Environmental benefit function

Para la señalización visual de la línea ferroviaria en la maqueta se han diseñado y fabricado semáforos personalizados, utilizando electrónica específica. Se han fabricado los semáforos en vez de comprar los que se comercializan para este tipo de maquetas por dos motivos principalmente:

• Son demasiado costosos económicamente. Cada semáforo puede llegar a tener un precio de unos 25 €, por lo que, al necesitar 18 semáforos, el presupuesto final del proyecto se dispara. Se ha comparado este coste con el de realizar los semáforos de forma independiente utilizando electrónica específica, y el resultado ha sido que resulta más económico realizar los semáforos de forma personalizada.

• Uno de los objetivos principales del proyecto es realizar la automatización de los componentes ferroviarios, por lo que se ha decidido externalizar los semáforos para poder realizar el control de los mismos a través del sistema de automatización.

El proceso de fabricación de los semáforos empieza teniendo en cuenta el material necesario para que funcionen correctamente. Se ha decidido que la iluminación de los semáforos se realice con leds. Los led poseen varias ventajas con respecto a otros tipos de iluminación, puesto que tienen bajo consumo y gran durabilidad. Además, su tamaño es apropiado para instalarlos en una maqueta como la que se ha construido para este proyecto. Los leds que se utilizan para la fabricación de los semáforos deben ser alimentados a 2,1 V. Teniendo en cuenta que las fuentes de alimentación utilizadas tienen la salida a 24 V DC, se necesitan componentes que reduzcan obligatoriamente la tensión de entrada a los led, ya que si no serán dañados sin remedio. Estos dispositivos son las resistencias. Ahora bien, hay que determinar de alguna forma el valor de esas resistencias y la potencia (W) que deben soportar (las resistencias absorberán esa tensión de más para que no llegue al led, pero por ello disipará calor, y la resistencia debe ser capaz de disipar todo el calor producido en esa absorción con la seguridad de que el calor no la destruya). Por eso es aconsejable calcular el valor en Ω de la resistencia, pero también se debe tener en cuenta la potencia que debe soportar. El valor de la resistencia se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

𝑅𝑅𝑅𝑅 = (𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉)/𝐼𝐼𝑉𝑉

Siendo Vdd la tensión de alimentación, Vf la tensión de funcionamiento típica del led, If la corriente de funcionamiento típica del led

De esta forma, la resistencia calculada para el led rojo utilizado en el proyecto debería ser de 1095 Ω, recordando que tiene una Vf = 2,1 y una If de 20 mA, siendo la tensión de alimentación de 24 V DC. El mismo valor para el led verde, puesto que las características eléctricas de funcionamiento son idénticas. Sin embargo, buscando mayor facilidad en el cálculo, existen aplicaciones software muy sencillas de manejar que, introduciendo determinados datos, devuelven el valor de la resistencia adecuado y la potencia que deben soportar. Se puede ver esto en la siguiente imagen:

Como se puede observar, se verifica que el valor de la resistencia debe ser de 1095 Ω aproximadamente, recordando que las resistencias que se fabrican tienen valores predeterminados. De esta forma, lo que se aconseja siempre es escoger una resistencia de valor lo más aproximado posible al resultado del cálculo, siempre ajustando al valor de resistencia inmediatamente superior al calculado. Si se escoge una resistencia de un valor inferior se corre el riesgo de dañar la resistencia y el dispositivo protegido, en este caso, el led. Para el caso concreto de este proyecto, el valor seleccionado de resistencia es 1100 Ω, que es el valor estándar de fabricación inmediatamente superior al cálculo teórico. El programa en cuestión también informa que el consumo en potencia que la resistencia debe ser capaz de soportar es de 0,438 W. Finalmente, para el proyecto se han seleccionado resistencias de 1100 Ω, con una potencia de 0,6W y de película metálica, con mejores propiedades que la película de carbón típica de las resistencias normales. Por último, se hace necesario disponer de un terminal de conexión de los cables de alimentación por cada semáforo, lo que reportará facilidad de cableado y limpieza visual en la presentación del semáforo.

Una vez seleccionados los componentes, queda diseñar el circuito de cada semáforo. Para que los 18 semáforos se puedan situar en la maqueta ferroviaria en los puntos estratégicos requeridos, es necesario que tengan un tamaño lo más discreto posible. La implementación de los semáforos se ha hecho en placa de circuito impreso (PCB), diseñando primero el circuito y después usando técnicas de revelado de placas de circuito impreso para la fabricación física de los mismos.

Para el diseño de los circuitos de semáforos se ha utilizado software especializado en el diseño de PCBs, en concreto, se ha utilizado el software PCB Wizard, un software sencillo y potente que permite el dimensionado real de todos los componentes electrónicos y pistas del circuito, con lo cual se puede calcular el espacio y diseño necesarios de construcción sobre el mismo software. Este programa tiene integrado un conjunto de librerías de componentes electrónicos diversos con sus dimensiones reales, de forma que se puede diseñar el circuito PCB con total exactitud:

Como se puede observar, finalmente se ha diseñado una placa que contiene 20 circuitos de semáforo, empleando para el proyecto 18 de ellos. Después de la fase de diseño es necesaria una placa de fibra de vidrio y técnicas de revelado para imprimir el diseño sobre la placa, para después atacar con ácido a la misma y dejar al descubierto el cobre de las pistas y componentes electrónicos, donde se soldarán más tarde los mismos. Una vez fabricada la placa, se debe taladrar los orificios para introducir los componentes electrónicos. A continuación, hay que proceder a soldar con estaño los componentes. En cuanto al conexionado de las resistencias, no tienen polaridad, por lo que se pueden colocar en el sentido que se prefiera, y a diferencia de éstas, con el conexionado de los led hay que tener en cuenta que tienen polaridad (ánodo y cátodo). Esto es muy importante, puesto que, si se colocan al revés, el diodo quedará polarizado inversamente, y no funcionará. En la siguiente imagen se puede ver un led típico:

En el diseño realizado del circuito de semáforo, el terminal corto (cátodo) va conectado a masa, es decir, al borne central del terminal de conexión, mientras que el terminal largo (ánodo) va conectado a la salida digital del autómata (+24V DC).

Conexión a salida digital autómata para controlar led rojo Conexión a salida digital autómata para controlar led verde Conexión a masa común

En la siguiente imagen se puede ver el semáforo por el lado de las pistas:

A continuación, se han construido soportes realizados en madera para los 18 semáforos situados en la maqueta: