Indicatori LED lampeggianti sui chip CMOS. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Astratta. Gli indicatori della modalità operativa sono ampiamente utilizzati nei dispositivi elettronici, ad esempio come parte di un sistema di allarme antintrusione o, in un progetto individuale, anche per simularne la presenza. Tale indicatore può essere utilizzato nei giocattoli elettronici per creare effetti estetici o come controller per il controllo di fari lampeggianti in veicoli speciali.

Come elementi che emettono luce, è consigliabile utilizzare LED super luminosi che, grazie all'elevata capacità di carico dei microcircuiti CMOS delle serie KR1554 e KR1564, possono essere collegati direttamente alle loro uscite, senza transistor chiave.

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Il principio di funzionamento. Come soluzioni circuitali di base per indicatori LED, vengono utilizzati i progetti più semplici su due e tre microcircuiti CMOS della logica standard della serie KR1554, rispettivamente, considerati in [1] e [2]. La prima versione (Fig. 1) del dispositivo genera due lampeggi di ciascun LED con un duty cycle di quattro. Ciò significa che il tempo di lampeggio del LED è il 25% del periodo di lampeggio, che corrisponde soggettivamente al lampeggio più nitido dei LED. Inoltre, un tale ciclo di lavoro raddoppia la durata delle celle a bassa potenza quando il dispositivo è alimentato a batteria.

Considereremo il funzionamento del dispositivo, supponendo che all'istante iniziale i contatori DD2.1 e DD2.2 siano nello stato "zero". Sugli elementi DD1.1, DD1.2 viene realizzato un generatore di impulsi rettangolare, con frequenza di ripetizione di circa 10 Hz. Quando si commuta l'elemento DD1.2 nello stato opposto, la tensione a sinistra, secondo lo schema, piastra del condensatore C1, viene aggiunta al valore precedente e raggiunge quasi il doppio del valore della tensione di alimentazione.

Per i diodi di protezione in ingresso dell'elemento DD1.1, questa modalità di funzionamento è inaccettabile, pertanto nel dispositivo viene introdotto un resistore R1, che limita gli impulsi di corrente al livello di 1 mA, che è già un valore abbastanza accettabile. Questo resistore impedisce il guasto dei diodi di protezione e quindi aumenta notevolmente l'affidabilità del dispositivo durante il funzionamento a lungo termine.

Il contatore DD2.1 viene attivato dalle differenze negative degli impulsi di conteggio e, al raggiungimento del "terzo" stato, genera i livelli delle unità logiche alle uscite "1" e "2" (pin 11 e 10, rispettivamente), che alimentati agli ingressi dell'elemento DD1.3 fanno apparire in uscita un livello "zero". Questo livello logico è in ingresso all'elemento DD1.4 e, invertendo l'ultimo, provoca l'accensione del led HL2.

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Ciò accade a causa del fatto che il contatore DD2.2, come notato sopra, si trova nello stato "zero" iniziale e il livello dell'"uno" logico è formato all'uscita dell'elemento DD1.4 (vedere la temporizzazione diagramma in Fig. 2). Il passaggio del contatore DD2.1 al "quarto" stato porta all'estinzione del LED HL2 e il passaggio al "settimo" - alla sua riaccensione. Inoltre, la caduta negativa del successivo impulso di conteggio, il contatore DD2.1 viene trasferito allo stato "ottavo" e la caduta negativa dall'uscita del suo "terzo" bit (pin 4) porta ad un aumento dello stato di il contatore DD2.2 di uno. Ora, nel momento in cui appare il livello di "zero" logico all'uscita dell'elemento DD1.3, il LED rosso HL1 si accende.

Pertanto, ci sono due lampeggi successivi di ciascun LED. La frequenza del flash può essere modificata regolando il resistore R2 e il limite superiore dell'intervallo di frequenza dell'oscillatore può essere modificato selezionando il resistore R3. Se è necessario ottenere non due, ma quattro lampeggi di ciascun LED, è necessario applicare impulsi di conteggio all'ingresso DD2.2 dall'uscita del quarto (pin 8) e non del terzo bit (pin 9) del contatore DD2.1.

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Lo schema elettrico di un indicatore a tre LED è mostrato in Fig. 4. Il dispositivo genera tre lampeggi successivi di ciascun LED, anch'essi con un duty cycle di quattro. A differenza della prima versione del dispositivo, il contatore DD2.1 viene resettato da un breve impulso positivo dall'uscita dell'elemento DD1.4 quando viene raggiunto il "dodicesimo" stato. Se l'azzeramento non viene eseguito, ma l'ingresso di ripristino "R" (pin 12) è collegato al filo "comune", si verificheranno non tre, ma quattro lampeggi di ciascun LED. Gli impulsi di conteggio dall'uscita della cifra di ordine superiore DD2.1 vengono inviati all'ingresso DD2.2, che genera combinazioni di codici per selezionare uno dei tre LED lampeggianti HL1 ... HL3.

