Automatische Tunnelbeleuchtung der Modelleisenbahn - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Das ist meine Lieblingsplatine. Meine Modellbahnanlage (noch in Arbeit) hat eine Reihe von Tunneln und obwohl sie wahrscheinlich nicht vorbildgerecht ist, wollte ich Tunnellichter haben, die sich einschalten, wenn sich der Zug dem Tunnel nähert. Mein erster Impuls war, einen elektronischen Bausatz mit Teilen und LEDs zu kaufen, was ich auch tat. Es stellte sich heraus, dass es ein Arduino-Kit war, aber ich hatte keine Ahnung, was ein Arduino war. Ich habe es herausgefunden. Und das führte zu einem Abenteuer, etwas Elektronik zu lernen. Zumindest genug, um Tunnellichter zu machen! Und ohne Arduino.

Dies ist mindestens meine dritte Version der Tunnellichter-Platine. Das Grunddesign habe ich in einem der Projekte des Buches Electronic Circuits for the Evil Genius 2E entdeckt. Dies ist ein großartiges Lernbuch! Ich habe auch die Verwendung von integrierten Schaltungschips entdeckt, insbesondere die CD4011 Quad-Input-NAND-Gatter.

Schritt 1: Der Schaltplan

Es gibt drei Signaleingänge für die Tunnelbeleuchtungsschaltung. Zwei sind LDR-Eingänge (lichtabhängige Widerstände) und einer ist eine optionale Hindernisdetektor-Platine. Die Eingangssignale dieser Geräte werden durch NAND-Gatter-Eingänge des CD4023 (Triple Input NAND Gates) logisch ausgewertet.

Es gibt eine grün/rote gemeinsame Anoden-LED (die auf dem Anzeigefeld verwendet wird, um anzuzeigen, dass ein Zug einen bestimmten Tunnel belegt oder sich dem Tunnel nähert). Das Grün zeigt einen freien Tunnel an und das Rot zeigt einen besetzten Tunnel an. Wenn die rote LED leuchtet, leuchten auch die Tunnellichter.

Wenn einer der drei Eingänge einen Signalzustand erkennt, ist der Ausgang des NAND-Gatters HIGH. Die einzige Bedingung, wenn der erste NAND-Gatter-Ausgang LOW ist, ist die einzige Bedingung, wenn alle Eingänge HIGH sind (alle Detektoren im Standardzustand).

Die Schaltung enthält einen P-CH-Mosfet, der verwendet wird, um die Schaltung vor falsch verdrahteten Strom und Masse zu schützen. Dies kann leicht passieren, wenn die Platine unter dem Layouttisch verdrahtet wird. In früheren Versionen der Platine habe ich eine Diode in der Schaltung verwendet, um die Schaltung vor dem Schalten der Masse- und Stromkabel zu schützen, aber die Diode verbrauchte 0,7 Volt der verfügbaren 5 Volt. Der Mosfet lässt keine Spannung fallen und schützt trotzdem den Stromkreis, wenn Sie die Drähte falsch machen.

Der HIGH-Ausgang des ersten NAND-Gatters geht durch eine Diode zum nächsten NAND-Gatter und ist auch mit einer Widerstands-/Kondensator-Zeitverzögerungsschaltung verbunden. Diese Schaltung hält den HIGH-Eingang zum zweiten NAND-Gatter 4 oder 5 Sekunden lang, abhängig vom Wert des Widerstands und des Kondensators. Diese Verzögerung verhindert, dass die Tunnellichter ein- und ausgeschaltet werden, wenn der LDR dem Licht zwischen vorbeifahrenden Autos ausgesetzt ist, und scheint auch eine angemessene Zeitdauer zu sein, da die Verzögerung dem letzten Auto Zeit gibt, in den Tunnel einzufahren oder den Tunnel zu verlassen.

Innerhalb des Tunnels hält der Hindernisdetektor die Schaltung aktiviert, da er auch das Vorbeifahren der Autos überwacht. Diese Detektorschaltungen können so eingestellt werden, dass sie Autos nur wenige Zentimeter entfernt erkennen und auch nicht von der gegenüberliegenden Tunnelwand ausgelöst werden.

Wenn Sie den Hindernisdetektor nicht im Tunnel anschließen (kurzer Tunnel oder schwierig), verbinden Sie einfach den VCC mit dem Ausgang am 3-poligen Hindernisdetektoranschluss und dies hält ein HIGH-Signal an diesem NAND-Gate-Eingang.

Zwei NAND-Gatter werden verwendet, um einen Platz für die Implementierung der RC-Schaltung zu ermöglichen. Der Kondensator wird eingeschaltet, wenn das erste NAND-Gatter HIGH ist. Dieses Signal ist der Eingang zum zweiten NAND-Gatter. Wenn das erste NAND-Gatter auf LOW geht (alles klar), hält der Kondensator das Signal zum zweiten NAND-Gatter auf HIGH, während es sich langsam über den 110 m Widerstand entlädt. Die Diode verhindert, dass sich der Kondensator als Senke über den Ausgang von NAND-Gatter eins entlädt.

Da alle drei Eingänge des zweiten NAND-Gatters miteinander verbunden sind, ist der Ausgang LOW, wenn der Eingang HIGH ist, und wenn der Eingang LOW ist, ist der Ausgang HIGH.

Wenn der Ausgang des zweiten NAND-Gatters HIGH ist, wird der Q1-Transistor eingeschaltet und dies schaltet die grüne LED der dreiadrigen rot/grünen LED ein. Q2 ist ebenfalls eingeschaltet, aber dies dient nur dazu, Q4 ausgeschaltet zu halten. Wenn der Ausgang LOW ist, wird Q2 ausgeschaltet, wodurch Q4 eingeschaltet wird (und auch Q1 ausgeschaltet wird). Dies schaltet die grüne LED aus, schaltet die rote LED ein und schaltet auch die Tunnellicht-LEDs ein.

