مدار چشمک زن LED

مدار چشمک زن LED، از یک شمارنده ریپل برای خاموش و روشن کردن یک LED یا یک لامپ استفاده می‌کند

دانشجویان رشته الکترونیک یا افراد کنجکاو همواره علاقه‌مند هستند تا مدارات مختلف را برای مصارف خانگی یا پروژه‌‌های مدرسه و دانشگاه بسازند. ساخت مدار چشمک زن در بین این افراد بسیار پرطرفدار است؛ البته کیت‌‌های آماده‌ی زیادی در بازار موجود است که فلشر LED یا چراغ می‌باشد و می‌تواند در یک بازه زمانی مشخص یا نامشخص و تصادفی LED را خاموش یا روشن کند. با وجود این، می‌توانیم مدار فلشر LED را به وسیله یک شمارنده ریپل باینری نیز پیاده‌سازی کنیم.

همان‌طور که در گذشته صحبت شد، شمارنده‌‌های ریپل عمدتا از فلیپ‌فلاپ‌‌های نوع T ساخته شده‌اند و می‌توانند به عنوان تقسیم کننده فرکانسی به منظور تقسیم کردن ورودی کلاک مرجع به کار روند تا یک سیگنال با فرکانس پایین‌تر به وجود بیاید که به درد مدار فلشر ما بخورد. این نوع شمارنده ها ذاتاً غیرسنکرون هستند؛ چرا که تمام فلیپ فلاپ‌ها به طور همزمان با اعمال سیگنال کلاک تغییر وضعیت نمی‌دهند. معمولاً تغییر وضعیت در گوشه‌ی پایین رونده پالس کلاک به وجود می آید.

فلیپ‌فلاپ نوع T پایه ترین بلوک سازنده‌ی تمام شمارنده ها می‌باشد. به شمارنده غیرسنکرون، شمارنده‌ی ریپل اتلاق می‌شود چرا که پالس ورودی کلاک به صورت ریپل در طول شمارنده نمود پیدا می‌کند و می‌توانیم از این پالس برای مدارات ساده فلشر LED بهره ببریم.

شمارنده‌های ریپل توسط چند فلیپ‌فلاپ که به یکدیگر متصل می‌شوند ساخته می‌شوند و تعداد فلیپ‌فلاپ‌ها دفعاتی که سیگنال پالس کلاک ورودی تقسیم می‌شود را مشخص می‌کنند. IC‌‌های ریپل باینری رایج عبارتند از : 74LS93  چهاربیتی (تقسیم بر ۱۶)، CMOS4024 هفت بیتی (تقسیم بر ۱۲۸)، CMOS4040 دوازده بیتی (تقسیم بر ۴۰۹۶) یا CMOS4060 چهارده بیتی (تقسیم بر ۱۶۳۸۴).

فرکانس سیگنال نهایی این شمارنده‌ها ، فرکانس سیگنال ورودی تقسیم بر تعداد فلیپ فلاپ‌ها (n) می‌باشد . به عنوان مثال اگر ۶ فلیپ‌فلاپ داشته باشیم و خروجی نهایی Q6 باشد، (۶۴=۲۶) فرکانس سیگنال نهایی ۱/۶۴ فرکانس سیگنال ورودی است و اگر ۱۲ فلیپ‌فلاپ داشته باشیم (۴۰۹۶=۲۱۲)فرکانس سیگنال خروجی ۱/۴۰۹۶ سیگنال پالس ورودی است.

همان‌طور که دیدیم، شمارنده‌‌های باینری زیادی در دسترس هستند که می‌توانند هر تعداد لامپ یا LED را به صورت دوره ای یا تصادفی یا به ترتیب خاموش و روشن کنند معروف‌ترین IC که از آن برای ساخت فلشر LED استفاده می‌شود CMOSCD404B دوازده بیتی باینری می‌باشد.

تراشه CD40408‌ی شمارنده ریپل باینری ۱۲ بیتی می‌باشد که ۱۲ خروجی دکد شده دارد ( می‌تواند ۱۲ LED مجزا را به ترتیب خاموش و روشن کند) این ۱۲ خروجی به ترتیب و با دریافت پالس کلاک بعدی تغییر وضعیت می‌دهند و یک ترتیب خروجی باینری را همان‌طور که در دیاگرام زمانبندی نشان داده شده ایجاد می‌کنند .

