Автоматический светофор

Эта игрушка (рис. 34) — не только автомат переключения малогабаритных разноцветных ламп, но и простое учебное пособие, которое поможет, скажем, школьникам осваивать дорожную азбуку. Особенно удобно совместить эту игрушку с моделью дорожного перекрестка, на котором будут расставлены модели-копии автомобилей. Тогда можно играть, передвигая модели через перекресток при соответствующих сигналах светофора.

Схема автоматического светофора приведена на рис. 35. В нем две интегральные микросхемы, три транзистора и несколько других деталей. Микросхема К155ЛАЗ содержит четыре элемента 2И-НЕ, а микросхема К155ТМ2 — два D-триггера.

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран тактовый генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы, которые следуют со сравнительно малой частотой — она зависит от емкости конденсатора С 1 и сопротивления резистора R1. От частоты следования импульсов зависит частота переключения ламп светофора.

Периодически появляющиеся на выходе генератора (вывод 6 элемента DD1.2) импульсы поступают на счетчик, составленный из триггеров DD2.1 и DD2.2. Триггеры соединены так, что на выходе первого из них импульсы появляются вдвое реже, чем на выходе генератора, а на выходе второго — вчетверо.

К выходам триггеров счетчика подключены дешифраторы на элементах DD1.3 . DD1.4 и электронные ключи на транзисторах VT1—VT3. Нагрузками ключей являются лампы HL1 — HL3, окрашенные соответственно в зеленый, красный и желтый цвета.

Работу светофора удобно разобрать по принципиальной схеме совместно с диаграммой (рис. 36) сигналов на выводах различных деталей автомата. Начнем с момента появления первого импульса на выходе генератора, а значит, на входе счетчика. Сразу же триггер DD2.1 переходит в единичное состояние, при котором на прямом выходе (вывод 5) появляется сигнал логической 1, а на инверсном (вывод 6) —сигнал логического 0. Нелишне напомнить, что первому из сигналов соответствует вполне определенное высокое постоянное напряжение (более 2В) на указанном выводе, а второму — напряжение, близкое к 0 (в обоих случаях относительно минусового вывода источника питания).

При появлении сигнала логической 1 на прямом выходе первого триггера, а значит, на входе второго триггера последний переходит в единичное состояние.

В таком состоянии триггеры находятся до прихода второго импульса. Тогда первый триггер переходит в нулевое состояние, при котором полярность сигналов на его выходах изменяется на противоположную (на выводе 5 — сигнал логического 0, на выводе 6 — сигнал логической 1), а состояние второго триггера остается пока неизменным. Лишь по приходе третьего импульса изменяется состояние как первого, так и второго триггеров. Одинаковые состояния первого триггера будут наблюдаться через каждые два импульса генератора, а второго триггера — через четыре.

В зависимости от состояния триггеров на выходах элементов DD1.3, DD1.4, а значит, на базах транзисторов VT1, VT2, а также на базе транзистора VT3 будут те или иные сигналы — это нетрудно проследить по диаграмме. К примеру, когда на прямом выходе триггера DD2.2 и инверсном DD2.1 сигналы логической 1, на выходе элемента DD1.3 - сигнал логического О. База транзистора VT1 оказывается подключенной через резистор R2 к минусу напряжения питания, и транзистор открывается. Горит лампа HL1 зеленого цвета. Когда такие же сигналы оказываются на инверсных выходах обоих триггеров, открывается транзистор VT2 и зажигается лампа HL2 красного цвета. А вот транзистор VT3 открывается всякий раз, когда сигнал логического нуля появляется на инверсном выходе триггера DD2.1. В итоге получается следующая очередность зажигания ламп: зеленая - желтая - красная -ж елтая - зеленая и т. д. Иначе говоря, перед сменой разрешающего сигнала (зеленый) на запрещающий (красный) и наоборот, зажигается предупреждающий (желтый) .

Вместо микросхемы К155ЛАЗ могут быть использованы другие, содержащие элементы И-НЕ с любым числом входов. К примеру, микросхема К155ЛА4 содержит три элемента ЗИ-НЕ , у каждого из которых по три входных вывода. Для автомата придется использовать две такие микросхемы. Причем у двух элементов, предназначенных для работы в генераторе, нужно соединить вместе все входные выводы. А для работы в дешифраторе включают любые два входных вывода, а третий подключают к любому из них. Если воспользоваться микросхемой К155ЛА1 с двумя элементами 4И-НЕ, нужно в генераторе использовать элементы с соединенными входными выводами, а в дешифраторе - элементы с попарно соединенными выводами.

В счетчике могут работать другие D-триггеры микросхем серии К155 или аналогичных, но обязательно с прямыми и инверсными выходами (например, К155ТМ7). Возможно использование JK-триггеров (к примеру, К155ТВ1), но в этом случае вывод инверсного выхода ни с какими выводами данного триггера соединять не нужно.

Транзисторы могут быть любые из серий МП25, МП26, МП42, ГТ403. Лампы - МН 3,5-0,26 или МН 3,5-0,14. Резисторы — МЛТ-0,25, конденсатор — К50-6, источник питания — батарея 3336, выключатель — любого типа.

Детали светофора, кроме батареи, выключателя и ламп, монтируют на плате (рис. 37) из изоляционного материала,

которую укрепляют внутри небольшой шкатулки со съемной нижней крышкой. Батарею питания устанавливают на крышке, а выключатель — на верхней стенке шкатулки. К верхней стенке прикрепляют стойку из металлической трубки, на конце которой располагают коробку под лампы, склеенную из плотного картона. Коробка разделена светонепроницаемыми перегородками на три отсека. В каждом отсеке располагают "свою" лампу: в верхнем — красного цвета, а в среднем — желтого, в нижнем — зеленого. Проводники от ламп пропускают внутри стойки и подводят к контактам монтажной платы. Баллоны ламп светофора можно и не окрашивать, если прикрыть отверстия коробки цветными светофильтрами.

