圣誕燈序列器
圣誕節(jié)即將來(lái)臨,又到了一年一度的時(shí)刻,電子學(xué)學(xué)生或愛(ài)好者的思緒轉(zhuǎn)向?yàn)樗麄兊募抑谱饕粋€(gè)圣誕電路,尤其是那種能閃爍幾盞燈的電路。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202503/468257.htm市場(chǎng)上有許多電路和套件可以周期性地、隨機(jī)地或順序地閃爍任意數(shù)量的燈,但愛(ài)好者或?qū)W生可以使用一種非常通用的IC來(lái)制作一個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器,用于各種不同的季節(jié)性燈光展示,那就是CMOS 4017B約翰遜計(jì)數(shù)器。
4017B是一個(gè)快速切換的5級(jí)約翰遜十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,具有十個(gè)完全解碼的輸出(總共10個(gè)獨(dú)立光源)。在每個(gè)新的時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí),這十個(gè)輸出依次切換。在任何時(shí)刻,只有一個(gè)輸出處于邏輯“1”或“高電平”,而所有其他輸出都被清除為邏輯“0”或“低電平”,因此它可以產(chǎn)生移動(dòng)序列或追逐效果,使4017非常適合作為圣誕燈項(xiàng)目的順序LED或燈光顯示。
4017B基本上是一個(gè)循環(huán)移位寄存器,其串行輸出連接回其串行輸入,以產(chǎn)生特定的序列。4017B約翰遜計(jì)數(shù)器還可以用于頻率分頻應(yīng)用以及十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或十進(jìn)制解碼顯示應(yīng)用。
4017B被歸類為計(jì)數(shù)器,因?yàn)樗趹?yīng)用時(shí)鐘信號(hào)或脈沖時(shí)表現(xiàn)出特定的狀態(tài)序列。由于4017B用作同步計(jì)數(shù)器,所有內(nèi)部觸發(fā)器的切換動(dòng)作都來(lái)自共同的時(shí)鐘信號(hào),如圖所示。
4017B約翰遜十進(jìn)制計(jì)數(shù)器
4017約翰遜計(jì)數(shù)器
序列器定時(shí)信號(hào)
但在我們可以將4017B約翰遜計(jì)數(shù)器用作圣誕燈序列器電路的一部分之前,我們需要產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)信號(hào)。有許多不同的方法可以使用專用IC(如NE555)或使用晶體管或晶體振蕩器的離散無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生定時(shí)或時(shí)鐘信號(hào)。列表是無(wú)窮無(wú)盡的。但一種非常簡(jiǎn)單且有效的方法是用最少的組件產(chǎn)生方波定時(shí)信號(hào),那就是使用施密特觸發(fā)器反相器。
施密特觸發(fā)器以其發(fā)明者命名,是一種電壓電平敏感的雙態(tài)器件,形式為反相器或非門。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生可變方波定時(shí)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是它使用一種特殊的閾值電路,產(chǎn)生滯后效應(yīng),通過(guò)在狀態(tài)之間切換時(shí)“整形”觸發(fā)電壓來(lái)防止不穩(wěn)定的切換。這使得在“高電平”和“低電平”或邏輯“0”和邏輯“1”之間可靠切換,使其非常適合作為我們圣誕燈序列器項(xiàng)目的方波定時(shí)信號(hào)。
考慮如圖所示的施密特反相器。當(dāng)電位器滑片位于圖底部時(shí),施密特反相器的輸入電壓低,代表邏輯電平“0”,低于邏輯門的較低輸入閾值電平。由于施密特觸發(fā)器是反相器,因此輸出將為高電平,邏輯電平“1”。
施密特觸發(fā)器
當(dāng)電位器滑片向+5V移動(dòng)時(shí),會(huì)有一個(gè)點(diǎn),Vi的電壓等于或高于較高閾值輸入或較高觸發(fā)點(diǎn)(VHTP),導(dǎo)致施密特反相器改變狀態(tài)。現(xiàn)在的情況是輸入處于邏輯電平“1”,輸出處于邏輯電平“0”。然后施密特觸發(fā)器充當(dāng)反相器或非門。
同樣,如果電位器滑片位于+5V并向0V降低,會(huì)有一個(gè)點(diǎn),Vi的電壓等于或低于較低閾值輸入或較低觸發(fā)點(diǎn)(VLTP),導(dǎo)致施密特反相器再次改變狀態(tài)。
