Automatyczne światła tunelowe modeli kolejowych: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

To moja ulubiona płytka drukowana. Mój modelowy układ kolejowy (wciąż w toku) ma wiele tuneli i chociaż prawdopodobnie nie jest to prototyp, chciałem mieć światła tunelu, które włączałyby się, gdy pociąg zbliżał się do tunelu. Moim pierwszym impulsem był zakup zestawu elektronicznego z częściami i ledami, co zrobiłem. Okazało się, że to zestaw Arduino, ale nie miałem pojęcia, czym jest Arduino. Dowiedziałem się. A to doprowadziło do przygody z nauką elektroniki. Przynajmniej tyle, żeby zrobić światła w tunelu! I bez Arduino.

To jest przynajmniej moja trzecia wersja płytki drukowanej w tunelu. Podstawowy projekt, który odkryłem w jednym z projektów książki Obwody elektroniczne dla Evil Genius 2E. To świetna książka do nauki! Odkryłem również użycie układów scalonych, w szczególności czterowejściowych bramek NAND CD4011.

Krok 1: Schemat obwodu

Obwód oświetlenia tunelu ma trzy wejścia sygnałowe. Dwa to wejścia LDR (rezystory zależne od światła), a jedno to opcjonalna płytka drukowana czujnika przeszkód. Sygnały wejściowe tych urządzeń są logicznie oceniane przez wejścia bramki NAND CD4023 (potrójne bramki NAND).

Jest jedna zielona/czerwona wspólna anoda LED (która będzie używana na panelu wyświetlacza, wskazując, że pociąg zajmuje określony tunel lub zbliża się do tunelu). Kolor zielony oznacza czysty tunel, a czerwony - zajęty tunel. Gdy czerwona dioda jest zapalona, światła w tunelu również będą się świecić.

Gdy którekolwiek z trzech wejść wykryje stan sygnału, wyjście bramki NAND będzie miało stan WYSOKI. Jedynym warunkiem, kiedy pierwsze wyjście bramki NAND jest NISKI, jest pojedynczy stan, gdy wszystkie wejścia są WYSOKIE (wszystkie detektory w stanie domyślnym).

Obwód zawiera mosfet P-CH, który służy do ochrony obwodu przed błędnym podłączeniem zasilania i uziemienia. Może się to łatwo zdarzyć podczas okablowania płytki drukowanej pod tabelą układu. W poprzednich wersjach płytki używałem diody w obwodzie, aby zabezpieczyć obwód przed przełączaniem przewodów masy i zasilania, ale dioda pobierała 0,7 wolta z dostępnych 5 woltów. Mosfet nie obniża napięcia i nadal chroni obwód, jeśli źle poprowadzisz przewody.

Wyjście HIGH pierwszej bramki NAND przechodzi przez diodę do następnej bramki NAND i jest również podłączone do obwodu opóźnienia czasowego rezystora/kondensatora. Obwód ten utrzymuje stan wysoki na wejściu drugiej bramki NAND przez 4 lub 5 sekund w zależności od wartości rezystora i kondensatora. To opóźnienie zapobiega włączaniu i wyłączaniu świateł tunelu, gdy LDR jest wystawiony na światło między przejeżdżającymi samochodami, a także wydaje się rozsądnym czasem, ponieważ opóźnienie da ostatniemu samochodowi czas na wjazd do tunelu lub opuszczenie tunelu.

Wewnątrz tunelu czujnik przeszkód utrzyma obwód aktywny, ponieważ monitoruje również przejeżdżające samochody. Te obwody detektora można dostosować do wykrywania samochodów w odległości zaledwie kilku cali, a także nie mogą być wyzwalane przez przeciwległą ścianę tunelu.

Jeśli zdecydujesz się nie podłączać detektora przeszkód wewnątrz tunelu (krótki tunel lub trudny), po prostu podłącz VCC do wyjścia na 3-pinowym złączu detektora przeszkód, a to utrzyma sygnał WYSOKI na tym wejściu bramki NAND.

Dwie bramki NAND służą do udostępnienia miejsca na zaimplementowanie obwodu RC. Kondensator jest zasilany, gdy pierwsza bramka NAND jest WYSOKA. Ten sygnał jest wejściem do drugiej bramki NAND. Kiedy pierwsza bramka NAND przechodzi w stan niski (cały czysty), kondensator utrzymuje sygnał do drugiej bramki NAND w stanie wysokim, podczas gdy powoli rozładowuje się przez rezystor 1 10m. Dioda zapobiega rozładowywaniu się kondensatora jako sink przez wyjście bramki NAND jeden.

Ponieważ wszystkie trzy wejścia drugiej bramki NAND są ze sobą powiązane, gdy wejście jest w stanie HIGH, wyjście będzie w stanie LOW, a gdy wejście jest w stanie LOW, wyjście będzie w stanie HIGH.

Gdy wyjście jest WYSOKIE z drugiej bramki NAND, tranzystor Q1 jest włączony, a to włącza zieloną diodę LED trójprzewodowej czerwonej/zielonej diody LED. Q2 jest również włączony, ale służy to tylko wyłączeniu Q4. Gdy wyjście jest LOW, Q2 jest wyłączane, co powoduje włączenie Q4 (a także Q1 jest wyłączone). To wyłącza zieloną diodę, włącza czerwoną diodę, a także włącza diody LED w tunelu.

