Автоматические туннельные огни для модели железной дороги: 5 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Это моя любимая печатная плата. В моем макете железной дороги (все еще в разработке) есть несколько туннелей, и хотя я, вероятно, не являюсь прототипом, я хотел, чтобы туннельные огни включались при приближении поезда к туннелю. Первым моим порывом было купить электронный комплект с деталями и светодиодами, что я и сделал. Оказалось, что это комплект Arduino, но я понятия не имел, что такое Arduino. Я узнал. И это привело к приключениям в изучении электроники. По крайней мере, хватит делать туннельные фонари! И без Ардуино.

Это по крайней мере моя третья версия печатной платы туннельных огней. Базовый дизайн я обнаружил в одном из проектов книги Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. Это отличная обучающая книга! Я также обнаружил использование микросхем интегральных схем, в частности, четырехвходных вентилей NAND CD4011.

Шаг 1: принципиальная схема

В цепи туннельных огней имеется три сигнальных входа. Два входа LDR (резисторы, зависящие от света), а один - дополнительная печатная плата детектора препятствий. Входные сигналы этих устройств логически оцениваются входами логического элемента И-НЕ CD4023 (вентиль И-НЕ с тройным входом).

Имеется один зеленый / красный светодиод общего анода (который будет использоваться на панели дисплея, показывая, что поезд занимает определенный туннель или приближается к туннелю). Зеленый цвет будет указывать на свободный туннель, а красный - на занятый туннель. Когда горит красный светодиод, горят и туннельные огни.

Когда любой из трех входов обнаруживает состояние сигнала, выход логического элемента И-НЕ будет ВЫСОКИМ. Единственным условием, когда на выходе первого логического элемента И-НЕ является НИЗКИЙ, является единственное условие, когда все входы имеют ВЫСОКИЙ уровень (все детекторы в состоянии по умолчанию).

Схема включает в себя МОП-транзистор P-CH, который используется для защиты схемы от неправильного подключения питания и заземления. Это легко может произойти при подключении монтажной платы под макетным столом. В предыдущих версиях платы я использовал диод в цепи для защиты цепи от переключения заземляющих и силовых проводов, но диод потреблял 0,7 В из имеющихся 5 В. МОП-транзистор не сбрасывает напряжение и по-прежнему защищает цепь, если вы неправильно подключили провода.

Выход HIGH первого затвора И-НЕ проходит через диод к следующему затвору И-НЕ, а также подключается к цепи временной задержки резистора / конденсатора. Эта схема поддерживает ВЫСОКИЙ вход второго логического элемента И-НЕ в течение 4 или 5 секунд в зависимости от номинала резистора и конденсатора. Эта задержка предотвращает мигание и выключение света туннеля, когда LDR подвергается воздействию света между проезжающими автомобилями, и также кажется разумным периодом времени, поскольку задержка даст последнему автомобилю время для въезда в туннель или выхода из туннеля.

Внутри туннеля датчик препятствий будет поддерживать цепь в активном состоянии, так как он также отслеживает проезжающие машины. Эти цепи детекторов можно настроить так, чтобы они обнаруживали автомобили всего в нескольких дюймах от них, а также не срабатывали от противоположной стены туннеля.

Если вы решите не подключать детектор препятствий внутри туннеля (короткий туннель или сложный), просто подключите VCC к выходу на 3-контактном терминале детектора препятствий, и это будет поддерживать ВЫСОКИЙ сигнал на этом входе затвора NAND.

Два логических элемента NAND используются, чтобы обеспечить место для RC-цепи. Конденсатор включается, когда первый логический элемент И-НЕ находится в состоянии ВЫСОКИЙ. Этот сигнал является входом для второго логического элемента И-НЕ. Когда первый логический элемент И-НЕ становится НИЗКИМ (все в порядке), конденсатор сохраняет сигнал второго логического элемента И-НЕ на ВЫСОКОМ уровне, пока он медленно разряжается через резистор 1 10 м. Диод предотвращает разряд конденсатора в качестве стока через выход первого логического элемента И-НЕ.

Поскольку все три входа второго логического элемента И-НЕ связаны вместе, когда вход ВЫСОКИЙ, выход будет НИЗКИЙ, а когда вход НИЗКИЙ, выход будет ВЫСОКИЙ.

Когда выходной сигнал HIGH от второго логического элемента И-НЕ, транзистор Q1 включается, и при этом загорается зеленый светодиод трехпроводного красного / зеленого светодиода. Q2 также включен, но это просто служит для того, чтобы выключить Q4. Когда выход LOW, Q2 отключается, что приводит к включению Q4 (а также Q1 выключается). При этом гаснет зеленый светодиод, включается красный светодиод, а также включаются светодиоды туннельного света.

