Secuenciador LED

PIEZAS Y MATERIALES

• Contador / divisor de décadas 4017 (catálogo de Radio Shack n. ° 276-2417)
• Temporizador 555 IC (catálogo de Radio Shack n. ° 276-1723)
• LED de gráfico de barras de diez segmentos (catálogo de Radio Shack n. ° 276-081)
• Un interruptor SPST
• Una batería de 6 voltios
• Resistencia de 10 kΩ
• Resistencia de 1 MΩ
• Condensador de 0,1 µF (catálogo de Radio Shack n. ° 272-135 o equivalente)
• Condensador de acoplamiento, 0.047 a 0.001 µF
• Diez resistencias de 470 Ω
• Detector de audio con auriculares

¡Precaución! El 4017 IC es CMOS y, por lo tanto, es sensible a la electricidad estática.

Cualquier interruptor unipolar de un solo tiro es adecuado. Un interruptor de luz doméstico funcionará bien y está disponible en cualquier ferretería.

El detector de audio se utilizará para evaluar la frecuencia de la señal. Si tiene acceso a un osciloscopio, el detector de audio no es necesario.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 3:"Puertas lógicas"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 4:"Interruptores"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 11:"Contadores"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Uso de un circuito temporizador 555 para producir pulsos de "reloj" ( astable multivibrador)
• Uso de un circuito contador / divisor de 4017 décadas para producir una secuencia de pulsos
• Uso de un circuito contador / divisor de 4017 décadas para la división de frecuencia
• Usar un divisor de frecuencia y un reloj (reloj) para medir la frecuencia
• Propósito de una resistencia "desplegable"
• Conozca los efectos del "rebote" del contacto del interruptor en los circuitos digitales
• Uso de un circuito temporizador 555 para "eliminar el rebote" de un interruptor mecánico ( monoestable multivibrador)

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

El circuito integrado modelo 4017 es un contador CMOS con diez terminales de salida. Uno de estos diez terminales estará en un estado "alto" en un momento dado, y todos los demás serán "bajos", lo que dará una secuencia de salida de "uno de diez". Si se aplican pulsos de voltaje bajo a alto al terminal de "reloj" (Clk) del 4017, aumentará su conteo, forzando la siguiente salida a un estado "alto".

Con un temporizador 555 conectado como un multivibrador astable (oscilador) de baja frecuencia, el 4017 recorrerá su secuencia de diez conteos, iluminando cada LED, uno a la vez, y “reciclando” de nuevo al primer LED. El resultado es una secuencia visualmente agradable de luces intermitentes. No dude en experimentar con valores de resistencia y condensador en el temporizador 555 para crear diferentes velocidades de destello.

Intente desconectar el cable de puente que va desde el terminal "Reloj" del 4017 (pin # 14) al terminal de "Salida" del 555 (pin # 3) donde se conecta al chip del temporizador 555, y sostenga su extremo en su mano. Si hay suficiente "ruido" en la línea de alimentación de 60 Hz a su alrededor, el 4017 lo detectará como una señal de reloj rápida, lo que hará que los LED parpadeen muy rápidamente.

Dos terminales en el chip 4017, "Reset" y "Clock Enable", se mantienen en un estado "bajo" mediante una conexión al lado negativo de la batería (tierra). Esto es necesario para que la ficha cuente libremente. Si el terminal "Reset" se pone en "alto", la salida del 4017 se restablecerá de nuevo a 0 (pin n. ° 3 "alto", todos los demás pines de salida "bajos"). Si el "Clock Enable" se pone "alto", el chip dejará de responder a la señal del reloj y se detendrá en su secuencia de conteo.

