Sequenciador de LED

PEÇAS E MATERIAIS

• Contador / divisor de 4017 décadas (catálogo Radio Shack # 276-2417)
• 555 IC temporizador (catálogo Radio Shack # 276-1723)
• LED de gráfico de barras de dez segmentos (catálogo Radio Shack # 276-081)
• Um switch SPST
• Uma bateria de 6 volts
• resistor de 10 kΩ
• 1 resistor MΩ
• Capacitor de 0,1 µF (catálogo Radio Shack nº 272-135 ou equivalente)
• Capacitor de acoplamento, 0,047 a 0,001 µF
• Dez resistores de 470 Ω
• Detector de áudio com fones de ouvido

Cuidado! O 4017 IC é CMOS e, portanto, sensível à eletricidade estática!

Qualquer interruptor de pólo único e de movimento único é adequado. Um interruptor de luz doméstico funcionará bem e está prontamente disponível em qualquer loja de ferragens.

O detector de áudio será usado para avaliar a frequência do sinal. Se você tiver acesso a um osciloscópio, o detector de áudio é desnecessário.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 4, capítulo 3:"Portões lógicos"

Aulas de circuitos elétricos , Volume 4, capítulo 4:“Switches”

Aulas de circuitos elétricos , Volume 4, capítulo 11:“Contadores”



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Uso de um circuito de temporizador 555 para produzir pulsos de “relógio” ( astável multivibrador)
• Uso de um circuito contador / divisor de 4017 décadas para produzir uma sequência de pulsos
• Uso de um circuito contador / divisor de 4017 décadas para divisão de frequência
• Usando um divisor de frequência e relógio (relógio) para medir a frequência
• Objetivo de um resistor “suspenso”
• Aprenda os efeitos do “salto” do contato do interruptor em circuitos digitais
• Uso de um circuito de temporizador 555 para "eliminar" um interruptor mecânico ( monoestável multivibrador)

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

O circuito integrado modelo 4017 é um contador CMOS com dez terminais de saída. Um desses dez terminais estará em um estado “alto” a qualquer momento, com todos os outros sendo “baixo”, dando uma sequência de saída “um em dez”. Se pulsos de baixa para alta tensão forem aplicados ao terminal “clock” (Clk) do 4017, ele aumentará sua contagem, forçando a próxima saída a um estado “alto”.

Com um temporizador 555 conectado como um multivibrador astável (oscilador) de baixa frequência, o 4017 percorrerá sua sequência de dez contagens, acendendo cada LED, um de cada vez, e "reciclando" de volta para o primeiro LED. O resultado é uma sequência visualmente agradável de luzes piscando. Sinta-se à vontade para experimentar os valores do resistor e do capacitor no temporizador 555 para criar diferentes taxas de flash.

Tente desconectar o fio de jumper que vai do terminal "Clock" do 4017 (pino # 14) ao terminal "Saída" do 555 (pino # 3) onde se conecta ao chip do temporizador 555 e segure sua extremidade em sua mão. Se houver "ruído" suficiente na linha de energia de 60 Hz ao seu redor, o 4017 o detectará como um sinal de clock rápido, fazendo com que os LEDs pisquem muito rapidamente.

Dois terminais no chip 4017, “Reset” e “Clock Enable,” são mantidos em um estado “baixo” por meio de uma conexão com o lado negativo da bateria (terra). Isso é necessário para que o chip conte livremente. Se o terminal "Reset" for definido como "alto", a saída do 4017 será redefinida de volta para 0 (pino # 3 "alto", todos os outros pinos de saída "baixo"). Se “Habilitar Relógio” for definido como “alto”, o chip irá parar de responder ao sinal do relógio e pausar em sua sequência de contagem.