Schritt 2: Tunnellichtbilder

Das erste Bild oben zeigt einen Zug, der mit eingeschalteter Decken-LED in den Tunnel einfährt.

Das zweite Bild zeigt einen in Gleis und Schotter eingebetteten LDR. Wenn der Motor und die Autos über den LDR fahren, werfen sie genug Schatten, um die Tunnel-LEDs zum Leuchten zu bringen. An jedem Ende des Tunnels befindet sich eine LED.

Schritt 3: NAND-Gate-Spannungsteiler

Die LDRs erzeugen individuell eine Spannungsteilerschaltung für jeden der Eingänge zu den NAND-Gattern. Die Widerstandswerte der LDRs steigen mit abnehmender Lichtmenge.

Die NAND-Gatter bestimmen logisch, dass Eingangsspannungen von 1/2 oder größer im Vergleich zur Quellenspannung als HIGH-Wert betrachtet werden und Eingangsspannungen kleiner als 1/2 der Quellenspannung als LOW-Signal betrachtet werden.

Im Schaltplan sind die LDRs mit der Eingangsspannung verbunden und die Signalspannung wird als Spannung nach dem LDR genommen. Der Spannungsteiler besteht dann aus einem 10k-Widerstand und auch einem variablen 20k-Potentiometer. Das Potentiometer wird verwendet, um die Steuerung des Eingangssignalwerts zu ermöglichen. Bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen kann der LDR einen normalen Wert von 2k - 5k Ohm haben oder an einer dunkleren Stelle des Layouts 10k - 15k. Das Hinzufügen des Potentiometers hilft, den Standardlichtzustand zu steuern.

Die Standardbedingung (kein Zug in oder nähert sich einem Tunnel) hat niedrige Widerstandswerte für die LDRs (im Allgemeinen 2k - 5k Ohm), was bedeutet, dass die Eingänge zu den NAND-Gattern als HIGH betrachtet werden. Der Spannungsabfall nach dem LDR (unter der Annahme von 5 V Eingang und 5 k am LDR und kombinierten 15 k für den Widerstand und das Potentiometer) beträgt 1,25 V, wobei 3,75 V als Eingang zum NAND-Gatter übrig bleiben. Wenn der Widerstand eines LDR erhöht wird, weil er bedeckt oder abgeschattet ist, wird der INPUT des NAND-Gatters niedrig.

Wenn der Zug den LDR im Gleis überfährt, erhöht sich der Widerstand des LDR auf 20k oder mehr (je nach Lichtverhältnissen) und die Ausgangsspannung (oder der Eingang zum NAND-Gatter) sinkt auf etwa 2,14 V, was weniger als. ist 1/2 Quellenspannung, wodurch der Eingang von einem HIGH-Signal auf ein LOW-Signal geändert wird.

Schritt 4: Zubehör

1 - 1uf Kondensator

1 - 4148 Signaldiode

5 - 2p-Anschlüsse

2 - 3p-Anschlüsse

1 - IRF9540N P-ch-Mosfet (oder SOT-23 IRLML6402)

3 - 2n3904 Transistoren

2 - GL5516 LDR (oder ähnlich)

2 - 100 Ohm Widerstände

2 - 150 Ohm Widerstände

1 - 220 Ohm Widerstand

2 - 1k Widerstände

2 - 10k Widerstände

2 - 20k variable Potentiometer

1 - 50k Widerstand

1 - 1 - 10m Widerstand

1 - CD4023 IC (Dual-Triple-Input-NAND-Gates)

1 - 14-polige Buchse

1 - Hindernisvermeidungsdetektor (wie dieser)

Auf meiner Platine habe ich einen IRLM6402 P-ch-Mosfet auf einer kleinen SOT-23-Platine verwendet. Ich habe festgestellt, dass die SOT-23 p-ch-Mosfets billiger sind als der Formfaktor T0-92. Beide funktionieren in der Platine, da die Pinbelegungen gleich sind.

Dies ist alles noch in Arbeit und ich denke, einige Widerstandswerte oder einige Verbesserungen können noch vorgenommen werden!

Schritt 5: Die Platine

Meine ersten Arbeitsversionen der Platine wurden auf einem Steckbrett gemacht. Als sich das Konzept bewährt hatte, habe ich dann die gesamte Schaltung von Hand gelötet, was sehr zeitaufwändig sein kann und im Allgemeinen immer etwas falsch verdrahtet habe. Meine aktuelle Arbeitsplatine, die jetzt Version 3 ist und die dreifachen NAND-Gatter enthält (frühere Versionen verwendeten die CD4011-Dual-NAND-Gatter-Eingänge) und wie im Video gezeigt, ist eine Leiterplatte mit Ausgabedateien, die von Kicad generiert wurden, das mein ist Schaltungsmodellierungssoftware.

Ich habe diese Seite zum Bestellen der Leiterplatten verwendet:

Hier in Kanada betragen die Kosten für 5 Boards weniger als 3 US-Dollar. Der Versand ist in der Regel die teuerste Komponente. Normalerweise bestelle ich 4 oder 5 verschiedene Platinen. (Die zweite und weitere Platinen kosten etwa das Doppelte der ersten 5). Die typischen Versandkosten (aus verschiedenen Gründen per Post nach Kanada) betragen etwa 20 US-Dollar. Die Platine vorgefertigt zu haben, damit ich nur die Komponenten einlöten muss, ist eine große Zeitersparnis!

Hier ist ein Link zu den Gerber-Dateien, die Sie auf jlcpcb oder einen der anderen Hersteller von PCB-Prototypen hochladen können.