然后通過(guò)在施密特反相器的輸入上改變電壓值在其上下閾值觸發(fā)點(diǎn)之間,我們可以使輸出改變狀態(tài),這是施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)振蕩器電路的基本思想。通過(guò)用RC(電阻-電容)電路替換電位器,如圖所示,我們可以通過(guò)施密特反相器對(duì)電容器充電和放電。
施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)波形發(fā)生器
施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)發(fā)生器
假設(shè)定時(shí)電容器CT完全放電,施密特觸發(fā)器的輸入處于邏輯“0”,因此其輸出處于邏輯“1”,電容器將通過(guò)定時(shí)電阻RT從右到左指數(shù)充電。電容器充電的速度取決于它們的RC時(shí)間常數(shù)。
在某個(gè)點(diǎn),電容器板上的電壓將達(dá)到施密特觸發(fā)器的較高閾值,導(dǎo)致輸出從邏輯“1”切換到邏輯“0”。由于施密特觸發(fā)器的輸出實(shí)際上處于0V電位,電容器開(kāi)始通過(guò)定時(shí)電阻RT從左到右放電,速度由它們的RC定時(shí)常數(shù)決定。
當(dāng)放電電容器板上的電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的較低閾值時(shí),它會(huì)導(dǎo)致其改變狀態(tài),整個(gè)過(guò)程重復(fù)。
通常,較高觸發(fā)點(diǎn)VHTP通常發(fā)生在電源電壓的65%(2/3)左右,而較低觸發(fā)點(diǎn)發(fā)生在電源電壓的35%(1/3)左右。任何施密特觸發(fā)器反相器,如4106、4584、74LS14、74LS19等,都可以用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)信號(hào),甚至施密特與非門,如4093、74LS132等。
然而,使用不同的邏輯系列,無(wú)論是CMOS還是TTL(74LSxx、74HLSxx、74HCTxx),將導(dǎo)致不同的上下觸發(fā)點(diǎn),從而導(dǎo)致不同的工作頻率和輸出定時(shí)波形的占空比。通常,不同邏輯子系列的振蕩頻率誤差在高頻時(shí)不是問(wèn)題,但可以在1.2RC到1.5RC之間,施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)波形發(fā)生器的通用公式為:
施密特波形頻率
施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)定時(shí)
其中:Beta(β)可以是1.2到1.5之間的任何固定值,取決于所使用的邏輯門系列。
如果我們用電位器替換固定定時(shí)電阻RT,可以為我們的圣誕燈序列器電路產(chǎn)生可變頻率的方波定時(shí)信號(hào)。顯然,我們不希望當(dāng)電位器完全轉(zhuǎn)向一個(gè)方向時(shí)定時(shí)電阻的值為零,因?yàn)檫@會(huì)短路施密特反相器。因此,為了防止這種情況發(fā)生,需要在電位器上串聯(lián)一個(gè)小值固定電阻,以提供至少一些定時(shí)電阻。
圣誕燈序列器中使用的定時(shí)RC網(wǎng)絡(luò)的組件可以是您手頭的任何值,以產(chǎn)生您選擇的振蕩頻率。以下施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)電路在電位器從最小調(diào)整到最大時(shí),將給出從約10Hz到6kHz的輸出頻率。額外的施密特觸發(fā)器反相器IC1b用作反相緩沖器,以幫助清理定時(shí)波形并提高振蕩器的性能。由于每個(gè)40106B IC有六個(gè)反相器,有足夠的備用。
圣誕燈序列器波形發(fā)生器
燈序列器無(wú)穩(wěn)態(tài)發(fā)生器
好的,現(xiàn)在我們有了一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)無(wú)穩(wěn)態(tài)波形振蕩器電路,我們需要一些燈來(lái)組成我們的新奇圣誕燈序列器電路。這些可以是您手頭的任何類型的燈或燈,從LED到微型白熾燈。如果您愿意,計(jì)數(shù)器的輸出也可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)光耦,進(jìn)而可以用來(lái)開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅或晶閘管以開(kāi)關(guān)主電壓燈。在這個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器教程中,我們將使用LED。