Se o terminal "Reset" do 4017 estiver conectado a um de seus dez terminais de saída, sua sequência de contagem será interrompida ou truncada . Você pode experimentar isso desconectando o terminal “Reset” do solo e, em seguida, conectando um longo fio de jumper ao terminal “Reset” para facilitar a conexão às saídas no gráfico de barras de LED de dez segmentos. Observe quantos (ou poucos) LEDs acendem com o "Reset" conectado a qualquer uma das saídas:







Contadores como o 4017 podem ser usados ​​como divisores de frequência digital, para pegar um sinal de relógio e produzir um pulso que ocorre em algum fator inteiro da frequência de relógio. Por exemplo, se o sinal do relógio do temporizador 555 for 200 Hz e o 4017 estiver configurado para uma sequência de contagem total (o terminal "Reiniciar" conectado ao aterramento, fornecendo uma contagem completa de dez passos), um sinal com um período dez vezes mais longo (20 Hz) estará presente em qualquer um dos terminais de saída do 4017. Em outras palavras, cada terminal de saída fará um ciclo uma vez para cada dez ciclos do sinal do relógio:uma frequência dez vezes mais lenta.

Para experimentar este princípio, conecte seu detector de áudio entre a saída 0 (pino nº 3) do 4017 e o aterramento, por meio de um capacitor muito pequeno (0,047 µF a 0,001 µF). O capacitor é usado apenas para “acoplar” sinais CA, para que você possa detectar os pulsos de forma audível sem colocar uma carga CC (resistiva) na saída do chip do contador.

Com o terminal 4017 “Reset” aterrado, você terá uma sequência de contagem total e ouvirá um “clique” nos fones de ouvido toda vez que o LED “0” acender, correspondendo a 1/10 da frequência de saída real do 555 :







Na verdade, conhecer essa relação matemática entre os cliques ouvidos nos fones de ouvido e a frequência do relógio nos permite medir a frequência do relógio com um grau razoável de precisão. Usando um cronômetro ou outro relógio, conte o número de cliques ouvidos em um minuto completo enquanto conectado à saída “0” do 4017. Usando um resistor de 1 MΩ e um capacitor de 0,1 µF no circuito de temporização 555 e uma tensão de alimentação de 13 volts (em vez de 6), contei 79 cliques em um minuto do meu circuito.

Seu circuito pode produzir resultados ligeiramente diferentes. Multiplique o número de pulsos contados na saída “0” por 10 para obter o número de ciclos produzidos pelo temporizador 555 durante esse mesmo tempo (meu circuito:79 x 10 =790 ciclos). Divida esse número por 60 para obter o número de ciclos do cronômetro decorridos em cada segundo (meu circuito:790/60 =13,17). Este valor final é a frequência do clock em Hz.

Agora, deixando uma ponta de prova do detector de áudio conectada ao solo, pegue a outra ponta de prova (aquela com o capacitor de acoplamento conectado em série) e conecte-a ao pino nº 3 do temporizador 555. O zumbido que você ouve é a frequência do relógio não dividida:







Ao conectar o terminal "Reset" do 4017 a um dos terminais de saída, resultará em uma sequência truncada. Se estivermos usando o 4017 como um divisor de frequência, isso significa que a frequência de saída será um fator diferente da frequência do clock:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 ou 1/2, dependendo de qual terminal de saída conectamos o fio de jumper “Reset”.

Reconecte a ponta de prova do detector de áudio à saída “0” do 4017 (pino # 3) e conecte o jumper do terminal “Reset” ao sexto LED da esquerda no gráfico de barras. Isso deve produzir uma proporção de divisão de frequência de 1/5:







Contando novamente o número de cliques ouvidos em um minuto, você deve obter um número aproximadamente duas vezes maior do que o contado com o 4017 configurado para uma proporção de 1/10, porque 1/5 é duas vezes maior que uma proporção de 1/10.

Se você não obtiver uma contagem que seja exatamente o dobro da obtida antes, é devido a um erro inerente ao método de contagem de ciclos:coordenar sua audição com a exibição de um cronômetro ou outro dispositivo de cronometragem.

