Luces automáticas de túnel de ferrocarril modelo: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Esta es mi placa de circuito favorita. El diseño de mi modelo de ferrocarril (todavía en progreso) tiene varios túneles y, aunque probablemente no sea un prototipo, quería tener luces de túnel que se encendieran cuando el tren se acercaba al túnel. Mi primer impulso fue comprar un kit electrónico con repuestos y leds, lo cual hice. Resultó ser un kit de Arduino, pero no tenía idea de qué era un Arduino. Me enteré. Y eso lo llevó a la aventura de aprender algo de electrónica. ¡Al menos lo suficiente para hacer luces de túnel! Y sin Arduino.

Esta es al menos mi tercera versión de la placa de circuito de luces del túnel. El diseño básico lo descubrí en uno de los proyectos del libro Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. ¡Este es un gran libro de aprendizaje! También descubrí el uso de chips de circuitos integrados, específicamente las puertas NAND de entrada cuádruple CD4011.

Paso 1: el esquema del circuito

Hay tres entradas de señal para el circuito de luces del túnel. Dos son entradas LDR (resistencias dependientes de la luz) y una es una placa de circuito detector de obstáculos opcional. Las señales de entrada de estos dispositivos se evalúan lógicamente mediante entradas de puerta NAND del CD4023 (puertas NAND de triple entrada).

Hay un LED de ánodo común verde / rojo (que se utilizará en el panel de visualización para indicar que un tren está ocupando un túnel específico o acercándose al túnel). El verde indicará un túnel despejado y el rojo indicará un túnel ocupado. Cuando el led rojo esté encendido, las luces del túnel también estarán encendidas.

Cuando cualquiera de las tres entradas detecta una condición de señal, la salida de la puerta NAND será ALTA. La única condición cuando la primera salida de la puerta NAND es BAJA es la condición única cuando todas las entradas son ALTAS (todos los detectores en la condición predeterminada).

El circuito incluye un mosfet P-CH que se utiliza para proteger el circuito de la alimentación y la tierra mal cableadas. Esto puede suceder fácilmente al cablear la placa de circuito debajo de la tabla de distribución. En versiones anteriores de la placa, utilicé un diodo en el circuito para proteger el circuito de la conmutación de los cables de alimentación y tierra, pero el diodo consumía 0,7 voltios de los 5 voltios disponibles. El mosfet no cae ningún voltaje y aún protege el circuito si se equivocan los cables.

La salida ALTA de la primera puerta NAND pasa a través de un diodo a la siguiente puerta NAND y también está conectada a un circuito de retardo de tiempo de resistencia / condensador. Este circuito mantiene la entrada ALTA a la segunda puerta NAND durante 4 o 5 segundos, dependiendo del valor de la resistencia y el condensador. Esta demora evita que las luces del túnel se enciendan y apaguen cuando el LDR está expuesto a la luz entre los automóviles que pasan y también parece una cantidad de tiempo razonable, ya que la demora le dará tiempo al último automóvil para entrar o salir del túnel.

Dentro del túnel el detector de obstáculos mantendrá el circuito activado ya que también monitorea el paso de los autos. Estos circuitos detectores se pueden ajustar para detectar automóviles a solo unos centímetros de distancia y tampoco ser activados por la pared opuesta del túnel.

Si elige no conectar el detector de obstáculos dentro del túnel (túnel corto o difícil) simplemente conecte el VCC a la salida en el terminal del detector de obstáculos de 3 pines y esto mantendrá una señal ALTA en esa entrada de puerta NAND.

Se utilizan dos puertas NAND para permitir la implementación del circuito RC. El condensador se enciende cuando la primera puerta NAND está ALTA. Esta señal es la entrada a la segunda puerta NAND. Cuando la primera puerta NAND pasa a BAJA (todo despejado), el capacitor mantiene la señal a la segunda puerta NAND ALTA mientras se descarga lentamente a través de la resistencia de 1 10 m. El diodo evita que el condensador se descargue como un sumidero a través de la salida de la puerta NAND uno.

Dado que las tres entradas de la segunda puerta NAND están unidas, cuando la entrada es ALTA, la salida será BAJA y cuando la entrada es BAJA, la salida será ALTA.

Cuando la salida es ALTA desde la segunda puerta NAND, el transistor Q1 se enciende y esto enciende el led verde del led rojo / verde de tres hilos. El segundo trimestre también está encendido, pero esto solo sirve para mantener apagado el cuarto trimestre. Cuando la salida es BAJA, Q2 se apaga, lo que hace que Q4 se encienda (y también Q1 se apague). Esto apaga el led verde, enciende el led rojo y también enciende los leds de las luces del túnel.