خروجی‌های این تراشه بین منطق یک (بالا) و منطق صفر (پایین) نوسان می‌کنند و به این وسیله می‌توانند یک دنبال‌کننده یا یک سیستم تصادفی را به وجود بیاورند. این شرایط، تراشه CMOS404 را برای استفاده به عنوان یک فلشر LED یا روشن و خاموش کردن صفحه نمایش بسیار مناسب می‌کند .

از آن جایی که تراشه ۴۰۴۰ یک شمارنده‌ی ۱۲ بیتی می‌باشد ، هر کدام از ۱۲ خروجی در یک ترتیب خاص تغییر وضعیت می‌دهند و این شمارنده می‌تواند از ۰ تا ۴۰۹۴ (۲۱۲) تغییر وضعیت داشته باشد. برای درک بهتر به دیاگرام زمانبندی زیر نگاه کنید.

دیاگرام زمانبندی شمارنده‌ی ریپل ۴۰۴۰

۱. دیاگرام زمانبندی شمارنده‌ی ریپل ۴۰۴۰

اما پیش از اینکه بخواهیم از شمارنده ریپل 4040 به عنوان بخشی از مدار فلشر LED مان استفاده کنیم، نیاز داریم تا یک سیگنال زمان‌بندی یا کلاک را به وجود بیاوریم. برای به وجود آوردن سیگنال زمان‌بندی راه‌های زیادی وجود دارد اما راحت‌ترین و موثرترین راه ساختن یک سیگنال پالس منظم با کمترین قطعات، استفاده از تراشه NE555 می‌باشد که یک تایمر تک‌حالته می‌باشد.

در دوره‌ی تناوبی T ( که بستگی به فرکانس سیگنال کلاک ورودی دارد) (T=1/f) اگر به عنوان مثال از قطعه 4040 که دارای ۱۲ بیت (/۴۰۹۶)می‌باشد استفاده کنیم و بخواهیم که ۲LED ثانیه خاموش و ۲ ثانیه روشن باشد (۰/۲۵Hz) فرکانس سیگنال کلاک که به پین ۱۰ اعمال می‌شود باید نزدیک به ۱KHz (۰/۲۵Hz*۴۰۹۶) باشد.

مدار ساده‌ی فلشر LED

2. مدار ساده‌ی فلشر LED

با اتصال LED به خروجی‌‌های مختلف، با سرعت‌‌های مختلفی چشمک خواهد زد. ( فرکانس هر خروجی نصف فرکانس خروجی قبلی خواهد بود) و اینکه تمام پایه‌ها با هم خاموش و روشن نمی‌شوند، این قطعه را برای مدار فلشر LED ما ایده‌آل می‌کند.)

با استفاده از شمارنده تقسیم بر ۲ و با LED هایی که به خروجی این شمارنده متصل شده‌اند، می‌توان حالت‌های گوناگونی را برای چشمک‌زن LED به وجود آورد که وابسته به خروجی‌هایی که LED ها به آن‌ها متصل شده‌اند و نحوه‌ی چیدمان آن‌ها دارد.

خروجی شمارنده ریپل

خروجی‌های Q۱  تا Q۱۲ قابلیت این را دارند که کشنده یا منبع جریان بار باشند و می‌توانند تا ۱۵mA جریان را تحمل کنند که برای راه‌اندازی مستقیم LED ها کفایت می‌کند. قابلیت شمارنده 4040 برای انتقال جریان الکتریکی در هر دو جهت به این معناست که LED ها می‌توانند بین ترمینال خروجی شمارنده و منبع تغذیه نصب شوند تا منبع جریان بار باشند برای درک بهتر به شکل زیر نگاه کنید.

سینک و سورس جریان خروجی‌ها

۳. سینک (کشنده) و سورس(منبع) جریان خروجی‌ها۴. سینک (کشنده) و سورس(منبع) جریان خروجی‌ها

در اولین مدار در شکل بالا LED بین (VCC) و خروجی (Q) متصل شده در این شرایط، جریان از پایه Q8 به سمت شمارنده 4040 جاری می‌شود و LED در حالتی که سطح خروجی پایین است روشن می شود.