Tente substituir o resistor de temporização de 1 MΩ no circuito 555 por um de valor muito menor, como 10 kΩ. Isso aumentará a frequência do clock que aciona o chip 4017. Use o detector de áudio para ouvir a frequência dividida no pino # 3 do 4017, observando os diferentes tons produzidos conforme você move o fio de jumper “Reset” para diferentes saídas, criando diferentes taxas de divisão de frequência.

Veja se você pode produzir oitavas dividindo a frequência original por 2, depois por 4 e depois por 8 (cada oitava descendente representa metade da frequência anterior). As oitavas são facilmente distinguidas de outras frequências divididas por seus tons semelhantes ao tom original.

Uma lição final que pode ser aprendida com este circuito é a do contato da chave "bounce". Para isso, você precisará de um switch para fornecer sinais de clock ao chip 4017, em vez do temporizador 555. Reconecte o fio jumper "Reset" ao aterramento para permitir uma sequência de contagem de dez etapas completa e desconecte a saída do 555 do terminal de entrada "Clock" do 4017.

Conecte um switch em série com um menu suspenso de 10 kΩ resistor e conecte este conjunto à entrada 4017 "Clock", conforme mostrado:











O objetivo de um resistor “suspenso” é fornecer um estado lógico “baixo” definitivo quando o contato da chave abre. Sem este resistor no lugar, o fio de entrada do "Relógio" do 4017 seria flutuante sempre que o contato da chave foi aberto, deixando-o suscetível à interferência de tensões estáticas parasitas ou “ruído” elétrico, qualquer um capaz de fazer o 4017 contar aleatoriamente.

Com o resistor suspenso no lugar, a entrada "Clock" do 4017 terá uma conexão definitiva, embora resistiva, ao aterramento, fornecendo um estado lógico "baixo" estável que impede qualquer interferência de eletricidade estática ou "ruído" acoplado da fiação do circuito CA próximo .

Acione a chave liga e desliga, observando a ação dos leds. A cada transição de switch off-to-on, o 4017 deve incrementar uma vez em sua contagem. No entanto, você pode notar um comportamento estranho:às vezes, a sequência de LED “pula” uma ou várias etapas com um único fechamento de chave.

Por que é isso? É devido ao “salto” mecânico muito rápido dos contatos da chave. Quando dois contatos metálicos são reunidos rapidamente, como acontece dentro da maioria das chaves, haverá uma colisão elástica. Essa colisão resulta em contatos que se fecham e se rompem muito rapidamente, pois eles “ricocheteiam” um no outro.

Normalmente, esse "salto" é muito rápido para você ver seus efeitos, mas em um circuito digital como este, onde o chip contador é capaz de responder a pulsos de relógio muito rápidos, esses "saltos" são interpretados como sinais de relógio distintos, e a contagem incrementada de acordo.

Uma maneira de combater esse problema é usar um circuito de temporização para produzir um único pulso para qualquer número de sinais de pulso de entrada recebidos em um curto período de tempo. O circuito é chamado de multivibrador monoestável , e qualquer técnica que elimine os pulsos falsos causados ​​pelo “salto” do contato da chave é chamada de debouncing .

O circuito do temporizador 555 é capaz de funcionar como um debouncer, se a entrada "Trigger" estiver conectada ao interruptor como tal:







Observe que, como estamos usando o 555 mais uma vez para fornecer um sinal de clock ao 4017, devemos reconectar o pino nº 3 do chip 555 ao pino nº 14 do chip 4017! Além disso, se você alterou os valores do resistor ou capacitor no circuito do temporizador 555, você deve retornar aos componentes originais de 1 MΩ e 0,1 µF.

Acione a chave novamente e observe o comportamento de contagem do 4017. Não deve haver mais contagens “puladas” como antes porque o temporizador 555 produz um único pulso nítido para cada liga-desliga acionamento (observe a inversão de operação aqui!) da chave.

É importante que a temporização do circuito 555 seja apropriada:o tempo para carregar o capacitor deve ser mais longo do que o período de "acomodação" da chave (o tempo necessário para os contatos pararem de saltar), mas não tanto que o temporizador “perderia” uma sequência rápida de acionamento do interruptor, se eles ocorressem.