Шаг 2: изображения с туннельным освещением

На первом изображении выше показан поезд, входящий в туннель с включенным светодиодным индикатором.

На втором изображении показан LDR, встроенный в гусеницу и балласт. Когда двигатель и автомобили движутся над LDR, они отбрасывают достаточно тени, чтобы загорелись светодиоды туннеля. На каждом конце туннеля есть светодиоды.

Шаг 3: Делитель напряжения затвора NAND

LDR индивидуально создают схему делителя напряжения для каждого из входов логических элементов И-НЕ. Значения сопротивления LDR увеличиваются по мере уменьшения количества света.

Логические элементы И-НЕ определяют, что входные напряжения 1/2 или больше по сравнению с напряжением источника считаются ВЫСОКИМ значением, а входные напряжения менее 1/2 напряжения источника считаются НИЗКИМ сигналом.

На схеме LDR подключены к входному напряжению, а напряжение сигнала принимается как напряжение после LDR. Делитель напряжения состоит из резистора 10 кОм и переменного потенциометра 20 кОм. Потенциометр используется для контроля значения входного сигнала. При различных условиях освещения нормальное значение LDR может составлять 2–5 кОм, а в более темном месте расположения - 10–15 кОм. Добавление потенциометра помогает контролировать состояние освещения по умолчанию.

Условие по умолчанию (отсутствие поезда в туннеле или приближение к нему) имеет низкие значения сопротивления для LDR (обычно 2–5 кОм), что означает, что входы на вентили NAND считаются ВЫСОКИМИ. Падение напряжения после LDR (при условии, что на входе 5 В и 5 кОм на LDR и вместе 15 кОм для резистора и потенциометра) будет 1,25 В, оставив 3,75 В в качестве входа для затвора NAND. Когда сопротивление LDR увеличивается из-за того, что он закрыт или затенен, INPUT логического элемента NAND становится низким.

Когда поезд проезжает через LDR на рельсах, сопротивление LDR возрастает до 20 кОм или более (в зависимости от условий освещения), а выходное напряжение (или входное для логического элемента NAND) упадет примерно до 2,14 В, что меньше, чем Напряжение источника 1/2, которое, таким образом, изменяет входной сигнал с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ.

Шаг 4: Принадлежности

1 - конденсатор 1 мкФ

1-4148 сигнальный диод

5 - 2p разъемы

2 - 3-полюсные разъемы

1 - МОП-транзистор IRF9540N P-ch (или SOT-23 IRLML6402)

3 - транзисторы 2n3904

2 - GL5516 LDR (или аналогичный)

2 - резисторы 100 Ом

2 - резисторы 150 Ом

1 - резистор 220 Ом

2 - резисторы 1 кОм

2 - резисторы 10 кОм

2 - 20k переменные потенциометры

1 - резистор 50 кОм

1-1-10 м резистор

1 - ИС CD4023 (двойные тройные входы NAND)

1-14-контактное гнездо

1 - детектор обхода препятствий (вот так)

На моей печатной плате я использовал МОП-транзистор IRLM6402 P-ch на маленькой плате SOT-23. Я обнаружил, что МОП-транзисторы SOT-23 p-ch дешевле, чем форм-фактор T0-92. Любой из них будет работать на печатной плате, так как распиновка одинакова.

Работа над этим все еще продолжается, и я думаю, что некоторые значения резисторов или некоторые улучшения еще можно сделать!

Шаг 5: печатная плата

Мои первые рабочие варианты печатной платы были сделаны на макетной плате. Когда было доказано, что эта концепция работает, я вручную спаял всю схему, что может занять очень много времени, и, как правило, я всегда что-то неправильно проводил. Моя текущая рабочая печатная плата, которая теперь является версией 3 и включает тройные вентили NAND (в более ранних версиях использовались входы двойных вентилей NAND CD4011), и, как показано на видео, это печатная плата с выходными файлами, сгенерированными Kicad, которая является моей программное обеспечение для схемотехнического моделирования.

Я использовал этот сайт для заказа печатных плат:

У нас в Канаде стоимость 5 досок меньше 3 долларов. Доставка, как правило, является самым дорогим компонентом. Обычно я заказываю 4 или 5 разных плат. (Стоимость второй и более плат примерно вдвое выше, чем у первых 5). Обычная стоимость доставки (по почте в Канаду по разным причинам) составляет около 20 долларов. Предварительно собранная печатная плата, так что мне просто нужно припаять компоненты, - отличная экономия времени!

Вот ссылка на файлы Gerber, которые вы можете загрузить в jlcpcb или любого другого производителя прототипов печатных плат.