Llums de túnel automàtic Model Railroad: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Aquesta és la meva placa de circuit preferida. El disseny del meu model de ferrocarril (encara en curs) té diversos túnels i, tot i que probablement no fos prototípic, volia tenir llums de túnels que s’encenguessin quan el tren s’acostava al túnel. El meu primer impuls va ser comprar un kit electrònic amb peces i leds, cosa que vaig fer. Va resultar ser un kit Arduino, però no tenia ni idea de què era un Arduino. Ho vaig saber. I això va conduir a una aventura d’aprendre una mica d’electrònica. Almenys prou per fer llums de túnel! I sense Arduino.

Aquesta és almenys la meva tercera versió de la placa de circuits de les llums del túnel. El disseny bàsic el vaig descobrir en un dels projectes del llibre Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. Aquest és un gran llibre d'aprenentatge! També vaig descobrir l’ús de xips de circuits integrats, específicament les portes NAND de quatre entrades CD4011.

Pas 1: l’esquema del circuit

Hi ha tres entrades de senyal al circuit de llums del túnel. Dues són entrades LDR (resistències que depenen de la llum) i una és una placa de circuit opcional per a detectors d’obstacles. Els senyals d’entrada d’aquests dispositius s’avaluen lògicament mitjançant les entrades de porta NAND del CD4023 (triple NAND Gates).

Hi ha un LED d’ànode comú verd / vermell (que s’utilitzarà al tauler de visualització que indica que un tren ocupa un túnel específic o s’apropa al túnel). El verd indicarà un túnel clar i el vermell indicarà un túnel ocupat. Quan el led vermell està encès, els llums del túnel també estaran engegats.

Quan alguna de les tres entrades detecta una condició de senyal, la sortida de la porta NAND serà ALTA. L'única condició quan la primera sortida de porta NAND és BAIXA és l'única condició quan totes les entrades són ALTES (tots els detectors en condicions predeterminades).

El circuit inclou un mosfet P-CH que s’utilitza per protegir el circuit de l’alimentació i la terra mal connectades. Això pot passar fàcilment quan es connecta la placa de circuits sota la taula de disseny. En versions anteriors de la placa, feia servir un díode al circuit per protegir el circuit de la connexió de cables de terra i d’alimentació, però el díode consumia 0,7 volts dels 5 volts disponibles. El mosfet no baixa cap tensió i encara protegeix el circuit si s’equivoquen els cables.

La sortida HIGH de la primera porta NAND passa a través d’un díode a la següent porta NAND i també està connectada a un circuit de retard de temps de resistència / condensador. Aquest circuit manté l’entrada HIGH a la segona porta NAND durant 4 o 5 segons en funció del valor de la resistència i del condensador. Aquest retard impedeix que les llums del túnel s’encenguin i s’apaguin quan el LDR estigui exposat a la llum entre els vehicles que passen i també sembla un temps raonable, ja que el retard donarà l’últim temps al cotxe per entrar al túnel o sortir del túnel.

A l'interior del túnel, el detector d'obstacles mantindrà el circuit activat, ja que també controla el pas dels cotxes. Aquests circuits de detecció es poden ajustar per detectar cotxes a pocs centímetres de distància i tampoc no es poden activar per la paret oposada del túnel.

Si decidiu no connectar el detector d’obstacles a l’interior del túnel (túnel curt o difícil), només cal que connecteu el VCC a la sortida del terminal del detector d’obstacles de 3 pins i això mantindrà un senyal ALTA a l’entrada de la porta NAND.

S'utilitzen dues portes NAND per permetre la implementació d'un lloc per al circuit RC. El condensador s’alimenta quan la primera porta NAND és ALTA. Aquest senyal és l'entrada a la segona porta NAND. Quan la primera porta NAND baixa (tot neta), el condensador manté el senyal a la segona porta NAND ALTA mentre es descarrega lentament a través de la resistència de 1 10 m. El díode impedeix que el condensador es descarregui com a pica per la sortida de la porta NAND.

Com que les tres entrades de la segona porta NAND estan lligades entre si, quan l’entrada és ALTA la sortida serà BAIXA i quan l’entrada sigui BAIXA, la sortida serà ALTA.

Quan la sortida és ALTA des de la segona porta NAND, el transistor Q1 s’encén i aquest encén el led verd del led vermell / verd de tres fils. La Q2 també està activada, però només serveix per mantenir la Q4 desactivada. Quan la sortida és BAIXA, Q2 està desactivat, cosa que fa que s'activi Q4 (i també Q1 està desactivat). Això apaga el led verd, encén el led vermell i també encén els leds de llum del túnel.

Pas 2: Imatges de llum túnel

La primera imatge superior mostra un tren que entra al túnel amb el LED de dalt encès.