Если монтаж выполнен без ошибок и все детали исправны, светофор начинает работать сразу. Скорость переключения ламп устанавливают изменением частоты тактового генератора — подбором конденсатора С 1 (грубо) и резистора R1 (плавно).

Автоматический светофор можно выполнить полностью на транзисторах, но деталей понадобится несколько больше. Схема такого светофора приведена на рис.38. Он состоит из несимметричного мультивибратора, собранного на транзисторах VT2, VT3, и триггера со счетным входом, выполненного на транзисторах VT6, VT7. Транзисторы VT1, VT5, VT8 используются как усилители токов плеч мультивибратора и триггера — они обеспечивают работу индикаторных ламп HL1 — HL3, а транзистор VT4 — как электронный ключ.

Частоту импульсов мультивибратора можно регулировать подстроечными резисторами R3 и R5. При этом изменяется и соотношение длительностей импульса и паузы. В итоге продолжительность горения красного и зеленого сигналов светофора удается устанавливать в пределах 1 ...6, а желтого — 0,5...3 с .

Как известно, при работающем мультивибраторе его транзисторы открываются поочередно — когда открыт VT2, закрыт VT3 и наоборот. При открывании транзистора VT2 одновременно открывается и VT1, зажигается лампа HL1 желтого цвета. Когда же открывается транзистор VT3, на его коллекторе резко уменьшается отрицательное напряжение. Иначе говоря, на коллекторе этого транзистора появляется импульс напряжения положительной полярности. — он поступает на триггер и переводит его в противоположное состояние. Если, например, был открыт транзистор VT6 триггера, то с приходом импульса открывается транзистор VT7 (a VT6 закрывается) и наоборот.

К эмиттерам транзисторов триггера подключены транзисторы VT5 и VT8 с лампами HL2 зеленого и HL3 красного цвета. Поскольку эти транзисторы соединены с транзистором VT4, то одна из ламп (в зависимости от состояния триггера) включится только в тот момент, когда откроется транзистор VT4. Иными словами, при открывании транзистора VT3 мультивибратора вспыхивает либо лампа зеленого цвета, либо красного. Частота вспышек любой из этих ламп вдвое меньше, чем лампы желтого цвета, то есть светофор работает по такой же программе, что и предыдущая конструкция. Продолжительность горения красного или зеленого света зависит от емкости конденсатора С 2 и сопротивления резисторов R5, R6, а желтого — от емкости конденсатора С1 и сопротивления резисторов R3, R4.

Вместо указанных на схеме транзисторов МП42 подойдут любые из серий МП40-МП42, а вместо МП21А - любые из серий МП20, МП21, МП25, МП26, но в обоих случаях — со статическим коэффициентом передачи тока не менее 30. диоды VD2, VD3 могут быть как любые маломощные кремниевые, так и такие же германиевые.

Остальные диоды должны быть обязательно кремниевые, например, серий Д219, Д220, КД102, КД103, КД105. Постоянные резисторы — МЛТ-0,25, подстроечные — СПЗ-16. Конденсаторы С 1 и С2 - К50-6, СЗ и С4 - КЛС.

Лампы — МН 3,5-0,15 (на напряжение 3,5В и ток накали 0,15 А). Можно использовать и более яркие лампы — МН 3,5-0,26 (на напряжение 3,5В и ток накала 0,26 А), но в этом случае понадобятся более мощные транзисторы VT1, VT4, VT5, VT8 серий ГТ402, ГТ403, П213-П217 с коэффициентом передачи тока базы не менее 40. Источник питания — батарея 3336 либо маломощный выпрямитель с выходным напряжением 4.. .6В (при токе нагрузки до 0,3 А).

Большая часть деталей устройства может быть смонтирована на плате (рис. 39) из гетинакса (или текстолита) толщиной 1,5. . .2 мм. Плата и источник питания укреплены в корпусе примерно таких же размеров, что и для предыдущего светофора. Аналогично устроены стойки с разноцветными лампами.

Если в светофоре используются исправные детали и они смонтированы точно по схеме, автомат начинает работать сразу после включения. Однако может случиться, что лампы либо не светятся, либо не переключаются. Тогда нужно искать неисправность в мультивибраторе и усилителях тока. Добившись периодического переключения лампы желтого цвета, наблюдают за переключением остальных ламп. Если одна из них не переключается, значит, неисправность в триггере. Правда, подобный дефект наблюдается и при снижении напряжения источника питания, поэтому его следует проверить в первую очередь.

В том случае, если какая-то из ламп горит слабее других (конечно, без светофильтра), нужно заменить транзистор, в коллекторную цепь которого включена лампа, другим — с большим коэффициентом передачи тока. Когда и зеленая и красная лампы горят слабее желтой, значит, следует установить транзистор с большим коэффициентом передачи на место транзистора VT4.

Поскольку этот светофор потребляет сравнительно большой ток, нужно экономнее расходовать энергию батареи питания, не оставлять ее включенной по окончании пользования игрушкой. Но лучше всего питать игрушку от сети через маломощный выпрямитель.

Любой из светофоров несложно доработать под двусторонний перекресток. Для этого параллельно каждой из ламп нужно подключить по такой же лампе, расположенной в футляре на стойке перпендикулярно уже имеющимся . Но подключение должно быть таким, чтобы при зажигании зеленого сигнала на одной стороне светофора включался красный на другой и наоборот. Желтый же сигнал должен гореть одновременно с обеих сторон.