أضواء الأنفاق الأوتوماتيكية للسكك الحديدية: 5 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

هذه هي لوحة الدوائر المفضلة لدي. يحتوي تخطيط نموذجي للسكك الحديدية (لا يزال قيد التنفيذ) على عدد من الأنفاق ، وعلى الرغم من أنه ليس نموذجًا أوليًا على الأرجح ، فقد أردت الحصول على أضواء نفق مضاءة مع اقتراب القطار من النفق. كان دافعي الأول هو شراء مجموعة إلكترونية بأجزاء ومصابيح ، وهو ما فعلته. اتضح أنها مجموعة Arduino لكن لم يكن لدي أي فكرة عن ماهية Arduino. لقد اكتشفت. وأدى ذلك إلى مغامرة تعلم بعض الإلكترونيات. على الأقل ما يكفي للقيام بأضواء النفق! وبدون اردوينو.

هذه على الأقل نسختي الثالثة من لوحة دائرة أضواء النفق. التصميم الأساسي الذي اكتشفته في أحد مشاريع كتاب Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. هذا كتاب تعليمي رائع! لقد اكتشفت أيضًا استخدام رقائق الدوائر المتكاملة ، وتحديداً بوابات NAND ذات الإدخال الرباعي CD4011.

الخطوة 1: مخطط الدائرة

هناك ثلاثة مدخلات إشارة لدائرة أضواء النفق. اثنان من مدخلات LDR (مقاومات تعتمد على الضوء) وواحد هو لوحة دائرة كاشف عائق اختياري. يتم تقييم إشارات الإدخال لهذه الأجهزة منطقيًا من خلال مدخلات بوابة NAND للقرص CD4023 (بوابات NAND ثلاثية المدخلات).

يوجد أنود LED مشترك أخضر / أحمر (والذي سيتم استخدامه على لوحة العرض للإشارة إلى أن القطار يشغل نفقًا معينًا أو يقترب من النفق). سيشير اللون الأخضر إلى نفق واضح وسيشير اللون الأحمر إلى نفق مشغول. عندما يضيء المصباح الأحمر ، ستضيء أضواء النفق أيضًا.

عندما يكتشف أي من المدخلات الثلاثة حالة إشارة ، سيكون خرج بوابة NAND مرتفعًا. الشرط الوحيد عندما يكون خرج بوابة NAND الأول هو LOW هو الحالة الفردية عندما تكون جميع المدخلات عالية (جميع أجهزة الكشف في الحالة الافتراضية).

تشتمل الدائرة على موسفيت P-CH الذي يستخدم لحماية الدائرة من سوء توصيل الطاقة والأرض. يمكن أن يحدث هذا بسهولة عند توصيل لوحة الدائرة تحت جدول التخطيط. في الإصدارات السابقة من اللوحة ، استخدمت الصمام الثنائي في الدائرة لحماية الدائرة من تبديل الأسلاك الأرضية والطاقة ، لكن الصمام الثنائي استهلك 0.7 فولت من 5 فولت المتاحة. لا يسقط mosfet أي جهد ولا يزال يحمي الدائرة إذا أخطأت في الأسلاك.

يمر الخرج العالي لبوابة NAND الأولى عبر الصمام الثنائي إلى بوابة NAND التالية ويتصل أيضًا بدائرة تأخير وقت المقاوم / المكثف. تحافظ هذه الدائرة على الإدخال العالي لبوابة NAND الثانية لمدة 4 أو 5 ثوانٍ اعتمادًا على قيمة المقاوم والمكثف. يمنع هذا التأخير أضواء النفق من الوميض وإيقاف التشغيل عندما يتعرض LDR للضوء بين السيارات التي تمر عبرها ويبدو أيضًا فترة زمنية معقولة لأن التأخير سيعطي آخر وقت للسيارة لدخول النفق أو الخروج من النفق.

داخل النفق ، سيحافظ كاشف العوائق على تنشيط الدائرة لأنه يراقب أيضًا مرور السيارات. يمكن ضبط دوائر الكاشف هذه لاكتشاف السيارات على بعد بضع بوصات فقط ولا يتم تشغيلها أيضًا بواسطة الجدار المقابل للنفق.

