Luzes do túnel automáticas modelo da ferrovia: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Esta é minha placa de circuito favorita. O layout do meu modelo de ferrovia (ainda em andamento) tem vários túneis e, embora provavelmente não seja um protótipo, eu queria que as luzes do túnel se acendessem quando o trem se aproximasse do túnel. Meu primeiro impulso foi comprar um kit eletrônico com peças e leds, o que fiz. Acabou sendo um kit Arduino, mas eu não tinha ideia do que era um Arduino. Eu descobri. E isso levou a uma aventura de aprender alguns eletrônicos. Pelo menos o suficiente para fazer as luzes do túnel! E sem um Arduino.

Esta é pelo menos minha terceira versão da placa de circuito das luzes do túnel. O desenho básico que descobri em um dos projetos do livro Circuitos Eletrônicos para o Gênio do Mal 2E. Este é um ótimo livro de aprendizagem! Também descobri o uso de chips de circuito integrado, especificamente as portas NAND de entrada quádrupla CD4011.

Etapa 1: o esquema do circuito

Existem três entradas de sinal para o circuito de luzes do túnel. Duas são entradas LDR (resistores dependentes de luz) e uma é uma placa de circuito detector de obstáculos opcional. Os sinais de entrada desses dispositivos são avaliados logicamente pelas entradas de porta NAND do CD4023 (portas NAND de entrada tripla).

Há um LED de ânodo comum verde / vermelho (que será usado no painel de exibição indicando que um trem está ocupando um túnel específico ou se aproximando do túnel). O verde indicará um túnel desobstruído e o vermelho indicará um túnel ocupado. Quando o led vermelho está aceso, as luzes do túnel também acendem.

Quando qualquer uma das três entradas detecta uma condição de sinal, a saída da porta NAND será ALTA. A única condição quando a primeira saída da porta NAND é BAIXA é a única condição quando todas as entradas são ALTAS (todos os detectores na condição padrão).

O circuito inclui um mosfet P-CH que é usado para proteger o circuito de alimentação e aterramento mal conectados. Isso pode acontecer facilmente ao conectar a placa de circuito sob a mesa de layout. Em versões anteriores da placa, usei um diodo no circuito para protegê-lo de comutar os fios de aterramento e de alimentação, mas o diodo consumia 0,7 volts dos 5 volts disponíveis. O mosfet não deixa cair nenhuma voltagem e ainda protege o circuito se você errar os fios.

A saída HIGH da primeira porta NAND passa por um diodo para a próxima porta NAND e também é conectada a um circuito de retardo de tempo de resistor / capacitor. Este circuito mantém a entrada HIGH para a segunda porta NAND por 4 ou 5 segundos, dependendo do valor do resistor e do capacitor. Esse atraso evita que as luzes do túnel acendam e apaguem quando o LDR é exposto à luz entre os carros que passam e também parece um período de tempo razoável, pois o atraso dará ao último carro tempo para entrar ou sair do túnel.

Dentro do túnel, o detector de obstáculos manterá o circuito ativado, pois também monitora a passagem dos carros. Esses circuitos detectores podem ser ajustados para detectar carros a apenas alguns centímetros de distância e também não podem ser acionados pela parede oposta do túnel.

Se você optar por não conectar o detector de obstáculo dentro do túnel (túnel curto ou difícil), basta conectar o VCC à saída no terminal do detector de obstáculo de 3 pinos e isso manterá um sinal ALTO na entrada da porta NAND.

Duas portas NAND são usadas para permitir um lugar para o circuito RC a ser implementado. O capacitor é energizado quando a primeira porta NAND está HIGH. Este sinal é a entrada para a segunda porta NAND. Quando a primeira porta NAND fica BAIXA (totalmente limpa), o capacitor mantém o sinal para a segunda porta NAND ALTA enquanto ele descarrega lentamente através do resistor de 1 10m. O diodo evita que o capacitor descarregue como um dissipador através da saída da porta NAND um.

Uma vez que todas as três entradas da segunda porta NAND estão interligadas, quando a entrada é ALTA, a saída será BAIXA e quando a entrada é BAIXA, a saída será ALTA.

Quando a saída é HIGH do segundo NAND Gate, o transistor Q1 é ligado e isso liga o led verde do led vermelho / verde de três fios. Q2 também está ativado, mas serve apenas para manter o Q4 desativado. Quando a saída é BAIXA, Q2 é desligado, o que faz com que Q4 seja ligado (e também Q1 seja desligado). Isso desliga o led verde, liga o led vermelho e também liga os leds das luzes do túnel.

