크리스마스 조명 시퀀서

크리스마스 조명 시퀀서

크리스마스가 다가오고 있으며 전자 공학 학생이나 취미 생활을 하는 사람들이 집에 크리스마스 회로를 만드는 생각, 특히 조명 몇 개를 깜박이는 회로를 만드는 생각이 다시 떠오르는 때입니다.

시중에는 원하는 수의 조명을 주기적으로, 무작위로 또는 순차적으로 깜박일 수 있는 많은 회로와 키트가 있지만 취미로 하는 사람이나 학생이 다양한 계절 조명 디스플레이에 사용할 수 있는 간단한 크리스마스 조명 시퀀서를 생성하는 데 사용할 수 있는 매우 다재다능한 하나의 IC가 있습니다. CMOS 4017B 존슨 카운터 입니다 .

4017B는 10개의 완전히 디코딩된 출력(총 10개의 개별 광원을 구성)을 갖춘 고속 스위칭 5단계 Johnson 디케이드 카운터입니다. 이 10개의 출력은 클록 펄스의 새로운 양의 에지가 도착할 때마다 한 번에 하나씩 순차적으로 전환됩니다. 한 순간에 하나의 출력만 논리 "1" 또는 "HIGH"에 있고 다른 모든 출력은 논리 "0" 또는 "LOW"에서 지워지므로 이동 시퀀스 또는 체이서 효과를 생성할 수 있으므로 4017은 ​​순차적으로 이상적입니다. 크리스마스 조명 프로젝트를 위한 LED 또는 조명 디스플레이입니다.

4017B는 기본적으로 특정 시퀀스를 생성하기 위해 직렬 출력이 직렬 입력에 다시 연결되는 순환 시프트 레지스터입니다. 4017B Johnson 카운터는 주파수 분할 애플리케이션뿐만 아니라 10진 카운터 또는 십진수 디코드 디스플레이 애플리케이션에도 사용할 수 있습니다.

4017B는 클럭 신호 또는 펄스 적용 시 지정된 상태 시퀀스를 나타내기 때문에 카운터로 분류됩니다. 4017B가 동기 카운터로 사용되므로 모든 내부 플립플롭의 스위칭 동작은 그림과 같이 공통 클록 신호에서 비롯됩니다.

 

4017B 존슨 디케이드 카운터

시퀀서 타이밍 신호

하지만 4017B Johnson 카운터를 크리스마스 조명 시퀀서 회로의 일부로 사용하려면 먼저 타이밍 신호를 생성해야 합니다. NE555와 같은 전용 IC나 트랜지스터나 수정 발진기를 사용하는 개별 비안정 멀티바이브레이터 회로를 사용하여 타이밍 또는 클록 신호를 생성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 목록은 끝이 없습니다. 그러나 최소한의 구성 요소로 구형파 타이밍 신호를 생성하는 매우 간단하고 효과적인 방법 중 하나는 슈미트 트리거 인버터를 사용하는 것입니다.

발명가의 이름을 딴 슈미트 트리거(Schmitt Trigger) 는 인버터 또는 NOT 게이트 형태의 전압 레벨에 민감한 2상태 장치입니다. 가변 구형파 타이밍 신호를 생성하기 위해 슈미트 트리거를 사용할 때의 장점은 상태 간 전환 시 트리거 전압을 "제곱"하여 불규칙한 전환을 방지하는 히스테리시스를 생성 하는 특수 임계값 회로를 사용한다는 것입니다. 이를 통해 "HIGH"와 "LOW" 또는 논리 "0"과 논리 "1" 사이에서 안정적인 전환이 발생하여 크리스마스 조명 시퀀서 프로젝트의 구형파 타이밍 신호로 이상적입니다.

그림과 같이 슈미트 인버터를 고려하십시오. 전위차계 와이퍼의 위치가 다이어그램 하단에 있을 때 슈미트 인버터에 대한 입력 전압은 낮아서 논리 레벨 "0"을 나타내며 논리 게이트의 낮은 입력 임계값 레벨보다 낮습니다. 슈미트 트리거는 인버터이므로 결과 출력은 논리 레벨 "1"에서 높을 것입니다.

전위차계 와이퍼가 +5V 쪽으로 이동하면 Vi 의 전압이 더 높은 임계 입력 또는 더 높은 트립 지점( V HTP ) 과 같거나 높아   슈미트 인버터의 상태가 변경되는 지점이 됩니다. 이제 입력이 논리 레벨 "1"이고 출력이 논리 레벨 "0"인 상황이 있습니다. 그런 다음 슈미트 트리거는 인버터 또는 NOT 게이트 역할을 합니다 .

마찬가지로 전위차계 와이퍼의 위치가 +5V에 있고 0V 쪽으로 낮아지면 Vi 의 전압이 하한 임계 입력 또는 하한 트립 지점(  V LTP  )과 같거나 낮아지는 지점이 되어 슈미트 인버터가 변경됩니다. 다시 한 번 상태.