إذا اخترت عدم توصيل كاشف العوائق داخل النفق (نفق قصير أو صعب) فقط قم بتوصيل VCC للإخراج على طرف كاشف العوائق 3 سنون وسيؤدي ذلك إلى الحفاظ على إشارة عالية على مدخل بوابة NAND.

يتم استخدام اثنين من بوابات NAND للسماح بتنفيذ مكان لدائرة RC. يتم تشغيل المكثف عندما تكون بوابة NAND الأولى عالية. هذه الإشارة هي المدخلات إلى بوابة NAND الثانية. عندما تصبح بوابة NAND الأولى منخفضة (كلها واضحة) ، يحافظ المكثف على الإشارة إلى بوابة NAND الثانية عالية بينما يتم تفريغها ببطء من خلال المقاوم 1 10m. يمنع الصمام الثنائي المكثف من التفريغ كمغسلة من خلال مخرج بوابة NAND الأولى.

نظرًا لأن جميع المدخلات الثلاثة لبوابة NAND الثانية مرتبطة ببعضها البعض ، فعندما يكون الإدخال مرتفعًا ، سيكون الناتج منخفضًا وعندما يكون الإدخال منخفضًا ، سيكون الناتج مرتفعًا.

عندما يكون الناتج مرتفعًا من بوابة NAND الثانية ، يتم تشغيل ترانزستور Q1 وهذا بدوره يؤدي إلى المصباح الأخضر لثلاثة أسلاك حمراء / خضراء. يتم تشغيل Q2 أيضًا ولكن هذا يعمل فقط على إيقاف تشغيل Q4. عندما يكون الإخراج منخفضًا ، يتم إيقاف تشغيل Q2 مما يؤدي إلى تشغيل Q4 (وكذلك إيقاف تشغيل Q1). يؤدي هذا إلى إيقاف تشغيل المصباح الأخضر ، وتشغيل المصباح الأحمر ، وكذلك تشغيل المصابيح الضوئية للنفق.

الخطوة 2: صور ضوء النفق

تُظهر الصورة الأولى أعلاه قطارًا يدخل النفق مع تشغيل مصباح LED العلوي.

تُظهر الصورة الثانية LDR مضمنًا في المسار والصابورة. عندما يتحرك المحرك والسيارات فوق LDR ، فإنهم يلقيون ما يكفي من الظل لتشغيل مصابيح LED الخاصة بالنفق. يوجد مصباح LED في كل طرف من طرفي النفق.

الخطوة 3: مقسم جهد بوابة NAND

تنشئ LDR بشكل فردي دائرة مقسم جهد لكل مدخل من مدخلات بوابات NAND. تزداد قيم المقاومة لـ LDR مع انخفاض كمية الضوء.

تحدد بوابات NAND منطقيًا أن الفولتية المدخلة 1/2 أو أكبر عند مقارنتها بجهد المصدر تعتبر قيمة عالية وأن الفولتية المدخلة أقل من 1/2 من جهد المصدر تعتبر إشارة منخفضة.

في التخطيطي ، يتم توصيل LDRs بجهد الإدخال ويتم أخذ جهد الإشارة كجهد بعد LDR. يتكون مقسم الجهد بعد ذلك من مقاوم 10 كيلو وكذلك مقياس جهد متغير 20 كيلو. يستخدم مقياس الجهد للسماح بالتحكم في قيمة إشارة الدخل. مع ظروف الإضاءة المتفاوتة ، قد يكون لـ LDR قيمة عادية من 2 كيلو إلى 5 كيلو أوم أو ، إذا كان في مكان أكثر قتامة من التخطيط ، فقد يكون 10 كيلو - 15 كيلو. تساعد إضافة مقياس الجهد في التحكم في حالة الإضاءة الافتراضية.