Un duty cycle pari a quattro è ottenuto attraverso una combinazione di segnali di controllo provenienti dalle uscite delle cifre meno significative del contatore DD2.1 (pin 11 e 10) agli ingressi di "permesso" inverso "V (&)" del contatore Decoder DD3 (pin 4 e 5). Il suo ingresso diretto di "abilitazione" ("V", pin 6) è collegato al power rail, secondo la logica di funzionamento. In questo caso l'accensione di uno dei tre led HL1...HL3 avviene solo quando gli ingressi "V(&)" del decoder DD3 (pin 4 e 5) corrispondono a due livelli di zero logico, secondo il diagramma temporale nella fig. 5.

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Ogni impulso di conteggio ricevuto all'ingresso del contatore DD2.2 dall'uscita DD2.1 porta ad un incremento del suo stato di uno. Al raggiungimento del "terzo" stato, grazie alla catena VD1, VD2, R4, il contatore DD2.2 viene azzerato e, quindi, il ciclo del dispositivo si ripete completamente. Va notato che la catena specificata (VD1, VD2, R4) è un equivalente completamente funzionale di due elementi collegati in serie DD1.3, DD1.4, cioè svolge la funzione di "moltiplicazione" logica dei segnali.

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Una versione migliorata dell'indicatore a tre LED è mostrata in fig. 7. Qui, il contatore DD2.2 non viene resettato, quindi funziona in modalità ciclica con un set completo di stati, che consente di generare impulsi negativi alle quattro uscite del decodificatore DD3. Il numero di LED è ancora tre, ma sono collegati non direttamente alle uscite del decoder, ma tramite gli elementi DD4.1 ... DD4.3. Il livello di zero logico appare alle loro uscite e, di conseguenza, il LED corrispondente si accende quando gli elementi specificati dello stesso livello logico arrivano a uno qualsiasi degli ingressi, secondo il diagramma di temporizzazione di Fig. 8.

Quando il contatore DD2.2 raggiunge il "terzo" stato (alle uscite "1" e "2" - i livelli delle unità logiche), lo stesso livello appare all'uscita "3" (pin 12) del decodificatore DD3, ma solo se agli ingressi della sua risoluzione "V(&)" (pin 4 e 5) si verifica la condizione di coincidenza di due "zero" logici. Pertanto, dopo tre lampeggi consecutivi di ciascuno dei tre LED HL1 ... HL3, tutti i LED si accendono tre volte contemporaneamente. Gli ingressi dell'elemento DD4.4 (non rappresentati nello schema) sono collegati al bus di potenza.

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È diventato possibile modificare in modo significativo l'algoritmo del funzionamento del dispositivo grazie all'uso di un microcircuito contenente quattro flip-flop RS identici con ingressi di controllo inversi in un unico pacchetto (Fig. 10). Ciò significa che la transizione del flip-flop RS allo stato corrispondente avviene in funzione del livello di "zero" logico pervenuto al corrispondente ingresso "R" o "S". Allo stesso tempo, i livelli delle unità logiche devono essere fissati preliminarmente agli ingressi specificati prima di applicare il livello attivo di zero logico. Questa modalità di funzionamento è fornita utilizzando il decoder DD3, i cui livelli logici di uscita attiva sono appena "zero".

All'istante iniziale, i contatori DD2.1 e DD2.2 sono nello stato "zero", quindi, all'uscita dell'elemento DD1.3, si forma un livello di unità logica che impedisce la decodifica degli stati del contatore DD2.2, i cui livelli logici di uscita sono alimentati agli ingressi indirizzi "1" e "2" del decodificatore DD3. Pertanto, i livelli delle unità logiche sono formati a tutte le sue uscite, che corrispondono allo stato iniziale del dispositivo. Poiché alla fine del ciclo precedente è stato generato un breve impulso negativo all'uscita dell'elemento DD1.4, tutti i flip-flop RS sono stati impostati sullo stato "single", quindi tutti i LED erano spenti. Quando il contatore DD2.1 passa dallo stato "zero" al "primo", il livello di zero logico dall'uscita dell'elemento DD1.3 permette la decodifica degli stati di DD3 e alla sua uscita "0" (pin 15) compare il livello di "zero" logico. Questo livello capovolge il primo flip-flop RS (superiore nel diagramma), che fa parte del chip DD4, allo stato zero e, allo stesso tempo, va all'anodo del LED HL1. Ma l'accensione del LED in questo momento non si verifica ancora, poiché la differenza di potenziale ai suoi terminali è zero.

