Lumières de tunnel automatiques de modélisme ferroviaire : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

C'est mon circuit imprimé préféré. Mon réseau de modélisme ferroviaire (toujours en cours) comporte un certain nombre de tunnels et, bien qu'il ne s'agisse probablement pas d'un prototype, je voulais que les lumières du tunnel s'allument lorsque le train s'approche du tunnel. Ma première impulsion a été d'acheter un kit électronique avec des pièces et des leds, ce que j'ai fait. Il s'est avéré que c'était un kit Arduino mais je n'avais aucune idée de ce qu'était un Arduino. Je l'ai découvert. Et cela a conduit à une aventure d'apprentissage de l'électronique. Au moins assez pour faire des tunnels lumineux ! Et sans Arduino.

C'est au moins ma troisième version du circuit imprimé des lumières du tunnel. La conception de base que j'ai découverte dans l'un des projets du livre Circuits électroniques pour le Evil Genius 2E. C'est un excellent livre d'apprentissage ! J'ai également découvert l'utilisation de puces de circuits intégrés, en particulier les portes NAND à quatre entrées CD4011.

Étape 1: Le schéma du circuit

Il y a trois entrées de signal vers le circuit d'éclairage du tunnel. Deux sont des entrées LDR (résistances dépendantes de la lumière) et une est une carte de circuit imprimé de détecteur d'obstacles en option. Les signaux d'entrée de ces appareils sont évalués logiquement par les entrées de porte NAND du CD4023 (portes NAND à triple entrée).

Il y a une LED d'anode commune verte/rouge (qui sera utilisée sur le panneau d'affichage pour indiquer qu'un train occupe un tunnel spécifique ou s'approche du tunnel). Le vert indiquera un tunnel dégagé et le rouge indiquera un tunnel occupé. Lorsque la led rouge est allumée, les lumières du tunnel seront également allumées.

Lorsque l'une des trois entrées détecte une condition de signal, la sortie de la porte NAND sera HAUTE. La seule condition lorsque la première sortie de porte NAND est FAIBLE est la condition unique lorsque toutes les entrées sont à HAUT (tous les détecteurs à la condition par défaut).

Le circuit comprend un mosfet P-CH qui est utilisé pour protéger le circuit de l'alimentation et de la terre mal câblées. Cela peut facilement se produire lors du câblage du circuit imprimé sous la table de disposition. Dans les versions précédentes de la carte, j'utilisais une diode dans le circuit pour protéger le circuit de la commutation des fils de terre et d'alimentation, mais la diode consommait 0,7 volts sur les 5 volts disponibles. Le mosfet ne baisse aucune tension et protège toujours le circuit si vous vous trompez de fils.

La sortie HAUT de la première porte NAND passe à travers une diode jusqu'à la porte NAND suivante et est également connectée à un circuit de temporisation résistance/condensateur. Ce circuit maintient l'entrée HAUT de la deuxième porte NAND pendant 4 ou 5 secondes selon la valeur de la résistance et du condensateur. Ce délai empêche les lumières du tunnel de clignoter lorsque le LDR est exposé à la lumière entre les voitures qui passent et semble également une durée raisonnable car le délai donnera à la dernière voiture le temps d'entrer dans le tunnel ou de sortir du tunnel.

À l'intérieur du tunnel, le détecteur d'obstacles maintiendra le circuit activé car il surveille également le passage des voitures. Ces circuits de détection peuvent être ajustés pour repérer les voitures à quelques centimètres de distance et ne pas être déclenchés par le mur opposé du tunnel.

Si vous choisissez de ne pas connecter le détecteur d'obstacles à l'intérieur du tunnel (tunnel court ou difficile), connectez simplement le VCC à la sortie sur la borne du détecteur d'obstacles à 3 broches et cela maintiendra un signal HAUT sur cette entrée de porte NAND.

Deux portes NAND sont utilisées pour laisser une place au circuit RC à implémenter. Le condensateur est alimenté lorsque la première porte NAND est HAUTE. Ce signal est l'entrée de la deuxième porte NAND. Lorsque la première porte NAND passe à l'état BAS (tout est dégagé), le condensateur maintient le signal vers la deuxième porte NAND à l'état HAUT pendant qu'il se décharge lentement à travers la résistance de 110 m. La diode empêche le condensateur de se décharger en tant que puits à travers la sortie de la porte NAND un.

Étant donné que les trois entrées de la deuxième porte NAND sont liées ensemble, lorsque l'entrée est HAUTE, la sortie sera BAS et lorsque l'entrée est BAS, la sortie sera HAUT.

Lorsque la sortie est HAUTE de la deuxième porte NAND, le transistor Q1 est activé et cela allume la led verte de la led rouge/verte à trois fils. Q2 est également activé, mais cela ne sert qu'à éteindre Q4. Lorsque la sortie est FAIBLE, Q2 est désactivé, ce qui entraîne l'activation de Q4 (et Q1 est également désactivé). Cela éteint la led verte, allume la led rouge et allume également les leds d'éclairage du tunnel.