그런 다음 슈미트 인버터의 상한 및 하한 임계값 트립 지점 사이의 입력 전압 값을 변경하여 출력 상태를 변경할 수 있으며 이것이 슈미트 불안정 발진기 회로의 기본 아이디어입니다. 그림과 같이 전위차계를 RC (Resistor-Capacitor) 회로 로 교체하면 슈미트 인버터를 통해 커패시터를 충전 및 방전할 수 있습니다.

슈미트 불안정 파형 발생기

 

타이밍 커패시터 CT가 완전히 방전되고 슈미트 트리거에 대한 입력이 논리 "0"에 있으므로 출력이 논리 "1"에 있다고 가정하면 커패시터 는 타이밍 저항기 RT 를 통해 기하급수적으로 충전되기 시작합니다. 오른쪽에서 왼쪽으로. 커패시터가 충전되는 속도는 RC 시간 상수에 따라 달라집니다.

어느 시점에서 커패시터 플레이트의 전압은 슈미트 트리거의 더 높은 임계값에 도달하여 출력이 논리 "1"에서 논리 "0"으로 전환됩니다. 슈미트 트리거의 출력이 사실상 0V 전위에 있기 때문에 커패시터는 RC 타이밍 상수 에 의해 결정된 속도로 왼쪽에서 오른쪽으로 타이밍 저항 RT 를 통해 다시 방전되기 시작합니다 .

방전 커패시터 플레이트의 전압이 슈미트 트리거의 하한 임계값에 도달하면 상태가 변경되고 전체 프로세스가 반복됩니다.

일반적으로 더 높은 임계점인 VHTP 는 ​​공급 전압의 약 65%(2/3)에서 발생하는 반면, 낮은 임계점은 공급 전압의 약 35%(1/3)에서 발생합니다. 4106, 4584, 74LS14, 74LS19 등과 같은 모든 슈미트 트리거 인버터를 사용하여 타이밍 신호를 생성하거나 심지어 4093, 74LS132 등과 같은 슈미트 NAND 게이트를 생성할 수 있습니다.

 

그러나 CMOS 또는 TTL(74LSxx, 74HLSxx, 74HCTxx) 등 서로 다른 로직 제품군을 사용하면 상한 및 하한 트립 포인트가 달라져 작동 주파수와 출력 타이밍 파형의 표시 대 공간 비율이 달라집니다. 일반적으로 다양한 로직 하위 제품군에 대한 발진 주파수의 오류는 특히 더 높은 주파수에서는 문제가 되지 않지만 다음과 같이 주어진 슈미트 불안정 파형 발생기에 대한 일반화된 공식을 사용 하면 1.2RC 에서 1.5RC 사이에 있을 수 있습니다.

슈미트 파형 주파수

여기서: 베타(  β  )는 사용된 논리 게이트 계열에 따라 1.2에서 1.5 사이의 고정 값일 수 있습니다.

고정 타이밍 저항 RT를 전위차계 로 교체하면 크리스마스 조명 시퀀서 회로를 위한 가변 주파수 구형파 타이밍 신호가 생성될 수 있습니다. 분명히 우리는 전위차계가 한 방향으로 완전히 회전할 때 타이밍 저항의 값이 0이 되는 것을 원하지 않습니다. 이렇게 하면 슈미트 인버터가 단락될 수 있기 때문입니다. 따라서 이러한 일이 발생하지 않도록 하려면 작은 값의 고정 저항을 전위차계와 직렬로 연결하여 최소한 일부 타이밍 저항을 제공해야 합니다.

크리스마스 조명 시퀀서에 사용되는 타이밍 RC 네트워크의 구성 요소는 원하는 진동 주파수를 생성하는 데 사용할 수 있는 모든 값이 될 수 있습니다. 다음 슈미트 불안정 회로는 전위차계가 최소에서 최대로 조정될 때 약 10Hz ~ 6kHz 범위의 출력 주파수를 제공합니다. 추가적인 슈미트 트리거 인버터 IC1b 는 반전 버퍼로 사용되어 타이밍 파형을 정리하고 발진기의 성능을 향상시킵니다. 40106B IC당 인버터가 6개이기 때문에 여유 공간은 충분하다.

크리스마스 조명 시퀀서 파형 생성기

 

좋아, 이제 우리는 10진 카운터와 불안정한 파형 발진기 회로를 갖게 되었습니다. 이제 참신한 크리스마스 조명 시퀀서 회로를 구성하기 위해 조명이 필요합니다. LED부터 소형 필라멘트 램프까지 사용 가능한 모든 유형의 램프 또는 조명이 될 수 있습니다. 원하는 경우 카운터의 출력을 사용하여 광커플러를 구동할 수도 있으며, 이 광커플러는 주 전압 램프를 전환하기 위해 트라이액 또는 사이리스터를 전환하는 데 사용할 수도 있습니다. 이 간단한 크리스마스 조명 시퀀서 튜토리얼에서는 LED를 사용합니다.