Etapa 2: Imagens de luz em túnel

A primeira imagem acima mostra um trem entrando no túnel com o LED suspenso ligado.

A segunda imagem mostra um LDR embutido na pista e no reator. Quando o motor e os carros viajam sobre o LDR, eles lançam sombra suficiente para acionar os LEDs do túnel. Existe um LED em cada extremidade do túnel.

Etapa 3: Divisor de tensão de porta NAND

Os LDRs criam individualmente um circuito divisor de tensão para cada uma das entradas para as portas NAND. Os valores de resistência do LDR aumentam à medida que a quantidade de luz diminui.

As portas NAND determinam logicamente que as tensões de entrada de 1/2 ou mais, quando comparadas à tensão da fonte, são consideradas como um valor ALTO e as tensões de entrada menores que 1/2 da tensão da fonte são consideradas um sinal BAIXO.

No esquema, os LDRs são conectados à tensão de entrada e a tensão do sinal é considerada a tensão após o LDR. O divisor de tensão é então composto por um resistor de 10k e também um potenciômetro variável de 20k. O potenciômetro é usado para permitir o controle do valor do sinal de entrada. Com condições variáveis de iluminação, o LDR pode ter um valor normal de 2k - 5k ohms ou, se estiver em um local mais escuro do layout, pode ser de 10k - 15k. Adicionar o potenciômetro ajuda a controlar a condição de luz padrão.

A condição padrão (sem trem dentro ou se aproximando de um túnel) tem valores de resistência baixos para os LDRs (geralmente 2k - 5k ohms), o que significa que as entradas para as portas NAND são consideradas ALTAS. A queda de tensão após o LDR (assumindo uma entrada de 5v e 5k no LDR e uma combinação de 15k para o resistor e o potenciômetro) será de 1,25v, deixando 3,75v como entrada para a porta NAND. Quando a resistência de um LDR aumenta porque está coberto ou sombreado, a INPUT da porta NAND diminui.

Quando o trem passa sobre o LDR na linha, a resistência do LDR aumentará para 20k ou mais (dependendo das condições de iluminação) e a tensão de saída (ou entrada para a porta NAND) cairá para cerca de 2,14v, que é menor que 1/2 tensão da fonte que, portanto, muda a entrada de um sinal HIGH para um sinal LOW.

Etapa 4: suprimentos

Capacitor 1 - 1uf

1 - 4148 diodo de sinal

5 - conectores 2p

2 - conectores 3p

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

3 - transistores 2n3904

2 - GL5516 LDR (ou similar)

2 - resistores de 100 ohms

2 - resistores de 150 ohms

1 - resistor de 220 ohms

2 - resistores 1k

2 - resistores de 10k

2 - potenciômetros variáveis de 20k

1 - resistor de 50k

1 - 1 - resistor de 10 m

1 - CD4023 IC (portas NAND de entrada dupla e tripla)

1 - soquete de 14 pinos

1 - detector de evasão de obstáculo (como este)

Na minha placa de circuito, usei um IRLM6402 P-ch mosfet em uma pequena placa SOT-23. Eu descobri que os SOT-23 p-ch mosfets são mais baratos do que o fator de forma T0-92. Qualquer um funcionará na placa de circuito porque as pinagens são as mesmas.

Isso tudo ainda é um trabalho em andamento e acho que alguns valores de resistor ou algumas melhorias ainda podem ser feitas!

Etapa 5: A placa PCB

Minhas primeiras versões funcionais da placa de circuito foram feitas em uma placa de ensaio. Quando o conceito funcionou, eu fiz a soldagem manual de todo o circuito, o que pode consumir muito tempo e, geralmente, sempre conectei algo errado. Minha placa de circuito em funcionamento atual, que agora é a versão 3 e inclui as portas NAND triplas (as versões anteriores usavam as entradas de porta dupla NAND CD4011), e como mostrado no vídeo, é uma placa de circuito impresso com arquivos de saída gerados pelo Kicad que é meu software de modelagem de circuitos.

Eu usei este site para fazer pedidos de PCBs:

Aqui no Canadá, o custo de 5 pranchas é inferior a $ 3. O transporte marítimo tende a ser o componente mais caro. Normalmente, encomendarei 4 ou 5 placas de circuito diferentes. (A segunda e mais placas de circuito custam cerca do dobro do preço das primeiras 5). Os custos de envio típicos (por correio para o Canadá por vários motivos) são de cerca de US $ 20. Ter a placa de circuito pré-construída para que eu tenha que soldar os componentes economiza muito tempo!

Aqui está um link para os arquivos Gerber que você pode enviar para jlcpcb ou qualquer outro fabricante de protótipos de PCB.