In het vorige deel, concludeerden we dat het een verdere verbetering zou het zijn als de vier regelcyclus-stappen elkaar gegarandeerd naadloos zonder afwisselen zonder ongedefinieerde en ongewenste tussen-momenten of overlap. 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.
Ik wilde de elektronische oplossing graag opbouwen met de klassieke elektronica-modules van fischertechnik. Een klein probleem is echter, dat in het originele Silberlingen assortiment niet in een digitale teller met twee binaire uitgangen is voorzien.
Voor de elektronica zullen we ons in dit artikel beperken tot de traditionele Silberlingen. De elektronische regelcyclus kan daarmee gemaakt worden met twee z.g. Grundbausteinen (36391) zoals beschreven in fischertechnik's Hobby4, deel 3. Een overzicht van Elektronische tellers wordt gegeven in deel 5 van diezelfde uitgave. De uitgangen van beide Grundbausteinen doorlopen hierbij vier unieke uitgangscombinaties. Merk op dat deze ‘telling’ echter niet zuiver binair is. Hoewel afwijkend, biedt deze telling het voordeel dat er telkens slechts één signaal wijzigt waardoor de achterliggende decoder nooit ongedefineerde korte overgangssignalen zal ontvangen. Deze tellingsvolgorde van de twee ‘bits’ kan worden opgevat als een z.g. Gray-codering.
Deze periodeduur van de vier individuele stappen van deze uit twee Grundbausteinen opgebouwde vier-staps pulsgenerator zou ongeveer evenlang moeten zijn. Zoals het oscilloscoopbeeld hiernaast aangeeft klopt dit min of meer, maar helaas geldt dit alleen voor de hogere (met GB1 te regelen) frequenties. Bij langere, voor verkeerslichten meer realistische, cyclustijden laten de onderlinge periodetijden zich niet eenvoudig onderling regelen. De voorgestelde terugkoppeling met een weerstand van 22 kΩ om een periodeduur te verlengen gaf bij mij, met verschillende combinaties van (originele) Grundbausteinen helaas ook niet de gewenste oplossing.
De logische functies voor de afzonderlijke lampen zijn onderaan de tabel gegeven. Een klein bijkomend voordeel is dat de stappen waarin de gele lampen moeten branden (stap 2 en 4), voor het gemak ‘Gelb I’ en ‘Gelb II’ genoemd, met de volgende z.g. XOR-functie kunnen worden bepaald:
Een nadeel is echter dat de logische XOR functie zal moeten worden samengesteld uit de beschikbare logische functies die beschikbaar zijn in de z.g. 'Silberlingen' (fischertechnik AND en/of OR poorten) en dat bij opbouw met twee Grundbausteinen de pulslengte-verhouding van de twee elkaar opvolgende pulsen niet eenvoudig kan worden ingesteld.
Het is op verschillende manieren mogelijk om met een samenstelling van OR/NOR en/of AND/NAND Silberlingen een XOR poort te maken. Dit kan met vijf OR/NOR Silberlingen of vier AND/NAND Silberlingen. Omdat alle Silberlingen zowel de normale digitale uitgang, als de geïnverteerde variant hiervan bieden is het zelfs mogelijk om met slechts drie Silberlingen de XOR poort op te bouwen zoals is aangegeven in de figuur hierboven. In de praktijk heeft de opbouw van de decoder met vier AND-Silberlingen echter de voorkeur omdat bij deze opbouw op de uitgangen van resp. de 2e en de 3e AND-poort reeds de stuursignalen voor de twee groene lampen beschikbaar zijn. De stuursignalen voor de rode lampen kunnen direct worden afgenomen op de uitgangen van GB2. Dit stuursignaal wordt via een 1MΩ weerstand afgenomen om de terugkoppeling naar GB1 zo min mogelijk belasten.
Het schakelschema van deze verkeerslichtenregeling is hieronder (vergrootbaar) weergegeven. Als drivers voor de vijf verschillend te onderscheiden lamp-functies gebruikte ik mijn zelf gebouwde ‘Quadruple Driver’ module. In plaats hiervan kunnen ook vier RB I Relaisbausteinen 36392 worden gebruikt voor het schakelen van de diverse lampen. Als spanningsverzorging kan vanzelfsprekend de reguliere fischertechnik gelijkrichtermodule 36393 dienen. Ik gebruikte een van mijn eigen voedingsmodules.
