Al vanaf het begin worden verkeerslichtschakelingen in de modellenboekjes van het technische constructiemateriaal fischertechnik gebruikt om functionele elektronische principes te verduidelijken. Deze bouwmodellen die in de loop van de tijd werden voorgesteld blijven tot de verbeelding spreken. Toen ik de microcontroller-gestuurde verkeerslichtregeling had gemaakt, besloot ik ook de historisch hieraan voorafgaande methoden in kaart te brengen. Deze verkenning leerde me veel over de verschillende schakeloplossingen. Daarom heb ik deze pagina geheel gewijd aan enkele mogelijke handgeschakelde oplossingen met de in het vorige deel reeds besproken LED verkeerslichtjes.
De cyclus waarin de gekleurde lampen elkaar afwisselen of tegelijk branden verschilt per land. In Nederland branden nooit twee lampen van een driekleurig verkeerslicht tegelijk. Het rode licht springt direct naar groen.
In andere landen, bijvoorbeeld in Duitsland, Hongarije, Groot-Brittannië, Oostenrijk, Zwitserland, Polen, Litouwen, Noorwegen, Rusland en Zweden, kondigt de gele lamp het groene licht aan in het laatste gedeelte van de rood-fase. In de tabel hiernaast is deze sequentie aangegeven bij ‘A’. Regelcyclus ‘B’ geeft de Nederlandse situatie weer. Het verschil zit in fase 2 en 4 waarbij slechts één lamp per verkeerlicht brandt.
De hoogte van de tabelcellen geeft de relatieve tijd aan dat de betreffende lampen branden. De rood- en groenfase zijn namelijk doorgaans (veel) langer dan de fase waarin de gele lampen branden.
De basis vormt een handmatige sequentiële schakeling van de drie lampen van een verkeerslicht met een draaischakelaar (31312). Met de draaischakelaar en een extra drukknop kan een ‘verbeterde verkeerslichtschakeling’ gemaakt waarbij het gele licht zich, conform de ‘Duitse regelcyclus’ bij het rode voegt voordat de groene lamp aan gaat.
Ter illustratie van dit principe bouwde ik een handbediende verkeerslichtschakeling met de draaischakelaar en drukknop op, zoals voorgesteld in het modelboekje van de em2 (30231) bouwdoos. Hierbij wordt een ‘handgreep’ of aanwijsbalk van bouwstenen boven op de draaischakelaar gesplaatst. Hiernaast de originele afbeelding uit het fischertechnik bouwboekje.
Hierbij wordt een ‘handgreep’ of aanwijsbalk van bouwstenen boven op de draaischakelaar gesplaatst. In de oorspronkelijke beschrijving wordt het aan de vindingrijkheid van de bouwer zelf overgelaten de doorverbinding tussen twee tegenover elkaar liggende contacten bovenop de draaischakelaar te maken. Hoewel wordt voorgesteld deze in lijn te laten lopen met de aanwijsbalk, ontbreekt de ruimte om de fischertechnik stekkers aan de binnenkant in de contacten te steken.
Ik loste dit op door onder de voorgestelde handgreep-constructie twee contacten met een gesoldeerde draad door te verbinden. De eenvoudiger, maar minder elegante, oplossing is om alle aansluitingen op de onderring één contactpositie te verschuiven zodat de doorverbinding aan de buitenkant met de normale stekkers kan worden gemaakt (de blauwe stekkers in de afbeelding hierboven). Dit alles leidde tot de meest eenvoudige, electromechanische, verkeerslichtregeling met een handbediende draaischakelaar. Merk op dat we hier slechts één verkeerslicht, voor één verkeersrichting, regelen.
Uiteindelijk diende zich ook een elegantere methode aan om de doorverbinding bovenop de draaischakelaar te maken. Het prettigst is namelijk toch als deze in lijn met de draaigreep kan worden gerealiseerd. Dat de contacten op de draaischakelaar een niet-fischertechnik-maat (ongeveer 33,5 mm) uit elkaar staan, kon worden opgelost met twee metalen tussenstekkers 31339 in bouwstenen 32064 zoals in de afbeelding. Bovenop kan daarna een draadbrug met de reguliere fischertechnik-stekkers gemaakt worden.
In het bouwboekje van de Hobby3 Elektromechnanik doos (35803) wordt in plaats van een schakelaar een relais gebruikt voor de extra fase waarin de rode en de gele tegelijk branden, maar het principe is hetzelfde. Het schakelschema neemt de drie lampen, en niet de verschillende fasen van de verkeersregeling, als uitgangspunt. De draaischakelaar kan door vier standen worden gedraaid waarmee de verkeerslichtregeling voor slechts één verkeerslicht ‘I’ (zie de tabel) kan worden geregeld. Hiermee is het principe voor één verkeerslicht geïllustreerd.
Als we echter twee verkeerslichten (verkeersrichtingen) tegelijk willen regelen schiet deze methode te kort omdat de lichtfasen van het rode en het groene licht van een twee verkeerslichten niet zuiver complementair zijn. Het rode licht brandt tijdens de geel-cyclus namelijk mee terwijl het groene licht van het andere verkeerslicht dan juist gedoofd is. Er kan dus niet simpelweg met één aansluiting voor deze lampen in de twee verschillende verkeerslichten worden volstaan. Hierdoor zou, behalve de extra schakelaar voor de tweede geel/rood-stap, minimaal een tweede (liefst mechanisch gekoppelde) draaischakelaar benodigd zijn. Er dienen dus vijf onafhankelijke lampgroepen geschakeld te kunnen worden.