La segona imatge mostra un LDR incrustat a la pista i el llast. Quan el motor i els cotxes viatgen per sobre del LDR, fan prou ombra perquè els LED del túnel s’encenguin. Hi ha un LED a cada extrem del túnel.

Pas 3: divisor de tensió de la porta NAND

Els LDR creen individualment un circuit divisor de tensió per a cadascuna de les entrades a les portes NAND. Els valors de resistència dels LDR augmenten a mesura que disminueix la quantitat de llum.

Les portes NAND lògicament determinen que les tensions d'entrada de 1/2 o més en comparació amb la tensió de la font es consideren un valor ALT i les tensions d'entrada inferiors a 1/2 de la tensió de la font es consideren un senyal BAIX.

A l'esquema, els LDR es connecten a la tensió d'entrada i la tensió del senyal es pren com a tensió després de la LDR. El divisor de tensió es compon llavors d’una resistència de 10 k i també d’un potenciòmetre variable de 20 k. El potenciòmetre s’utilitza per permetre el control del valor del senyal d’entrada. Amb diferents condicions de llum, el LDR pot tenir un valor normal de 2k a 5k ohms o, si en una ubicació més fosca del disseny, pot ser de 10k a 15k. Afegir el potenciòmetre ajuda a controlar l’estat de llum per defecte.

La condició per defecte (no hi ha tren ni s’acosta a un túnel) té valors de resistència baixos per als LDR (generalment 2k - 5k ohms), cosa que significa que les entrades a les portes NAND es consideren ALTES. La caiguda de tensió després del LDR (suposant una entrada de 5v i 5k al LDR i un combinat de 15k per a la resistència i el potenciòmetre) serà d’1,25v deixant 3,75v com a entrada a la porta NAND. Quan s’augmenta la resistència d’un LDR perquè està cobert o ombrejat, l’ENTRADA de la porta NAND es redueix.

Quan el tren passa per sobre del LDR a la via, la resistència del LDR augmentarà a 20k o més (depenent de les condicions d’il·luminació) i la tensió de sortida (o l’entrada a la porta NAND) caurà a uns 2,14v, que és inferior a Tensió de font 1/2 que, per tant, canvia l’entrada d’un senyal ALTA a un senyal BAIX.

Pas 4: subministraments

Condensador 1 - 1uf

1 - 4148 díode de senyal

Connectors 5 - 2p

Connectors 2 - 3p

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

3 - 2n3904 transistors

2 - GL5516 LDR (o similar)

Resistències de 2 a 100 ohms

Resistències de 2 a 150 ohms

Resistència d'1-220 ohms

2 - 1k resistències

2 - 10k resistències

2 - 20k potenciòmetres variables

Resistència d'1 a 50 k

Resistència 1 - 1 - 10m

1 - CD4023 IC (doble entrada triple NAND Gates)

Presa d'1 - 14 pins

1 - detector d'evitació d'obstacles (així)

A la meva placa de circuit he utilitzat un mosfet P-ch IRLM6402 en una petita placa SOT-23. He trobat que els mosfets SOT-23 p-ch són més econòmics que el factor de forma T0-92. Qualsevol dels dos funcionarà a la placa de circuit, ja que els pinouts són els mateixos.

Tot això encara és un treball en curs i crec que encara es poden fer alguns valors de resistència o algunes millores.

Pas 5: la placa PCB

Les meves primeres versions de funcionament de la placa de circuits es van fer en una placa. Quan es va demostrar que el concepte funcionava, vaig soldar a mà tot el circuit, cosa que pot trigar molt de temps i, en general, sempre vaig connectar alguna cosa malament. La meva placa de circuit de treball actual, que ara és la versió 3 i inclou les portes NAND triples (les versions anteriors utilitzaven les entrades de porta doble CDAND NAND), i tal com es mostra al vídeo, és una placa de circuit imprès amb fitxers de sortida generats per Kicad que és el meu programari de modelatge de circuits.

He utilitzat aquest lloc per demanar els PCB:

Aquí, al Canadà, el cost de cinc taulers és inferior a 3 dòlars. L’enviament sol ser el component més car. Normalment demanaré 4 o 5 circuits diferents. (La segona i més plaques de circuit són aproximadament el doble del preu de les 5 primeres). Els costos d’enviament típics (per correu electrònic a Canadà per diversos motius) són d’uns 20 dòlars. Tenir la placa de circuits prèviament construïda, de manera que només heu de soldar els components, és un estalvi de temps fantàstic.

Aquí teniu un enllaç als fitxers Gerber que podeu penjar a jlcpcb o a qualsevol dels altres fabricants de prototips de PCB.