4017B十進(jìn)制計(jì)數(shù)器有十個(gè)完全解碼的輸出,每個(gè)輸出能夠切換高達(dá)20mA。每個(gè)解碼的輸出通常為低電平(邏輯“0”),并依次切換為高電平(邏輯“1”)。這里的優(yōu)點(diǎn)是我們可以使用每個(gè)輸出來(lái)直接驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED,更好的是,由于任何時(shí)候只有一個(gè)LED點(diǎn)亮,所有10個(gè)LED只需要一個(gè)限流電阻,如圖所示。
完整的燈序列器波形發(fā)生器
圣誕燈序列器
1kΩ串聯(lián)電阻的值可以修改以適應(yīng)您選擇的電源電壓的電壓/電流要求。也可以在輸出端串聯(lián)更多的LED,但請(qǐng)記住,通常每個(gè)LED需要約10mA的最小正向電流和2V的電壓才能完全點(diǎn)亮。
如果您有另一種圣誕燈序列器應(yīng)用,需要驅(qū)動(dòng)更多的LED或需要更多的輸出功率,那么解碼的輸出可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管的基極或功率MOSFET器件的柵極,如圖所示。
LED晶體管開(kāi)關(guān)
除了開(kāi)關(guān)燈和LED外,晶體管(無(wú)論是雙極型還是MOSFET)還可以用來(lái)開(kāi)關(guān)電磁繼電器線圈或固態(tài)繼電器的輸入,以增加圣誕燈序列器電路的靈活性。
分頻計(jì)數(shù)器
當(dāng)如圖所示連接時(shí),復(fù)位引腳(引腳15)連接到0伏,4017B約翰遜計(jì)數(shù)器充當(dāng)十分頻計(jì)數(shù)器,每個(gè)輸出在每十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)時(shí)變?yōu)楦唠娖健?/p>
但除了驅(qū)動(dòng)所有十個(gè)LED外,4017B約翰遜計(jì)數(shù)器還可以配置為具有“N”個(gè)解碼輸出的計(jì)數(shù)器,其中“N”可以是2到9之間的任何數(shù)字。
通過(guò)將復(fù)位引腳(引腳15)連接回其中一個(gè)輸出而不是直接接地,計(jì)數(shù)器可以配置為二分頻、四分頻計(jì)數(shù)器等,以順序驅(qū)動(dòng)2、4、8或2到10之間的任何數(shù)量的LED。
例如,如果我們只想順序閃爍四個(gè)LED,我們會(huì)將復(fù)位引腳連接到第五個(gè)輸出(引腳10),每個(gè)LED將在每四個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)閃爍。同樣,如果我們只想閃爍六個(gè)LED,我們會(huì)將復(fù)位引腳連接到第七個(gè)輸出(引腳5),依此類推。
圣誕燈序列器電路
將所有部分組合在一起。完整的圣誕燈序列器電路如下所示,包括施密特?zé)o穩(wěn)態(tài)振蕩器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和LED。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)非常簡(jiǎn)單且便宜的無(wú)穩(wěn)態(tài)振蕩器,但任何振蕩器或555定時(shí)器電路都可以??梢允褂貌煌腞C值組合來(lái)提供您選擇的可變頻率方波定時(shí)信號(hào)。
燈序列器電路
這個(gè)簡(jiǎn)短教程的目的是展示4017約翰遜十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以用來(lái)制作一個(gè)新穎的圣誕燈序列器電路或任何其他類型的順序LED“移動(dòng)點(diǎn)”顯示。根據(jù)您如何物理排列LED(或燈)以及使用的數(shù)量,還可以創(chuàng)建許多不同的閃爍燈效果,不僅限于圣誕節(jié)。
電路的負(fù)載切換能力可以通過(guò)使用雙極晶體管、達(dá)林頓管或MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)更大的LED顯示或通過(guò)繼電器、光耦和固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)主照明,選擇完全取決于您。但最后要考慮的一個(gè)重要安全點(diǎn)是,如果開(kāi)關(guān)和處理主電壓,必須非常小心,別忘了,主電壓會(huì)咬人!!所以請(qǐng)小心。
評(píng)論