Merk op dat mijn ‘Quadruple Driver’ modules met postieve logica werken, terwijl de Silberlingen traditioneel met negatieve logica werken. Een probleem is dit echter niet, omdat alle noodzakelijke stuursignalen ook geïnverteerd voorhanden zijn. Bij gebruik van de originele fischertechnik Relaisbausteinen dient echter dus het complementaire stuursignaal voor het schakelen van de lampen te worden gebruikt. Bij gebruik van een Relaisbaustein kan natuurlijk ook simpelweg het andere contact van het wisselcontact worden gebruikt voor het schakelen van de betreffende lamp.
De verkeersregeling is, net als bij de elektromechanische oplossing, gesplitst in een vierstaps teller en aparte lampen-decoder. Bijkomend voordeel van deze elektronische variant is echter de strakke definitie van de vier verschillende fasen. Er is echter nog steeds weinig controle over de onderlinge tijdsduur van de verschillende stappen.
Een verbetering op het voorgaande ontwerp zou zijn wanner we de individuele tijdsduur van elke stap in de sequentie zouden kunnen regelen. Dit zou het mogelijk maken de rood/groen-tijden van de twee rijrichtingen en de tijd dat de gele lampen branden compleet onafhankelijk te configureren.
Om de individuele tijdsduur van elke stap in de sequentie te kunnen regelen experimenteerde ik met vier monoflops als timer van de regelcyclus. Het gecombineerde kloksignaal van deze modules kan dan dienen als kloksignaal voor een binaire teller met vier stappen. Bij een normale binaire telling verloopt de regeling zoals in de tabel hieronder geschetst. Onderaan zijn wederom de functies voor de individuele lampen gegeven.
Een mogelijke opbouw met zelfbouw varianten van de z.g. fischertechnik 'Silberlingen' is hieronder gegeven. Net als bij de voorgaande schakeling, kan de voeding plaatsvinden met de traditionele fischertechnik Gleichrichter Baustein en kunnen de door mij gebruikte driver modules worden vervangen door (vijf) fischertechnik Relaisbausteinen.
Met de vier monoflops in de bovenste rij is de tijdsduur van elk van de vier cyclus-stappen volledig onafhankelijk instelbaar. Na het aansluiten van de voedinsspanning moet deze teruggekoppelde ‘seqencer’/timer eerst worden ‘opgestart’ door eenmalig op de drukknop te drukken. De Dyn-AND Baustein DA (36483) geheel links combineert dit pulssignaal met het teruggekoppelde uitgangssignaal van de vierde monoflop.
Na het drukken van de drukknop, doorlopen de vier monoflops de vier stappen van de regelcyclus. De tijd per stap is op de betreffende monoflop instelbaar. Hierdoor is het mogelijk de ‘geel’-fasen (2e en 3e stap) realistischer en korter in te stellen dan de rood/groen-tijden van de verkeerslichten.
Om de vier uitgangssignalen van de monoflops samen te voegen tot één gecombineerde klokpuls voor de flipflop-teller, komen opnieuw enkele Dyn-AND Bausteinen van pas. De stappen van de aldus gecreëerde teller/sequencer, zorgen er voor dat de twee flipflops keurig binair van 00 via 01 en 10 tot 11 tellen. De volgorde van de twee flipflops is zodanig gekozen dat de reguliere binaire telling gemakkelijk van de LEDs van de (zelfbouw) flipflops is af te lezen. Er is dit keer alleen voor elk groen-signaal van elk verkeerslicht een AND/NAND Silberling nodig voor het decoderen.
De mini LED-verkeerslichtjes gaven voldoende inspiratie om te onderzoeken op welke verschillende manier door de geschiedenis heen verkeersregelingen werden gerealiseerd. Om in het thema van wegen en verkeer te blijven lijkt het daarom goed af te sluiten met een bekend gezegde: vele wegen leiden naar Rome! Maar zeker hierbij is: wie deze reis daadwerkelijk onderneemt treft vandaag de dag wel iets meer verkeerslichten op zijn pad dan in de Romeinse tijd... 😜
