata.
Il fatto che nei motori scorra della corrente anche da fermi penso sia normale, dopotutto le lampade si accendono perchè sono carichi resistivi e basta anche un 5% di duty cycle
per farlo.
Per il discorso usura motori o effetti collaterali anche qui non credo ci sia da preoccuparsi, anche i treni reali usano questa tecnica, ovviamente "solo" un po' più raffinata.

Secondo me l'alimentatore di NE non ha avuto molto successo più che altro perchè ai tempi non è stato capito ed essendo un kit molti lo avranno provato a fare magari sbagliando nel montaggio. Inoltre con loco dotate di circuteria varia ha dato problemi anche a me. Quando vedi uscire del fumo ti girano i maroni e perdi fiducia, se poi il kit è indirizzato verso un pubblico esigente allora lo sputtanamento è assicurato. Infatti NE l'ha tolto dal catalogo con la motivazione "non funziona".
Saverio, con questo voglio solo dire che il pwm è critico nel nostro ambito e andrebbe usato solo su loco semplici e senza troppi fronzoli a bordo, come per la scala T.
Ma da quello che dici mi è sembrato che intendessi più o meno la stessa cosa.
A verona lo porterò per alimentare la zona servizi ed un KOF.

Arduino uno usa le uscite PWM con una quantizzazione a 8 bit del duty cycle, questo vuol dire che ha 256 passi di lavoro (0-255). Per il pilotaggio di un motore vanno benissimo, ma bisogna vedere a che frequenza lavora il segnale partendo dalla frequenza di clock del microcontrollore (16 MHz) e fare qualche calcolo. Poi ci sono tutti i circuiti interni, il bootloader ed il software che formano un collo di bottiglia.
Da questo link:
http://www.mauroalfieri.it/elettronica/ ... cycle.html
si vede una tabella di comparazione dei 6 pin pwm di Arduino uno che sono differenti tra loro.
Per es. i pin 6 e 5 hanno una frequenza di 976 Hz, i pin 9, 10, 11 e 3 di 488 Hz.
Un po' poco per non sentirla ad orecchio ed è ovvio che con frequenze così basse il motore ronza. Questo però non vuol dire che non funzioni.
Anche i treni reali in questo caso ronzano eccome se ronzano, basta salire su una metropolitana per sentirlo.

Non so come è fatto lo shield che usi e che ha incuriosito anche me, ma per eliminare il ronzio si dovrebbe realizzare un circuito che legga la pwm di arduino per pilotare un secondo generatore pwm che lavori a frequenza maggiore, come minimo 20-25 KHz. Magari Arduino due che è più veloce potrebbe risolvere questo problema, ma non ho mai fatto delle prove e non saprei come aiutarti.
Rimane il fatto che usare arduino per alimentare in pwm un trenino può essere giustificato solo in determinate circostanze come la facilità di utilizzo e la programmazione.
Sto studiando una scheda di blocco per il modulare con arduino nano per eliminare i relè e avere partenze graduali che userà proprio il pwm solo per brevi tratti (sezionamenti) di 20-25 cm.
Se son rose fioriranno.

[Marco Cestonaro]

Grazie Edgardo, si, effettivamente il sistema che ho adottato è giustificato dalle circostanze particolari vincolate appunto al sistema che ho voluto adottare.
In effetti avevo preso in considerazione il fattore frequenza che proverò a modificare lavorando sul valore di prescaler del timer dove e se si può effettivamente.
Questo non tanto per ottenere risultati sugli effetti sonori dei motori, ma per vedere se si attenuano questi effetti di "eco elettrico" (scusami i termine poco tecnico) prodotti dai motori stessi che credo siano la causa dello strano comportamento di luci e led.
Comunque lo shield che sto usando è L'Arduino Motor Shield che si basato sull'integrato L298, adatto a pilotare carichi induttivi che è quello del sito "ufficiale" arduino.cc. Ha funzioni interessanti e per un principiante come me è comodo e "casalingo".
Buon lavoro per il modulare, spero di poter essere a Verona anche quest'anno così vedo il plastico TT (ci sarà vero?) e magari conoscere di persona qualcuno di voi.
Ciao

[roy67]

Mi permetto d'inserirmi.
Il ronzio dei motori è dovuto anche dal nuro di poli. Motori a 3 poli ronzeranno più intensamente che motori a 5 poli.
Questo non è assolutamente un problema.
Tutti i giorni ho a che fare con motori brushles che vengono pilotati da "servo drive" che emettono frequenze di pilotaggio molto simili al PWM.
Motori, anche da 40 Kw, a "0 RPM" ronzano, perché la frequenza di pilotaggio impone che restino in posizione, fermi, al massimo della loro potenza.

