انواع مدار چراغ چشمک زن

مدارها و کیت‌های زیادی در بازار وجود دارند که با استفاده از آن‌ها هر تعداد چراغ می‌توانند به صورت دوره‌ای، تصادفی یا متوالی چشمک بزنند

یک آی­سی همه‌­کاره که علاقه‌­مندان یا دانش‌­آموزان می­‌توانند از آن برای تولید یک ترتیب ­دهنده چندین چراغ ( مثل چراغ‌های کریسمس)  ساده برای استفاده در انواع نمایشگرهای مختلف نورپردازی فصلی استفاده کنند، شمارنده جانسون CMOS 4017B است.

4017B یک شمارنده ده‌­تایی جانسون 5 مرحله‌ای است که دارای 10 خروجی کاملاً رمزگشایی شده (decoded) است (در مجموع 10 منبع نور جداگانه را می‌سازد). این ده خروجی به صورت متوالی یکی یکی با رسیدن هر لبه مثبت جدید پالس ساعت (clock) تغییر می­‌کنند. تنها یک خروجی در هر لحظه در سطح منطقی “1” یا “high” است در حالی که همه خروجی­‌های دیگر در سطح منطقی “0” یا “low” هستند، بنابراین می‌­تواند یک دنباله متحرک یا تعقیب ­کننده ایجاد کند و 4017 را تبدیل به یک ترتیب­ دهنده ایده‌­آل LED یا نمایشگر روشنایی برای پروژه چراغ­‌های کریسمس کند.

4017B اساساً یک شیفت رجیستر (shift register) چرخشی است که در آن خروجی‌های سریالی آن به ورودی­‌های سریالی آن وصل می­‌شوند تا یک دنباله خاص تولید کنند. شمارنده جانسون 4017B همچنین می‌تواند در کاربرد‌های تقسیم فرکانس (frequency division) و همچنین کاربردهای نمایش شمارنده ده­‌تایی یا رمزگشایی اعشاری استفاده شود.

4017B به عنوان شمارنده طبقه‌­بندی می­‌شود؛ زیرا با اعمال سیگنال ساعت یا پالس، توالی مشخصی از حالت­‌ها را نشان می­‌دهد. از آنجایی که 4017B به عنوان یک شمارنده سنکرون استفاده می­‌شود، عملکرد سوئیچینگ همه فلیپ فلاپ­‌های داخلی از سیگنال ساعت مشترک می باشد که در زیر نشان داده شده است.

شمارنده ده‌تایی جانسون 4017B

سیگنال زمان‌بندی ترتیب‌دهنده

اما قبل از اینکه بتوانیم از شمارنده جانسون 4017B به عنوان بخشی از مدار ترتیب‌دهنده چراغ‌های کریسمس استفاده کنیم، باید یک سیگنال زمان‌بندی تولید کنیم. راه‌های مختلفی برای تولید سیگنال زمان‌بندی یا ساعت با استفاده از آی‌سی­‌های اختصاصی مانند NE555 یا مدارهای مولتی ویبراتور ناپایدار گسسته با استفاده از ترانزیستورها یا اسیلاتورهای کریستالی وجود دارد. لیست بی پایان است. اما یک راه بسیار ساده و موثر برای تولید سیگنال زمان­بندی موج مربعی با حداقل اجزا، استفاده از معکوس­‌کننده اشمیت تریگر (Schmitt trigger inverter) است.

 اشمیت تریگر که به نام مخترع آن نامگذاری شده است، یک دستگاه دو حالته حساس به سطح ولتاژ به شکل یک معکوس­‌کننده یا گیت NOT است. مزیت استفاده از اشمیت تریگر برای تولید سیگنال زمان‌بندی موج مربعی متغیر این است که از یک مدار آستانه خاص استفاده می‌کند که هیسترزیس (hysteresis) ایجاد کرده و با “مربع کردن” ولتاژ راه‌­اندازی هنگام سوئیچ بین حالت‌ها، از سوئیچینگ نامنظم جلوگیری می‌کند. این عمل اجازه می­‌دهد تا سوئیچ قابل اعتماد بین “زیاد” و “کم” یا منطق “0” و منطق “1” رخ دهد و آن را به عنوان سیگنال زمان‌­بندی موج مربعی برای پروژه ترتیب‌سنج چراغ­های کریسمس، ایده‌­آل می­‌کند.