Voor het aansturen van meerdere lampen, wordt het zinvoller om de (slechts vier) verschillende fasen van de verkeersregeling als uitgangspunt te nemen en met een logische functie per lamp te bepalen (te ‘decoderen’) of deze brandt of gedoofd is in de betreffende fase. Met deze wezenlijk andere benadering begeven we ons meer richting het domein van de (digitale) schakelelektronica.
De gewenste schakellogica voor elke lamp kan ook zonder elektronica-modules met logische schakelpoorten worden ‘gedecodeerd’. Door het toevoegen van slechts enkele diodes aan de bedrading van het originele schakelschema is het reeds mogelijk de regeling uit te breiden voor twee verkeerslichten en/of verkeersrichtingen. In de afbeelding hieronder is het aangepaste schakelschema gegeven. Enkele 1N4001 of 1N4007 diodes worden gebruikt om de logische z.g. “wired-OR’s” te creeëren. Hierdoor volstaan de vier fases die met de draaischakelaar kunnen worden doorlopen en kan zelfs de extra drukknop uit van de oplossing hierboven vervallen. Op deze manier fungeert de draaischakelaar als ‘teller’ en de bedrading met de diodes als ‘decoder’.
Op de foto is de complete opbouw te zien. De diodes werden in de bedrading opgenomen. Let op: de (tweekleurige!) stekkers representeren geen spanningspolariteit, maar verduidelijken de kleuren van de lampen van de twee verkeerslichten die in deze stand worden aangestuurd.
Bij deze regeling werden dus de vier regelcyclus-fasen van de regeling als uitgangspunt genomen. De vier doorlopen fasen van de regeling worden vervolgens logisch 'gedecodeerd' volgens de "wired-OR" schakellogica zoals hierboven opgebouwd met de diodes. Hiermee wordt het mogelijk om twee verkeerslichten te regelen met één draaischakelaar zónder extra drukknop.
Deze schakelprincipes kunnen natuurlijk gemotoriseerd en daardoor ‘geautomatiseerd’ worden door de draaibeweging, die hier nog met de hand moet worden uitgevoerd, door een motor te laten uitvoeren. Een nadeel van een draaischakelaar blijven echter de ‘dode’ momenten tussen de schakelstanden in. Op deze momenten brandt natuurlijk simpelweg geen enkele lamp!
De gele lamp die zich bij de rode voegt voordat het groene licht aan gaat, werd in het boekje (35803/39530) bij de Hobby3 doos met een relais in plaats van een drukknop naast de draaischakelaar gerealiseerd. Ook werd reeds voorgesteld de simpele verkeerslichtschakeling met de draaischakelaar uit te breiden met een knipperende gele lamp die d.m.v. een motor met nokkenschijf wordt geschakeld. Compleet elektromechanische oplossingen zijn dit echter nog niet. De fischertechnik draaischakelaar (31312) moet immers telkens met de hand worden doorgedraaid.
In het modelboekje van de em2 (30231) bouwdoos wordt het hier opgebouwde voorbeeld getoond. Deze contacten van dezer regeling worden door nokkenschijven bewogen. Hierdoor worden de opeenvolgende contact-fases met nokkenschijven ‘geprogrammeerd’. Het uitgangspunt hierbij is dat deze vier fasen elkaar zo precies mogelijk zonder overlap opvolgen. In dit geval is deze ‘fasen-sequencer’ of teller vergelijkbaar met de handmatige draaischakelaar en zou de ‘decoderende’ bedrading met de dioden van figuur 7 kunnen worden gebruikt om de twee verkeerslichten aan te sturen. Een dergelijke mechanische vierstaps ‘teller’ blijft echter gevoelig voor fouten. Als er door onderlinge verdraaïng van de nokkenschijven fouten in de ‘programmering’ optreden, leidt dit onherroepelijk tot fouten in de aansturing van de lampen.
In dit opzicht zou een opbouw met sleepcontacten 31301 met Schleifring-Unterbrecherstücke 31303 misschien een beter idee zijn. Het is daarmee in elk geval eenvoudiger een omwenteling van de aangedreven as in vier fasen te verdelen. Doordat ook telkens twee van de vier fasen op hetzelfde sleepcontact kunnen worden ‘gecodeerd’ neemt de kans op fouten door onderlinge verdraaïng af. Bovendien volstaan slechts twee sleepcontacten, in plaats van vier losse nokkenschijven.
Direct na het opbouwen van de eerste, met een draaischakelaar handbediende, verkeersregeling werd het me wel duidelijk dat het zinvoller is de verschillende fasen in de regelcyclus als uitgangspunt te nemen in plaats van de individuele lampen van de verkeerslichten.
Een verdere verbetering zou het echter wel zijn als de vier regelcyclus-stappen elkaar daarbij gegarandeerd naadloos zonder afwisselen zonder ongedefinieerde en ongewenste tussen-momenten of overlap. Zolang we dit mechanisch of handbediend oplossen zal dit lastig te garanderen zijn. Hiertoe zullen we de toevlucht moeten nemen tot de elektronica. De basisgedachte is dat de vier verschillende regelcycli elektronisch doorlopen worden waardoor een splitsing tussen de regelfasen en de uiteindelijk ‘gedecodeerde’ lampcombinaties gemaakt kan worden. Dit is mogelijk door een teller die van 1 tot 4 (of van 0 tot 3) telt en een aparte ‘decoder’ met logische poorten. Op de vervolgpagina van dit project onderzoek ik deze mogelijkheden.