Modelspoor automatische tunnelverlichting - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Dit is mijn favoriete printplaat. Mijn modelspoorbaan (nog in uitvoering) heeft een aantal tunnels en hoewel waarschijnlijk niet prototypisch, wilde ik tunnelverlichting hebben die aanging als de trein de tunnel naderde. Mijn eerste impuls was om een elektronische kit met onderdelen en leds te kopen, wat ik deed. Het bleek een Arduino-kit te zijn, maar ik had geen idee wat een Arduino was. Ik kwam erachter. En dat leidde tot een avontuur om wat elektronica te leren. In ieder geval genoeg om tunnelverlichting te doen! En zonder Arduino.

Dit is in ieder geval mijn derde versie van de printplaat met tunnelverlichting. Het basisontwerp ontdekte ik in een van de projecten van het boek Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. Dit is een geweldig leerboek! Ik ontdekte ook het gebruik van geïntegreerde circuitchips, met name de CD4011 quad input NAND-poorten.

Stap 1: Het schakelschema

Er zijn drie signaalingangen naar het tunnelverlichtingscircuit. Twee zijn LDR-ingangen (lichtafhankelijke weerstanden) en één is een optionele printplaat voor obstakeldetectie. De ingangssignalen van deze apparaten worden logisch beoordeeld door NAND-poortingangen van de CD4023 (drievoudige ingang NAND-poorten).

Er is één groen/rode gemeenschappelijke anode-LED (die op het displaypaneel wordt gebruikt om aan te geven dat een trein een specifieke tunnel bezet of de tunnel nadert). De groene geeft een vrije tunnel aan en de rode geeft een bezette tunnel aan. Als de rode led brandt, branden ook de tunnelverlichting.

Wanneer een van de drie ingangen een signaalconditie detecteert, is de NAND-poortuitgang HOOG. De enige voorwaarde wanneer de eerste NAND-poortuitgang LAAG is, is de enkele voorwaarde wanneer alle ingangen HOOG zijn (alle detectoren in standaardconditie).

Het circuit bevat een P-CH mosfet die wordt gebruikt om het circuit te beschermen tegen verkeerd bekabelde voeding en aarde. Dit kan gemakkelijk gebeuren bij het bedraden van de printplaat onder de lay-outtafel. In eerdere versies van het bord gebruikte ik een diode in het circuit om het circuit te beschermen tegen het verwisselen van de grond- en voedingsdraden, maar de diode verbruikte 0,7 volt van de 5 volt die beschikbaar is. De mosfet laat geen spanning vallen en beschermt toch het circuit als je de draden verkeerd hebt.

De HIGH-uitgang van de eerste NAND-poort gaat door een diode naar de volgende NAND-poort en is ook verbonden met een weerstand/condensator tijdvertragingscircuit. Dit circuit handhaaft de HOGE ingang naar de tweede NAND-poort gedurende 4 of 5 seconden, afhankelijk van de waarde van de weerstand en de condensator. Deze vertraging voorkomt dat de tunnellichten aan en uit gaan wanneer de LDR wordt blootgesteld aan licht tussen passerende auto's en lijkt ook een redelijke hoeveelheid tijd, aangezien de vertraging de laatste auto de tijd geeft om de tunnel in of uit te gaan.

In de tunnel houdt de obstakeldetector het circuit geactiveerd, omdat het ook het passeren van de auto's bewaakt. Deze detectorcircuits kunnen worden aangepast om auto's op slechts enkele centimeters afstand te detecteren en ook niet worden geactiveerd door de tegenoverliggende muur van de tunnel.

Als u ervoor kiest om de obstakeldetector niet in de tunnel aan te sluiten (korte tunnel of moeilijk), sluit u gewoon de VCC aan op de uitgang op de 3-pins obstakeldetectoraansluiting en dit zorgt voor een HOOG signaal op die NAND-poortingang.

Er worden twee NAND-poorten gebruikt om een plaats voor het RC-circuit mogelijk te maken. De condensator wordt ingeschakeld wanneer de eerste NAND-poort HOOG is. Dit signaal is de invoer naar de tweede NAND-poort. Wanneer de eerste NAND-poort LAAG wordt (allemaal vrij), houdt de condensator het signaal naar de tweede NAND-poort HOOG terwijl het langzaam ontlaadt via de weerstand van 1 10m. De diode voorkomt dat de condensator ontlaadt als een gootsteen via de uitgang van NAND-poort één.

Aangezien alle drie de ingangen van de tweede NIET-EN-poort met elkaar verbonden zijn, zal de output LAAG zijn wanneer de input HOOG is en wanneer de input LAAG is, de output HOOG.

Wanneer de output HOOG is van de tweede NAND-poort, wordt de Q1-transistor ingeschakeld en deze schakelt de groene led van de driedraads rood/groene led in. Q2 is ook ingeschakeld, maar dit dient alleen om Q4 uit te houden. Wanneer de uitgang LAAG is, wordt Q2 uitgeschakeld, waardoor Q4 wordt ingeschakeld (en ook Q1 wordt uitgeschakeld). Hierdoor gaat de groene led uit, gaat de rode led aan en gaan ook de leds van de tunnelverlichting aan.