معکوس‌­کننده اشمیت را مطابق شکل در نظر بگیرید. هنگامی که موقعیت درجه پتانسیومتر در پایین نمودار است، ولتاژ ورودی به اینورتر اشمیت کم است که سطح منطقی “۰” را نشان می‌­دهد و زیر سطح آستانه ورودی پایین گیت منطقی است. از آنجایی که اشمیت تریگر یک معکوس­ کننده است، خروجی حاصل در سطح منطقی “۱” خواهد بود.

همانطور که درجه پتانسیومتر به سمت 5+ ولت حرکت می­‌کند، نقطه­‌ای وجود دارد که ولتاژ در Vi برابر یا بالاتر از ورودی آستانه بالاتر یا نقطه تریپ (trip point) بالاتر (VHTP) است که باعث تغییر حالت معکوس­ کننده اشمیت می‌­شود. اکنون وضعیتی وجود دارد که ورودی در سطح منطقی “1” و خروجی در سطح منطقی “0” است. بنابراین اشمیت تریگر به عنوان یک معکوس­ کننده یا گیت NOT عمل می­‌کند.

به همین ترتیب، اگر موقعیت درجه پتانسیومتر روی 5+ ولت باشد و به سمت 0 ولت پایین بیاید، نقطه‌ای وجود دارد که ولتاژ در Vi برابر یا کمتر از ورودی آستانه پایین یا نقطه تریپ پایین (VLTP) می­‌شود که یک بار دیگر باعث تغییر حالت معکوس ­کننده اشمیت می­‌شود.

بنابراین با تغییر مقدار ولتاژ در ورودی اینورتر اشمیت بین نقاط تریپ آستانه بالایی و پایینی آن، می‌توانیم خروجی را تغییر حالت دهیم و این ایده اصلی پشت مدار نوسان‌ساز یا اسیلاتور ناپایدار اشمیت است. با تعویض پتانسیومتر با مدار RC (مقاومت-خازن) همانطور که در شکل نشان داده شده است، می­‌توانیم خازن را از طریق معکوس­‌کننده اشمیت شارژ و دشارژ کنیم.

مولد شکل موج ناپایدار اشمیت

با فرض اینکه خازن زمان­بندی، CT به طور کامل تخلیه شده است و ورودی به اشمیت تریگر در سطح منطقی “0” است، بنابراین خروجی آن در سطح منطقی “1” بوده، خازن به طور نمایی از طریق مقاومت زمان­بندی، RT از سمت راست به سمت چپ شروع به شارژ شدن می­‌کند. سرعت شارژ خازن به ثابت زمانی RC آن­ بستگی دارد.

در برخی موارد، ولتاژ در صفحات خازن به مقدار آستانه بالاتر اشمیت تریگر می‌­رسد و باعث می­‌شود خروجی از سطح منطقی “1” به سطح منطقی “0” تغییر کند. از آنجایی که خروجی راه­ انداز اشمیت به طور موثر در پتانسیل 0 ولت است، خازن شروع به تخلیه مجدد از طریق مقاومت زمان­بندی، RT از چپ به راست با سرعتی که توسط ثابت زمان­بندی RC آن­ تعیین می­‌شود، می‌­کند.

هنگامی که ولتاژ در صفحات خازن تخلیه به مقدار آستانه پایین­‌تر اشمیت تریگر می‌رسد، باعث تغییر حالت آن و تکرار کل فرآیند می‌­شود.

به طور کلی، نقطه آستانه بالاتر، VHTP معمولاً در حدود 65٪ (2/3rds) ولتاژ تغذیه رخ می­دهد در حالی که نقطه آستانه پایین حدود 35٪ (1/3rd) ولتاژ تغذیه رخ می‌­دهد. هر معکوس­ کننده راه ­انداز اشمیت مانند 4106، 4584، 74LS14، 74LS19، و غیره را می­‌توان برای تولید سیگنال زمان‌­بندی یا حتی گیت­ های NAND اشمیت مانند 4093، 74LS132 استفاده کرد.

