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 “0” 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 “1” 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 1.2 و 1.5 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.