E' vero che sono motori concepiti per funzionare in questo modo. ma la differenza con i semplici motori CC è pressapoco inesistente (pulse coder tranne).

Quindi... se ronzano.. e' solo un "nostro" fastidio uditivo.

[Edgardo_Rosatti]

Grazie per la precisazione Roy

[RaPa]

Scusate l'intromissione di uno appena arrivato.
Premesso che per me la scelta dell'analogico è quasi di tipo affettivo con in più la sfida a fare cose ce col digitale sembrano naturali.
Ho costruito il kit di N.E. a suo tempo ma ha dato problemi con loco (Lima 445 made in Cina) bruciando le induttanze della scheda. Per il resto no mi ha soddisfatto la potenza ( colpa dei finali non veramente simmetrici). Ho invece trovato molta soddisfazione con Arduino (UNO Rev.3).
Permette di fare quello che si vuole.
Per il problema della freq. pilota è possibile modificarla da programma. Posto un esempio.
Rimane il problema della inversione delle luci. Sto pensando a due possibili soluzioni.
1 uso di foto accoppiatori che dovrebbero "sentire" da un certo punto in poi la Veff.
2 non utilizzare un ponte ad H ma un duty tra zero e Vmax. PWM_FREQ.txt (4,14 KB)

[Marco Cestonaro]

Benvenuto Raffaele, intromettiti pure, da parte mia son pivello sia del forum che di arduino e seriamente impantanato (lo ammatto ) con l'ambizioso progetto di "controllo totale" del mio impiantino. Ho provato a seguire già la strada del tipo che hai postato, ma se mai potevo complicarmi di più la vita ho mischiato Processing con Arduino, Firmata... [xx(] puro masochismo insomma. Si, fin qua va bene ma non è proprio quel che volevo, tanto più che quel benedetto DCC con tutte le interessanti opportunità che offre è li che ammicca e sono qui che sto per cedere... E' la mancanza di finanze che mi frena.
Non mi dilungo inoltre a disquisire di codici e schede arduino altrimenti qualcuno giustamente obbietterà che ho sbagliato forum, comunque se di tanto in tanto si può condividere qualcosa tra chi percorre questa strada sarà utile per molti.
Nel frattempo, per superare questa crisi di "orientamento" mi sto dedicando alla prosecuzione dei lavori più prettamente fermodellistici e concretizzare maggiormente il plastico vero e proprio.

[Edgardo_Rosatti]

Grazie a tutti per gli interventi, questo è un bell'argomento che vale la pena trattare e mi fa molto piacere che se ne parli. L'alimentatore di NE non è che in fondo non funziona, sono le loco che non si adattano in alcuni casi; quando e se hanno dei circuiti interni. Il pwm può sempre essere messo in crisi in questi casi.
Tuttavia, a rettifica di quanto ho lasciato intendere, Arduino può essere molto d'aiuto, diciamo che non avevo considerato gli shield che si trovano per questa piattaforma e che consentono di venire in aiuto per il pilotaggio dei motori in cc.
Anche progetti che fanno uso di Processing e Firmata sono molto stimolanti, ma in questo periodo non riesco proprio a concentrarmi su di essi. Le idee vengono fuori di continuo.
Per Verona 2014 porterò un portatile e Arduino mega 2560.
Le chiavette USB e gli shield sono ben accetti

[schunt]

Sul mio plastico esercito la trazione con un alimentatore PWM alimentato da un trasformatore da 50 W a 16 volt, la corrente viene comandata da un darlinton che momentaneamente non sono in grado di identificare, perche' abito a 1200 km di distanza dal plastico.

Comunque a parte questo, per l'illuminazione dei convogli ho realizzato un circuito che genera una corrente ad alta frequenza, di cui attualmente non dispongo dello schema, che eroga una potenza di 40w. a 18 volt, che non interferisce con la corrente di trazione, ne tanto meno essa interferisce con quella ad alta frequenza, poiche' l'illuminazione interna di ogni carrozza, passa da un piccolo condensatore.

L'alta frequenza per l'illuminazione costante non passa dentro il motore, quindi e' come se non esistesse.