با این حال، استفاده از خانواده‌های منطقی مختلف، چه CMOS یا TTL (74LSxx, 74HLSxx, 74HCTxx) منجر به نقاط تریپ بالا و پایین متفاوت می‌شود که در نتیجه فرکانس‌های عملیاتی و نسبت‌های علامت به فاصله شکل موج زمان‌بندی خروجی متفاوت است. به طور کلی، خطا در فرکانس نوسان برای زیر خانواده­‌های منطقی مختلف مشکلی نیست، به خصوص در فرکانس های بالاتر، اما می­‌تواند از 1.2RC تا 1.5RC با فرمول تعمیم یافته برای یک مولد شکل موج ناپایدار اشمیت به شرح زیر، باشد:

فرکانس شکل موج اشمیت

جایی که: بتا (β) می­‌تواند هر مقدار ثابتی بین ۱.۲ و ۱.۵ بسته به خانواده گیت منطقی استفاده شده، باشد.

اگر مقاومت زمان‌بندی ثابت، RT را با یک پتانسیومتر جایگزین کنیم، می‌توان یک سیگنال زمان‌بندی موج مربعی فرکانس متغیر برای مدار ترتیب‌دهنده چراغ‌های کریسمس تولید کرد. بدیهی است که وقتی پتانسیومتر به طور کامل در یک جهت چرخانده می‌شود، نمی‌خواهیم مقدار مقاومت زمان­بندی برابر با صفر باشد زیرا این کار باعث اتصال کوتاه شدن معکوس­ کننده اشمیت می‌شود. بنابراین برای جلوگیری از این اتفاق، یک مقاومت ثابت با مقدار کم باید به صورت سری به پتانسیومتر متصل شود تا حداقل مقداری مقاومت زمان ­بندی ایجاد شود.

اجزای شبکه RC زمان­بندی مورد استفاده در ترتیب­دهنده چراغ­‌های کریسمس می­‌تواند هر مقداری باشد که برای تولید فرکانس نوسانی انتخابی شما در دسترس دارید. مدار ناپایدار اشمیت زیر، فرکانس خروجی از حدود 10 هرتز تا 6 کیلوهرتز را هنگامی که پتانسیومتر از حداقل به حداکثر تنظیم می­‌شود، ارائه می­‌دهد. یک معکوس‌­کننده اشمیت تریگر اضافی IC1b به عنوان یک بافر معکوس‌­کننده برای کمک به اصلاح شکل موج زمان­بندی و بهبود عملکرد نوسانگر استفاده می­‌شود. از آنجایی که در هر آی­سی 40106B معکوس­ کننده وجود دارد، یدک کافی نیز وجود دارد.

مولد شکل موج ترتیب دهنده چند چراغ

اکنون ما یک شمارنده ده ­تایی و یک مدار نوسانگر شکل موج آستابل داریم، حالا به چند چراغ برای ساخت مدار جدید ترتیب‌­دهنده چراغ­‌های کریسمس نیاز داریم. این چراغ­‌ها می­‌توانند هر نوع لامپ یا چراغی از LED گرفته تا لامپ‌­های رشته‌ای مینیاتوری در دسترس، باشند. اگر مایل بودید، خروجی شمارنده می­‌تواند برای راه‌اندازی اپتوکوپلر نیز استفاده شود که به نوبه خود می‌­تواند برای سوئیچ ترایاک یا تریستور برای سوئیچینگ لامپ­ های ولتاژ برق شهری استفاده شود. برای این آموزش ساده ترتیب­ دهنده چراغ­های کریسمس، از LED استفاده می­‌کنیم.

شمارنده ده­تایی 4017B دارای 10 خروجی کاملاً رمزگشایی شده است که هر کدام می‌توانند تا 20 میلی‌­آمپر سوئیچ شوند. هر یک از خروجی­‌های رمزگشایی شده معمولاً کم هستند (منطق “0”) و زیاد (منطق “1”) را یکی یکی به ترتیب سوئیچ می­‌کنند. مزیت در اینجا این است که می‌توانیم از هر خروجی برای راه‌اندازی مستقیم یک LED استفاده کنیم و بهتر است زیرا در هر زمان فقط یک LED روشن می‌شود. همانطور که نشان داده شده است فقط یک مقاومت محدودکننده جریان برای هر 10 LED مورد نیاز است.

مدار کامل مولد شکل موج چراغ

مقدار مقاومت سری 1kΩ را می­‌توان برای مطابقت با نیازهای ولتاژ/جریان ولتاژ تغذیه انتخابی شما تغییر داد. همچنین می‌توان LED‌های بیشتری را به صورت سری به خروجی اضافه کرد، اما به یاد داشته باشید که معمولاً هر LED برای روشن شدن کامل به حداقل جریان مستقیم حدود 10 میلی آمپر در 2 ولت نیاز دارد.