Stap 2: Tunnellichtbeelden

De eerste afbeelding hierboven toont een trein die de tunnel binnenrijdt met de LED boven het hoofd aan.

De tweede afbeelding toont een LDR ingebed in het spoor en de ballast. Wanneer de motor en auto's over de LDR rijden, werpen ze voldoende schaduw om de tunnel-LED's te activeren. Er is een LED aan elk uiteinde van de tunnel.

Stap 3: NAND-poortspanningsdeler

De LDR's creëren afzonderlijk een spanningsdelercircuit voor elk van de ingangen naar de NAND-poorten. Weerstandswaarden van de LDR's nemen toe naarmate de hoeveelheid licht afneemt.

De NAND-poorten bepalen logischerwijs dat ingangsspanningen van 1/2 of hoger in vergelijking met de bronspanning als een HOGE waarde worden beschouwd en ingangsspanningen van minder dan 1/2 van de bronspanning als een LAAG signaal worden beschouwd.

In het schema zijn de LDR's aangesloten op de ingangsspanning en wordt de signaalspanning genomen als de spanning na de LDR. De spanningsdeler bestaat dan uit een 10k-weerstand en ook een variabele 20k-potentiometer. De potentiometer wordt gebruikt om de waarde van het ingangssignaal te regelen. Bij wisselende lichtomstandigheden kan de LDR een normale waarde hebben van 2k - 5k ohm of, als hij zich op een donkere locatie van de lay-out bevindt, 10k - 15k. Het toevoegen van de potentiometer helpt om de standaard lichtconditie te regelen.

De standaardconditie (geen trein in of nadert een tunnel) heeft lage weerstandswaarden voor de LDR's (meestal 2k - 5k ohm), wat betekent dat de ingangen naar de NAND-poorten als HOOG worden beschouwd. De spanningsval na de LDR (uitgaande van 5v input en 5k op de LDR en een gecombineerde 15k voor de weerstand en potentiometer) zal 1,25v zijn en 3,75v achterlaten als input voor de NAND-poort. Wanneer de weerstand van een LDR wordt verhoogd omdat deze bedekt of gearceerd is, wordt de INPUT van de NAND-poort laag.

Wanneer de trein over de LDR in het spoor rijdt, zal de weerstand van de LDR toenemen tot 20k of meer (afhankelijk van de lichtomstandigheden) en zal de uitgangsspanning (of input naar de NAND-poort) dalen tot ongeveer 2,14v, wat minder is dan 1/2 bronspanning waardoor de ingang verandert van een HOOG signaal naar een LAAG signaal.

Stap 4: Benodigdheden

1 - 1uf condensator

1 - 4148 signaaldiode

5 - 2p-connectoren

2 - 3p-connectoren

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

3 - 2n3904 transistoren

2 - GL5516 LDR (of vergelijkbaar)

2 - 100 ohm weerstanden

2 - 150 ohm weerstanden

1 - 220 ohm weerstand

2 - 1k weerstanden

2 - 10k weerstanden

2 - 20k variabele potentiometers

1 - 50k weerstand

1 - 1 - 10m weerstand

1 - CD4023 IC (dubbele drievoudige ingang NAND-poorten)

1 - 14 polige stekker

1 - obstakelontwijkingsdetector (zoals deze)

Op mijn printplaat heb ik een IRLM6402 P-ch mosfet gebruikt op een klein SOT-23 bord. Ik heb gemerkt dat de SOT-23 p-ch mosfets goedkoper zijn dan de T0-92-vormfactor. Een van beide werkt op de printplaat, omdat de pinouts hetzelfde zijn.

Dit is allemaal nog een werk in uitvoering en ik denk dat er nog wat weerstandswaarden of verbeteringen kunnen worden aangebracht!

Stap 5: De printplaat

Mijn eerste werkende versies van de printplaat werden gedaan op een breadboard. Toen bleek dat het concept werkte, heb ik het hele circuit met de hand gesoldeerd, wat erg tijdrovend kan zijn en over het algemeen heb ik altijd iets verkeerd aangesloten. Mijn huidige werkende printplaat, die nu versie 3 is en de drievoudige NAND-poorten bevat (eerdere versies gebruikten de CD4011 dubbele NAND-poortingangen), en zoals te zien is in de video, is een printplaat met uitvoerbestanden gegenereerd door Kicad, mijn software voor circuitmodellering.

Ik heb deze site gebruikt voor het bestellen van de PCB's:

Hier in Canada zijn de kosten voor 5 boards minder dan $3. Verzending is meestal het duurste onderdeel. Ik bestel meestal 4 of 5 verschillende printplaten. (De tweede en meer printplaten zijn ongeveer het dubbele van de prijs van de eerste 5). Typische verzendkosten (om verschillende redenen per post naar Canada) zijn ongeveer $ 20. Het is een geweldige tijdsbesparing als de printplaat vooraf is gebouwd, zodat ik alleen de componenten hoef in te solderen!

Hier is een link naar de Gerber-bestanden die u kunt uploaden naar jlcpcb of een van de andere fabrikanten van PCB-prototypes.