Paso 2: Imágenes de luz de túnel

La primera imagen de arriba muestra un tren que ingresa al túnel con el LED del techo encendido.

La segunda imagen muestra un LDR incrustado en la vía y el balasto. Cuando el motor y los automóviles viajan sobre el LDR, proyectan suficiente sombra para activar los LED del túnel para que se enciendan. Hay un LED en cada extremo del túnel.

Paso 3: Divisor de voltaje de puerta NAND

Los LDR crean individualmente un circuito divisor de voltaje para cada una de las entradas a las puertas NAND. Los valores de resistencia del LDR aumentan a medida que disminuye la cantidad de luz.

Las puertas NAND determinan lógicamente que los voltajes de entrada de 1/2 o más en comparación con el voltaje de la fuente se consideran un valor ALTO y los voltajes de entrada menores que 1/2 del voltaje de la fuente se consideran una señal BAJA.

En el esquema, los LDR se conectan al voltaje de entrada y el voltaje de la señal se toma como el voltaje después del LDR. El divisor de voltaje se compone de una resistencia de 10k y también de un potenciómetro variable de 20k. El potenciómetro se utiliza para permitir el control del valor de la señal de entrada. Con condiciones de luz variables, el LDR puede tener un valor normal de 2k - 5k ohmios o, si se encuentra en una ubicación más oscura del diseño, puede ser de 10k - 15k. Agregar el potenciómetro ayuda a controlar la condición de luz predeterminada.

La condición predeterminada (ningún tren dentro o acercándose a un túnel) tiene valores de resistencia bajos para los LDR (generalmente 2k - 5k ohmios), lo que significa que las entradas a las puertas NAND se consideran ALTAS. La caída de voltaje después del LDR (asumiendo una entrada de 5v y 5k en el LDR y 15k combinados para la resistencia y el potenciómetro) será de 1.25v dejando 3.75v como entrada a la puerta NAND. Cuando la resistencia de un LDR aumenta porque está cubierto o sombreado, la ENTRADA de la puerta NAND baja.

Cuando el tren pasa sobre el LDR en la vía, la resistencia del LDR aumentará a 20k o más (dependiendo de las condiciones de iluminación) y el voltaje de salida (o entrada a la puerta NAND) caerá a aproximadamente 2.14v, que es menos de 1/2 voltaje de fuente que, por lo tanto, cambia la entrada de una señal ALTA a una señal BAJA.

Paso 4: Suministros

1 - condensador de 1 uf

1 - diodo de señal 4148

5 - conectores 2p

2 - conectores 3p

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

3 - transistores 2n3904

2 - GL5516 LDR (o similar)

2 - resistencias de 100 ohmios

2 - resistencias de 150 ohmios

1 - resistencia de 220 ohmios

2 - resistencias de 1k

2 - resistencias de 10k

2 - potenciómetros variables de 20k

1 - resistencia de 50k

1 - 1 - resistencia de 10 m

1 - CD4023 IC (puertas NAND de doble entrada triple)

1 - Toma de 14 pines

1 - detector de evitación de obstáculos (como este)

En mi placa de circuito he usado un mosfet IRLM6402 P-ch en una pequeña placa SOT-23. He descubierto que los mosfets SOT-23 p-ch son más baratos que el factor de forma T0-92. Cualquiera de los dos funcionará en la placa de circuito ya que los pines son los mismos.

¡Todo esto todavía es un trabajo en progreso y creo que aún se pueden hacer algunos valores de resistencia o algunas mejoras!

Paso 5: la placa PCB

Mis primeras versiones funcionales de la placa de circuito se hicieron en una placa de pruebas. Cuando se demostró que el concepto funcionaba, soldé a mano todo el circuito, lo que puede llevar mucho tiempo y, en general, siempre conecté algo mal. Mi placa de circuito de trabajo actual, que ahora es la versión 3 e incluye las puertas NAND triples (las versiones anteriores usaban las entradas de puerta NAND dual CD4011), y como se muestra en el video, es una placa de circuito impreso con archivos de salida generados por Kicad, que es mi software de modelado de circuitos.

He utilizado este sitio para pedir los PCB:

Aquí en Canadá el costo de 5 tablas es menos de $ 3. El envío tiende a ser el componente más caro. Normalmente pediré 4 o 5 placas de circuito diferentes. (La segunda y más placas de circuito cuestan aproximadamente el doble que las primeras 5). Los costos de envío típicos (por correo a Canadá por varias razones) son de aproximadamente $ 20. ¡Tener la placa de circuito prefabricada para que solo tenga que soldar los componentes es un gran ahorro de tiempo!

Aquí hay un enlace a los archivos Gerber que puede cargar en jlcpcb o en cualquiera de los otros fabricantes de prototipos de PCB.