Krok 2: Obrazy świetlne w tunelu

Pierwsze zdjęcie powyżej przedstawia pociąg wjeżdżający do tunelu z włączoną diodą LED nad głową.

Drugi obraz przedstawia LDR osadzony w torze i podsypce. Kiedy silnik i samochody poruszają się po LDR, rzucają wystarczająco dużo cienia, aby włączyć diody LED w tunelu. Na każdym końcu tunelu znajduje się dioda LED.

Krok 3: Dzielnik napięcia bramki NAND

LDR indywidualnie tworzą obwód dzielnika napięcia dla każdego z wejść do bramek NAND. Wartości rezystancji LDR rosną wraz ze spadkiem ilości światła.

Bramki NAND logicznie określają, że napięcia wejściowe 1/2 lub większe w porównaniu z napięciem źródła są uważane za wartość WYSOKI, a napięcia wejściowe mniejsze niż 1/2 napięcia źródła są uważane za sygnał NISKI.

Na schemacie przekaźniki LDR są podłączone do napięcia wejściowego, a napięcie sygnału jest traktowane jako napięcie po przekaźniku LDR. Dzielnik napięcia składa się wtedy z rezystora 10k oraz zmiennego potencjometru 20k. Potencjometr służy do kontroli wartości sygnału wejściowego. Przy zmieniających się warunkach oświetleniowych LDR może mieć normalną wartość 2k - 5k omów lub, jeśli w ciemniejszym miejscu układu może to być 10k - 15k. Dodanie potencjometru pomaga kontrolować domyślne warunki oświetlenia.

Domyślny stan (brak pociągu lub zbliżania się do tunelu) ma niskie wartości rezystancji dla LDR (zwykle 2k - 5k omów), co oznacza, że wejścia do bramek NAND są uważane za WYSOKIE. Spadek napięcia po LDR (zakładając 5V wejście i 5k na LDR i połączone 15k dla rezystora i potencjometru) wyniesie 1,25V, pozostawiając 3,75V jako wejście do bramki NAND. Gdy rezystancja LDR wzrasta, ponieważ jest zakryta lub zacieniona, WEJŚCIE bramki NAND obniża się.

Kiedy pociąg przejeżdża przez LDR w torze, rezystancja LDR wzrośnie do 20k lub więcej (w zależności od warunków oświetleniowych), a napięcie wyjściowe (lub wejście do bramki NAND) spadnie do około 2,14 V, czyli mniej niż 1/2 napięcia źródłowego, które w związku z tym zmienia sygnał wejściowy z sygnału HIGH na sygnał LOW.

Krok 4: Materiały eksploatacyjne

Kondensator 1 - 1 uf

1 - 4148 dioda sygnalizacyjna

Złącza 5 - 2p

Złącza 2 - 3p

1 - IRF9540N P-ch mosfet (lub SOT-23 IRLML6402)

3 - 2n3904 tranzystory

2 - GL5516 LDR (lub podobny)

Rezystory 2 - 100 omów

Rezystory 2 - 150 omów

Rezystor 1 - 220 omów

Rezystory 2 - 1k

Rezystory 2 - 10k

2 - 20k zmiennych potencjometrów

Rezystor 1 - 50k

Rezystor 1 - 1 - 10m

1 - CD4023 IC (podwójne potrójne wejściowe bramki NAND)

1-14 pinowe gniazdo

1 - wykrywacz omijania przeszkód (tak jak ten)

Na mojej płytce drukowanej użyłem mosfeta IRLM6402 P-ch na małej płytce SOT-23. Odkryłem, że mosfety SOT-23 p-ch są tańsze niż T0-92. Każdy z nich będzie działał na płytce drukowanej, ponieważ pinouty są takie same.

To wszystko jest wciąż w toku i myślę, że niektóre wartości rezystorów lub pewne ulepszenia można jeszcze wprowadzić!

Krok 5: Płytka PCB

Moje pierwsze działające wersje płytki drukowanej zostały wykonane na płytce stykowej. Kiedy okazało się, że koncepcja zadziałała, ręcznie lutowałem cały obwód, co może być bardzo czasochłonne i generalnie zawsze coś źle okablowałem. Moja obecnie działająca płytka drukowana, która jest teraz w wersji 3 i zawiera potrójne bramki NAND (wcześniejsze wersje wykorzystywały podwójne wejścia bramek NAND CD4011), i jak pokazano na filmie, jest płytką drukowaną z plikami wyjściowymi generowanymi przez Kicad, który jest moim oprogramowanie do modelowania obwodów.

Korzystałem z tej strony do zamawiania płytek PCB:

Tutaj w Kanadzie koszt 5 desek to mniej niż 3 dolary. Wysyłka wydaje się być najdroższym elementem. Zazwyczaj zamawiam 4 lub 5 różnych płytek drukowanych. (Druga i więcej płytek drukowanych jest około dwukrotnie wyższa od pierwszych 5). Typowy koszt wysyłki (pocztą do Kanady z różnych powodów) wynosi około 20 USD. Posiadanie gotowej płytki drukowanej, więc wystarczy wlutować elementy, to świetna oszczędność czasu!

Oto link do plików Gerber, które można przesłać do jlcpcb lub dowolnego innego producenta prototypów PCB.