الحالة الافتراضية (لا يوجد قطار في نفق أو تقترب منه) لها قيم مقاومة منخفضة لـ LDRs (بشكل عام 2k - 5k ohms) مما يعني أن المدخلات إلى بوابات NAND تعتبر عالية. سيكون انخفاض الجهد بعد LDR (بافتراض إدخال 5 فولت و 5 كيلو على LDR و 15 كيلو للمقاوم ومقياس الجهد) 1.25 فولت مع ترك 3.75 فولت كمدخل إلى بوابة NAND. عندما تزداد مقاومة LDR لأنها مغطاة أو مظللة ، ينخفض مدخل بوابة NAND.

عندما يمر القطار فوق LDR في المسار ، ستزداد مقاومة LDR إلى 20 كيلو أو أكثر (اعتمادًا على ظروف الإضاءة) وينخفض جهد الخرج (أو الإدخال إلى بوابة NAND) إلى حوالي 2.14 فولت وهو أقل من 1/2 جهد المصدر الذي يغير بالتالي الدخل من إشارة عالية إلى إشارة منخفضة.

الخطوة 4: المستلزمات

1 - 1 فائق التوهج مكثف

1 - 4148 إشارة الصمام الثنائي

5 - موصلات 2p

2 - موصلات 3p

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

3 - 2n3904 الترانزستورات

2 - GL5516 LDR (أو ما شابه)

2-100 أوم مقاومات

2 - مقاومات 150 أوم

1 - 220 أوم المقاوم

2-1 كيلو مقاومات

2-10 كيلو مقاومات

2 - 20 كيلو متغير فرق الجهد

1 - 50 كيلو المقاوم

1 - 1 - 10 م المقاوم

1 - CD4023 IC (بوابات NAND ثلاثية المدخلات المزدوجة)

1 - مقبس 14 دبوس

1 - كاشف تجنب العوائق (مثل هذا)

على لوحة الدوائر الخاصة بي ، استخدمت موسفيت IRLM6402 P-ch على لوحة SOT-23 صغيرة. لقد وجدت أن mosfets SOT-23 p-ch أرخص من عامل الشكل T0-92. سيعمل أي منهما في لوحة الدائرة لأن نقاط التوصيل هي نفسها.

هذا كله لا يزال قيد التقدم وأعتقد أنه لا يزال من الممكن إجراء بعض قيم المقاوم أو بعض التحسينات!

الخطوة 5: لوحة PCB

تم عمل إصدارات العمل الأولى من لوحة الدوائر على لوح التجارب. عندما ثبت أن المفهوم يعمل ، قمت بعد ذلك بلحام الدائرة بأكملها يدويًا ، الأمر الذي قد يستغرق وقتًا طويلاً جدًا وعمومًا كنت دائمًا أسلك شيئًا خاطئًا. لوحة دائرة العمل الحالية الخاصة بي ، والتي تعد الآن الإصدار 3 وتتضمن بوابات NAND الثلاثية (استخدمت الإصدارات السابقة مدخلات بوابة NAND المزدوجة CD4011) ، وكما هو موضح في الفيديو ، هي لوحة دوائر مطبوعة بها ملفات إخراج تم إنشاؤها بواسطة Kicad وهي برامج نمذجة الدوائر.

لقد استخدمت هذا الموقع لطلب PCB's:

هنا في كندا ، تكلفة 5 لوحات أقل من 3 دولارات. يميل الشحن إلى أن يكون أغلى مكون. سأطلب عادة 4 أو 5 لوحات دوائر مختلفة. (لوحات الدوائر الثانية وأكثر من ضعف سعر أول 5). تبلغ تكاليف الشحن النموذجية (عن طريق البريد إلى كندا لأسباب مختلفة) حوالي 20 دولارًا. إن وجود لوحة دوائر كهربائية مسبقة الصنع ، لذلك يتعين عليّ فقط لحام المكونات هو توفير كبير للوقت!

إليك رابط إلى ملفات Gerber التي يمكنك تحميلها إلى jlcpcb أو أي من الشركات المصنعة للنماذج الأولية لثنائي الفينيل متعدد الكلور.