4017B 디케이드 카운터에는 완전히 디코딩된 출력 10개가 있으며 각 출력은 최대 20mA까지 전환할 수 있습니다. 디코딩된 각 출력은 일반적으로 LOW(논리 "0")이고 순차적으로 한 번에 하나씩 HIGH(논리 "1")로 전환됩니다. 여기서의 장점은 각 출력을 사용하여 단일 LED를 직접 구동할 수 있다는 점이며, 더 나은 점은 한 번에 하나의 LED만 켜지므로 그림과 같이 10개 LED 모두에 하나의 전류 제한 저항기만 필요하다는 것입니다.

완전한 조명 시퀀서 파형 발생기

 

1kΩ 시리즈 저항의 값은 선택한 공급 전압의 전압/전류 요구 사항에 맞게 수정될 수 있습니다. 출력에 더 많은 LED를 직렬로 추가하는 것도 가능하지만 일반적으로 각 LED가 완전히 켜지려면 2V에서 약 10mA의 최소 순방향 전류가 필요하다는 점을 기억하십시오.

더 많은 LED를 구동해야 하거나 더 많은 출력 전력이 필요한 다른 유형의 크리스마스 조명 시퀀서 애플리케이션이 있는 경우 디코딩된 출력을 사용하여 그림과 같이 스위칭 트랜지스터의 베이스 또는 전력 MOSFET 장치의 게이트를 구동할 수 있습니다.

램프와 LED만 전환하는 것 외에도 트랜지스터, MOSFET의 바이폴라를 사용하여 전자기 릴레이 코일 또는 솔리드 스테이트 릴레이의 입력을 전환하여 크리스마스 조명 시퀀서 회로의 유연성을 높일 수 있습니다.

N으로 나누기 카운터

그림과 같이 재설정 핀(핀 15)을 0V에 연결하면 4017B Johnson 카운터는 10번째 클럭 신호마다 각 출력이 HIGH가 되는 10분할 카운터 역할을 합니다.

그러나 4017B Johnson 카운터는 10개의 LED를 모두 구동할 뿐만 아니라 "N" 디코딩 출력이 있는 카운터로 구성할 수도 있습니다. 여기서 "N"은 2에서 9 사이의 숫자가 될 수 있습니다.

리셋 핀(핀 15)을 접지에 직접 연결하는 대신 출력 중 하나에 다시 연결하면 카운터를 2, 4, 8 또는 8을 구동하기 위한 2분주, 4분주 카운터 등으로 구성할 수 있습니다. 2에서 10 사이의 LED 수를 순차적으로 표시합니다.

따라서 예를 들어 4개의 LED만 순차적으로 깜박이게 하려면 재설정 핀을 5번째 출력(핀 10)에 연결하고 각 LED는 4번째 클럭 신호가 도착할 때마다 깜박입니다. 마찬가지로 6개의 LED만 깜박이려면 재설정 핀을 7번째 출력(핀 5)에 연결하면 됩니다.

크리스마스 조명 시퀀서 회로

함께 모아서. 아래에는 Schmitt 불안정 발진기, 10진 카운터 및 LED가 포함된 전체 크리스마스 조명 시퀀서 회로가 나와 있습니다. 슈미트 트리거를 사용하면 매우 간단하고 저렴한 불안정한 발진기가 생성되지만 모든 발진기 또는 555 타이머 회로가 가능합니다. 다양한 RC 값 조합을 사용하여 원하는 가변 주파수 구형파 타이밍 신호를 제공할 수 있습니다.

 

이 짧은 튜토리얼의 목적은 4017 Johnson Decade Counter를 사용하여 참신한 크리스마스 조명 시퀀서 회로 또는 해당 문제에 대한 다른 유형의 시퀀싱 LED "이동 도트" 디스플레이를 생성할 수 있음 을 보여주는 것입니다 . LED(또는 램프)를 물리적으로 배열하는 방법과 사용하는 개수에 따라 크리스마스에만 국한되지 않고 다양한 깜박이는 조명 관련 효과를 만드는 것도 가능합니다.

바이폴라 트랜지스터, 달링턴 또는 MOSFET을 사용하여 더 큰 LED 디스플레이를 구동하거나 릴레이, 옵토커플러 및 솔리드 스테이트 릴레이를 통해 주 조명을 구동하여 회로 부하 스위칭 기능을 더욱 확장할 수 있습니다. 선택은 전적으로 사용자에게 달려 있습니다. 그러나 고려해야 할 마지막이자 중요한 안전 사항은 주 전압을 전환하고 사용하는 경우 극도의 주의를 기울여야 한다는 것입니다. 주 전압이 물린다는 점을 잊지 마십시오!! 주의하십시오.