Si el terminal "Reset" del 4017 está conectado a uno de sus diez terminales de salida, su secuencia de conteo será cortada o truncada . Puede experimentar con esto desconectando el terminal "Reset" de la tierra, luego conectando un cable de puente largo al terminal "Reset" para una fácil conexión a las salidas en el gráfico de barras LED de diez segmentos. Observe cuántos (o cuántos) LED se encienden con el "Reset" conectado a cualquiera de las salidas:

Los contadores como el 4017 se pueden usar como divisores de frecuencia digitales, para tomar una señal de reloj y producir un pulso que ocurra en algún factor entero de la frecuencia del reloj. Por ejemplo, si la señal del reloj del temporizador 555 es de 200 Hz, y el 4017 está configurado para una secuencia de conteo completo (el terminal "Reset" conectado a tierra, dando un conteo completo de diez pasos), una señal con un habrá un período diez veces mayor (20 Hz) en cualquiera de los terminales de salida del 4017. En otras palabras, cada terminal de salida realizará un ciclo una vez por cada diez ciclos de la señal del reloj:una frecuencia diez veces más lenta.

Para experimentar con este principio, conecte su detector de audio entre la salida 0 (pin # 3) del 4017 y tierra, a través de un capacitor muy pequeño (0.047 µF a 0.001 µF). El condensador se utiliza para "acoplar" señales de CA únicamente, para que pueda detectar pulsos de forma audible sin colocar una carga de CC (resistiva) en la salida del chip contador.

Con el terminal 4017 "Reset" conectado a tierra, tendrá una secuencia de conteo completo y escuchará un "clic" en los auriculares cada vez que se encienda el LED "0", correspondiente a 1/10 de la frecuencia de salida real del 555 :

De hecho, conocer esta relación matemática entre los clics que se escuchan en los auriculares y la frecuencia del reloj nos permite medir la frecuencia del reloj con bastante precisión. Con un cronómetro u otro reloj, cuente la cantidad de clics que se escuchan en un minuto completo mientras está conectado a la salida "0" del 4017. Utilizando una resistencia de 1 MΩ y un condensador de 0,1 µF en el circuito de temporización del 555, y un voltaje de la fuente de alimentación de 13 voltios (en lugar de 6), conté 79 clics en un minuto desde mi circuito.

Su circuito puede producir resultados ligeramente diferentes. Multiplique el número de pulsos contados en la salida "0" por 10 para obtener el número de ciclos producidos por el temporizador 555 durante ese mismo tiempo (mi circuito:79 x 10 =790 ciclos). Divida este número por 60 para obtener el número de ciclos de temporizador transcurridos en cada segundo (mi circuito:790/60 =13,17). Esta cifra final es la frecuencia del reloj en Hz.

Ahora, dejando una sonda de prueba del detector de audio conectada a tierra, tome la otra sonda de prueba (la que tiene el condensador de acoplamiento conectado en serie) y conéctela al pin # 3 del temporizador 555. El zumbido que escuchas es la frecuencia de reloj indivisa:

Al conectar el terminal "Reset" del 4017 a uno de los terminales de salida, resultará una secuencia truncada. Si usamos el 4017 como divisor de frecuencia, esto significa que la frecuencia de salida será un factor diferente de la frecuencia del reloj:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 o 1/2, dependiendo de la terminal de salida a la que conectemos el cable de puente "Reset".

Vuelva a conectar la sonda de prueba del detector de audio a la salida "0" del 4017 (pin # 3), y conecte el puente del terminal "Reset" al sexto LED de la izquierda en el gráfico de barras. Esto debería producir una relación de división de frecuencia de 1/5:

Volviendo a contar el número de clics que se escuchan en un minuto, debe obtener un número aproximadamente dos veces mayor que el que se contó con el 4017 configurado para una proporción de 1/10, porque 1/5 es una proporción dos veces mayor que 1/10.

Si no obtiene un conteo que sea exactamente el doble de lo que obtuvo antes, es debido a un error inherente al método de conteo de ciclos:coordinar su sentido del oído con la pantalla de un cronómetro u otro dispositivo de cronometraje.

Intente reemplazar la resistencia de temporización de 1 MΩ en el circuito 555 por una de valor mucho menor, como 10 kΩ. Esto aumentará la frecuencia del reloj que impulsa el chip 4017. Utilice el detector de audio para escuchar la frecuencia dividida en el pin # 3 del 4017, notando los diferentes tonos que se producen al mover el cable de puente "Reset" a diferentes salidas, creando diferentes relaciones de división de frecuencia.