Étape 2: Images de lumière de tunnel

La première image ci-dessus montre un train entrant dans le tunnel avec la LED aérienne allumée.

La deuxième image montre un LDR intégré dans la voie et le ballast. Lorsque le moteur et les voitures traversent le LDR, ils projettent suffisamment d'ombre pour déclencher l'allumage des LED du tunnel. Il y a une LED à chaque extrémité du tunnel.

Étape 3: Diviseur de tension de porte NAND

Les LDR créent individuellement un circuit diviseur de tension pour chacune des entrées des portes NAND. Les valeurs de résistance des LDR augmentent à mesure que la quantité de lumière diminue.

Les portes NAND déterminent logiquement que les tensions d'entrée de 1/2 ou plus par rapport à la tension de source sont considérées comme une valeur HAUTE et que les tensions d'entrée inférieures à 1/2 de la tension de source sont considérées comme un signal BAS.

Dans le schéma, les LDR sont connectés à la tension d'entrée et la tension du signal est considérée comme la tension après la LDR. Le diviseur de tension est alors constitué d'une résistance de 10k et également d'un potentiomètre variable de 20k. Le potentiomètre est utilisé pour permettre le contrôle de la valeur du signal d'entrée. Avec des conditions d'éclairage variables, le LDR peut avoir une valeur normale de 2k - 5k ohms ou, si dans un endroit plus sombre de la mise en page, il peut être de 10k - 15k. L'ajout du potentiomètre permet de contrôler la condition d'éclairage par défaut.

La condition par défaut (pas de train dans ou approchant d'un tunnel) a de faibles valeurs de résistance pour les LDR (généralement 2k - 5k ohms), ce qui signifie que les entrées des portes NAND sont considérées comme ÉLEVÉES. La chute de tension après le LDR (en supposant une entrée de 5 v et 5 k sur le LDR et 15 k combinés pour la résistance et le potentiomètre) sera de 1,25 v, laissant 3,75 v en entrée de la porte NAND. Lorsque la résistance d'un LDR est augmentée parce qu'il est couvert ou ombragé, l'ENTRÉE de la porte NAND devient faible.

Lorsque le train passe sur le LDR dans la voie, la résistance du LDR augmentera à 20k ou plus (en fonction des conditions d'éclairage) et la tension de sortie (ou d'entrée à la porte NAND) chutera à environ 2,14v, ce qui est inférieur à 1/2 tension de source qui change donc l'entrée d'un signal HAUT à un signal BAS.

Étape 4: Fournitures

1 - 1uf condensateur

1 - 4148 diode de signalisation

5 - connecteurs 2p

2 - connecteurs 3p

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

3 - transistors 2n3904

2 - GL5516 LDR (ou similaire)

2 - 100 ohms résistances

2 - résistances de 150 ohms

1 - résistance de 220 ohms

2 - 1k résistances

2 - 10k résistances

2 - 20k potentiomètres variables

1 - résistance 50k

1 - 1 - 10m résistance

1 - CD4023 IC (portes NAND à double entrée triple)

1 - prise 14 broches

1 - détecteur d'évitement d'obstacle (comme celui-ci)

Sur ma carte de circuit imprimé, j'ai utilisé un mosfet P-ch IRLM6402 sur une petite carte SOT-23. J'ai trouvé que les mosfets p-ch SOT-23 étaient moins chers que le facteur de forme T0-92. L'un ou l'autre fonctionnera dans le circuit imprimé car les brochages sont les mêmes.

Tout cela est encore un travail en cours et je pense que certaines valeurs de résistance ou certaines améliorations peuvent encore être apportées !

Étape 5: La carte PCB

Mes premières versions fonctionnelles du circuit imprimé ont été réalisées sur une maquette. Lorsque le concept s'est avéré efficace, j'ai ensuite soudé à la main l'ensemble du circuit, ce qui peut prendre beaucoup de temps et, en général, j'ai toujours câblé quelque chose de mal. Ma carte de circuit de travail actuelle, qui est maintenant la version 3 et comprend les triples portes NAND (les versions précédentes utilisaient les entrées de porte NAND doubles CD4011), et comme le montre la vidéo, est une carte de circuit imprimé avec des fichiers de sortie générés par Kicad qui est mon logiciel de modélisation de circuits.

J'ai utilisé ce site pour commander les PCB:

Ici au Canada, le coût pour 5 planches est inférieur à 3 $. L'expédition a tendance à être l'élément le plus cher. Je commande généralement 4 ou 5 circuits imprimés différents. (Le deuxième et plusieurs circuits imprimés coûtent environ le double du prix des 5 premiers). Les frais d'expédition typiques (par la poste au Canada pour diverses raisons) sont d'environ 20 $. Avoir le circuit imprimé pré-construit donc je n'ai plus qu'à souder les composants est un gain de temps considérable !

Voici un lien vers les fichiers Gerber que vous pouvez télécharger sur jlcpcb ou sur l'un des autres fabricants de prototypes de PCB.