اگر نوع دیگری از برنامه ترتیب‌دهنده چراغ‌های کریسمس دارید که باید LEDهای بیشتری را هدایت کنید یا به توان خروجی بیشتری نیاز دارید، می‌توانید از خروجی رمزگشایی شده برای راه‌اندازی بیس یک ترانزیستور سوئیچینگ یا گیت یک دستگاه ماسفت توان استفاده کنید.

علاوه بر تعویض لامپ‌­ها و LED ها، ترانزیستور، چه دوقطبی یا ماسفت، می­‌تواند برای تعویض سیم‌­پیچ­‌های رله الکترومغناطیسی یا ورودی ­های رله­‌های حالت جامد برای افزایش انعطاف­‌پذیری مدار ترتیب‌­دهنده چراغ­های کریسمس استفاده شود.

شمارنده تقسیم بر N

همانطور که نشان داده شده است، هنگامی که پین تنظیم مجدد (پایه 15) به 0 ولت متصل شود، شمارنده جانسون 4017B به عنوان یک شمارنده تقسیم بر ده عمل می‌­کند و خروجی در هر ده سیگنال ساعت در حالت زیاد قرار می­‌گیرد.

اما علاوه بر هدایت هر ده LED، شمارنده جانسون 4017B همچنین می‌­تواند به عنوان شمارنده­‌ای با خروجی­‌های رمزگشایی شده “N” پیکربندی شود، که در آن “N” می­‌تواند هر عددی بین 2 تا 9 باشد.

با اتصال پین تنظیم مجدد (پایه 15) به یکی از خروجی‌­ها به جای زمین، شمارنده را می‌­توان به عنوان یک شمارنده تقسیم بر 2، تقسیم بر 4 و غیره پیکربندی کرد تا 2، 4، 8 یا هر تعداد LED به ترتیب بین 2 تا 10 را راه‌­اندازی کند.

بنابراین به عنوان مثال، اگر بخواهیم فقط چهار LED را به صورت متوالی فلش بزنیم، پایه تنظیم مجدد را به خروجی پنجم (پایه 10) وصل می­کنیم و هر LED با رسیدن چهارمین سیگنال ساعت چشمک می­زند. به همین ترتیب، اگر بخواهیم فقط 6 LED را فلش بزنیم، پایه تنظیم مجدد را به خروجی هفتم (پین 5) وصل می­‌کنیم.

مدار چشمک زن چراغ های کریسمس

همه موارد را حالا کنار هم می­‌گذاریم. مدار کامل ترتیب‌دهنده چراغ‌های کریسمس با اسیلاتور ناپایدار اشمیت، شمارنده ده­تایی و LED در زیر نشان داده شده است. استفاده از راه‌­انداز­های اشمیت، یک اسیلاتور بسیار ساده و ارزان قیمت را تولید می­‌کند، اما هر نوسانگر یا مدار تایمر 555 این کار را انجام می‌­دهد. ترکیبات مختلف مقادیر RC را می‌­توان برای ارائه سیگنال زمان­بندی موج مربعی فرکانس متغیر به انتخاب شما، استفاده کرد.

هدف از این آموزش کوتاه، نشان دادن این بود که یک شمارنده ده­تایی جانسون 4017 می‌تواند برای تولید مدار ترتیب‌دهنده چراغ‌های کریسمس جدید یا هر نوع نمایشگر LED ترتیب‌دهی «نقطه متحرک» (moving dot) استفاده شود. همچنین بسته به نحوه چیدمان فیزیکی LED ها (یا لامپ ­ها) و تعداد استفاده شده، می‌­توان تعدادی افکت مختلف مرتبط با نور چشمک‌­زن را نه فقط برای کریسمس، ایجاد کرد.

قابلیت سوئیچینگ بار مدارها را می­‌توان با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی، دارلینگتون­‌ها یا ماسفت­‌ها برای هدایت نمایشگرهای LED بزرگتر یا روشنایی شبکه از طریق رله­‌ها، اپتوکوپلرها و رله­‌های حالت جامد بیشتر گسترش داد، انتخاب کاملاً با شماست. اما یک نکته ایمنی نهایی و مهمی که باید در نظر گرفت این است که در صورت سوئیچینگ و کار با ولتاژ برق شهری باید نهایت دقت را به خرج داد، فراموش نکنید ولتاژ برق شهری خطرناک است پس لطفا مراقب باشید.