Vea si puede producir octavas dividiendo la frecuencia original por 2, luego por 4 y luego por 8 (cada octava descendente representa la mitad de la frecuencia anterior). Las octavas se distinguen fácilmente de otras frecuencias divididas por sus tonos similares al tono original.

Una última lección que se puede aprender de este circuito es la del "rebote" del contacto del interruptor. Para esto, necesitará un interruptor para proporcionar señales de reloj al chip 4017, en lugar del temporizador 555. Vuelva a conectar el cable de puente "Reset" a tierra para permitir una secuencia de conteo completa de diez pasos y desconecte la salida del 555 del terminal de entrada "Clock" del 4017.

Conecte un interruptor en serie con un pulldown de 10 kΩ resistor y conecte este conjunto a la entrada "Reloj" 4017 como se muestra:

El propósito de una resistencia "pulldown" es proporcionar un estado lógico "bajo" definido cuando se abre el contacto del interruptor. Sin esta resistencia en su lugar, el cable de entrada "Reloj" del 4017 estaría flotante cada vez que se abre el contacto del interruptor, dejándolo susceptible a la interferencia de voltajes estáticos parásitos o "ruido" eléctrico, ya sea uno capaz de hacer que el 4017 cuente al azar.

Con la resistencia pulldown en su lugar, la entrada "Reloj" del 4017 tendrá una conexión a tierra definida, aunque resistiva, proporcionando un estado lógico "bajo" estable que excluye cualquier interferencia de electricidad estática o "ruido" acoplado al cableado del circuito de CA cercano. .

Accione el interruptor de encendido y apagado, observando la acción de los LED. Con cada transición de interruptor de apagado a encendido, el 4017 debe incrementarse una vez en su recuento. Sin embargo, puede notar un comportamiento extraño:a veces, la secuencia de LED "saltará" uno o incluso varios pasos con el cierre de un solo interruptor.

¿Por qué es esto? Se debe a un “rebote” mecánico muy rápido de los contactos del interruptor. Cuando dos contactos metálicos se juntan rápidamente, como sucede dentro de la mayoría de los interruptores, habrá una colisión elástica. Esta colisión hace que los contactos se hagan y se rompan muy rápidamente a medida que "rebotan" entre sí.

Normalmente, este "rebote" es demasiado rápido para que pueda ver sus efectos, pero en un circuito digital como este, donde el chip contador es capaz de responder a pulsos de reloj muy rápidos, estos "rebotes" se interpretan como señales de reloj distintas, y el recuento se incrementó en consecuencia.

Una forma de combatir este problema es utilizar un circuito de temporización para producir un solo pulso para cualquier número de señales de pulso de entrada recibidas dentro de un corto período de tiempo. El circuito se llama multivibrador monoestable , y cualquier técnica que elimine los pulsos falsos causados ​​por el "rebote" del contacto del interruptor se denomina debouncing .

El circuito del temporizador 555 es capaz de funcionar como un antirrebote, si la entrada "Trigger" está conectada al interruptor como tal:

Tenga en cuenta que, dado que estamos usando el 555 una vez más para proporcionar una señal de reloj al 4017, debemos volver a conectar el pin n. ° 3 del chip 555 al pin n. ° 14 del chip 4017. Además, si ha alterado los valores de la resistencia o el condensador en el circuito del temporizador 555, debe volver a los componentes originales de 1 MΩ y 0,1 µF.

Accione el interruptor nuevamente y observe el comportamiento de conteo del 4017. No debería haber más conteos "saltados" como antes porque el temporizador 555 emite un pulso único y nítido por cada encendido-apagado activación (¡observe la inversión de operación aquí!) del interruptor.

Es importante que el tiempo del circuito 555 sea apropiado:el tiempo para cargar el capacitor debe ser más largo que el período de "asentamiento" del interruptor (el tiempo requerido para que los contactos dejen de rebotar), pero no tanto como para que el temporizador "perdería" una secuencia rápida de activación del interruptor, si ocurrieran.