در مدار دوم LED بین خروجیQ8 و زمین متصل شده این بدان معناست که جریان از شمارنده‌ی 4040 به سمت خارج حرکت می‌کند و LED هنگامی که سطح خروجی بالاست روش خواهد بود.

توانایی شمارنده ریپل برای کشنده و منبع جریان بودن به این معناست که LED ۲ می‌توانند به یک ترمینال خروجی اتصال پیدا کنند و به این وسیله تعداد LED‌‌های موجود در مدار فلشر افزایش خواهد یافت.به هر حال، تنها یک LED در یک لحظه روشن خواهد شد و این مسأله بسته به وضعیت «بالا» یا «پایین» خروجی دارد.

مدار سمت چپ این مسأله را به خوبی نشان می‌دهد. LED ۲ به صورت متناوب خاموش و روشن می‌شوند همچنین مقاومت‌های سری در صورت نیاز به محدود کردن جریان می‌توانند در مدار قرار بگیرند.

در گذشته گفتیم که ماکزیمم جریان خروجی برای سینک یا سورس جریان بار حداکثر ۱۵mA است و این مقدار جریان برای LED ها یا لامپ‌‌های کوچک مناسب می‌باشد. اما اگر بخواهیم دستگاه‌های توان بالا مانند موتورها، آهنرباهای الکتریکی یا رله ها را روشن و خاموش کنیم، نیاز به استفاده از ترانزیستورها خواهیم داشت تا بتوانیم جریان کافی برای راه‌اندازی این‌گونه بارها را تأمین کنیم.

اتصال ترانزیستور راه‌نداز به شمارنده ریپل

۵. اتصال ترانزیستور راه انداز به شمارنده ریپل

ترانزیستور در دو مثال بالا می‌تواند در صورتی که نیاز به جریان فوق‌العاده زیادی باشد با یک ماسفت قدرت یا ترانزیستور دارلینگتون جایگزین شود. هنگامی که یک بار القایی مانند موتور، رله یا آهنربای الکتریکی قرار است به IC متصل شود، به منظور خنثی کردن نیرو محرکه‌ی القایی تولید شده توسط اینگونه بارها می‌توان از دیود هرزگرد استفاده کرد.

همچنین می‌توان تعداد LEDهای متصل به خروجی را افزایش داد اما باید به یاد داشته باشید که به طور کلی هر LED نیاز به جریان ۱۵ تا ۲۰ میلی آمپر با اختلاف پتانسیل ۱/۲V خواهد داشت تا بتواند به طور کامل روشن شود بنابراین هنگام اتصال مدار به باتری یا منبع تغذیه این نکته را در نظر داشته باشید.

یکی از مزایای استفاده از IC 4040 این است که خودش می‌تواند مقدار جریان ماکزیمم یا مینیمم را محدود کند؛ بنابراین LED می‌تواند به صورت مستقیم بدون نیاز به هیچ مقاومت سری به پایه‌ی خروجی متصل شود.

در گذشته دیدیم که می‌توانیم یک مدار فلشر ساده LED را تنها با استفاده از چند المان تولید کنیم. می‌توانیم از یک تایمر NE555 برای ساخت سیگنال کلاک و یک CMOS4040 غیرسنکرون ۱۲ بیتی برای خاموش و روشن کردن LEDها استفاده کنیم. ساده‌ترین مدار فلشر LED می‌تواند به وسیله‌ی چند فلیپ‌فلاپ نوع T به وجود بیاید.

شمارنده‌های ریپل چند بیتی می‌توانند به یکدیگر اتصال پیدا کنند تا شمارنده‌های ریپل بزرگتری را به وجود بیاورند و طوری تنظیم شوند که پس از رسیدن به یک مقدار باینری ریست شوند قطعه‌ی 4060B یک شمارنده ریپل باینری ۱۴ بیتی می‌باشد که دارای یک اسیلاتور داخلی است و تنها با اضافه کردن یک خازن و ۲ مقاومت یک مدار فلشر LED خیلی ساده می‌تواند بدون نیاز به قطعه NE555 درست شود.