Quando il contatore DD2.1 raggiunge il quarto stato, la decodifica degli stati DD3 sarà nuovamente inibita, e alla sua uscita "0" (pin 15) verrà formato un livello di unità logica. Poiché l'uscita "1Q" (pin 4) del primo, secondo lo schema, RS-flip-flop DD4, si è formato il livello "zero", questo porterà all'accensione del LED HL1. Seguiranno tre lampeggi, con duty cycle pari a quattro, come nei casi precedenti, secondo il diagramma temporale di Fig. 11. In questo caso impulsi negativi all'uscita "0" (pin 15) del decoder DD3 portare appunto allo spegnimento del LED HL1, quindi, durante la transizione del contatore DD2.2 da zero al primo stato, all'indicata uscita "0" (pin 15) del decoder DD3, un livello fisso (statico) di logica l'unità è formata e il LED HL1 rimane acceso.

Ogni successivo impulso di conteggio dall'uscita del generatore porta ad un aumento degli stati del contatore DD2.1 e, dopo di esso, e DD2.2. In questo caso si verificano tre lampeggi successivi dei LED HL2 ... HL4, seguiti dalla loro fissazione nello stato acceso. Quando il contatore DD2.2 raggiunge lo stato "quarto", viene generato un breve impulso positivo alla sua uscita "4" (pin 9), che, invertito dall'elemento DD1.4, porta all'installazione di tutti i RS-flip- floppa DD4 nello stato "single" e i LED si spengono. Inoltre, il ciclo di funzionamento del dispositivo viene ripetuto completamente.

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Una versione migliorata dell'indicatore a quattro LED è mostrata in fig. 13. Nella sua composizione è stato introdotto il timer più semplice, costituito da un generatore di impulsi rettangolare assemblato su elementi DD2.1, DD2.2 e contatori DD4.1, DD4.2. Il timer espande notevolmente la funzionalità dell'indicatore LED e consente di scegliere quasi qualsiasi durata del ciclo di funzionamento del dispositivo, a partire da un singolo lampeggio del LED HL1 e termina con un certo ritardo affinché tutti i LED si illuminino dopo l'intero funzionamento ciclo è passato.

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La logica di funzionamento del dispositivo è pienamente coerente con il diagramma di temporizzazione mostrato in fig. 11, con la differenza che il segnale di settaggio dei flip-flop RS del chip DD6 è generato dal contatore DD4.2 del timer introdotto in aggiunta. A differenza del precedente, in una versione migliorata del dispositivo, operano due generatori di impulsi rettangolari indipendenti, la cui frequenza è impostata in modo indipendente. Ciò consente di modificare separatamente sia la frequenza dei lampeggi del LED (utilizzando R3) sia la durata dell'intero ciclo di funzionamento (utilizzando R6).

Costruzione e dettagli. Tutti i dispositivi sono realizzati su circuiti stampati realizzati in lamina a doppia faccia in fibra di vetro di 1,5 mm di spessore. Dimensioni PCB: prima opzione (Fig. 3): 35x50 mm; seconda opzione: (fig. 6): 40x70 mm; terza opzione: (fig. 9): 40x70 mm; quarta opzione: (Fig. 12): 40x75 mm; e la quinta opzione: (Fig. 14): 50x90 mm.

I dispositivi utilizzano resistori fissi del tipo MLT-0,125, trimmer SP3-38b in esecuzione orizzontale, condensatori non polari del tipo K10-17, condensatori di ossido del K50-35 o importati. I microcircuiti CMOS della serie KR1554 hanno un'elevata capacità di carico (fino a 24 mA), che consente di collegare direttamente i LED alle loro uscite, senza commutare i transistor. Se non sono disponibili LED superluminosi, si possono utilizzare anche LED a luminosità standard, ma, in questo caso, è necessario utilizzare solo circuiti integrati della serie KR1554, le cui correnti di uscita possono raggiungere i 24 mA. Nei circuiti dei generatori di impulsi rettangolari al posto di KR1564LA3 (74HC00N), è possibile utilizzare anche KR1564TL3 (74HC132N), che contiene quattro trigger Schmitt.

Questa opzione è più preferibile per i dispositivi alimentati a batteria, per aumentare la loro efficienza riducendo significativamente le correnti passanti durante la commutazione degli elementi logici. A causa dell'elevata capacità di carico dei microcircuiti CMOS delle serie KR1564 e KR1554, è possibile combinare chip della serie CMOS (KR1564, KR1554, KR1594) e TTLSH (KR1533, K555) e persino TTL (K155) in un unico dispositivo. Solo i microcircuiti delle serie K561 e KR1561 non sono applicabili nei dispositivi la cui capacità di carico non supera 1 mA, anche per i dispositivi della serie CD40xxBN. Ad esempio, al posto di DD1 (KR1564LA3), può funzionare il suo analogo TTLSH completamente funzionante del tipo KR1533LA3. Poiché le correnti di ingresso dei microcircuiti della serie TTLS sono molto superiori ai valori corrispondenti per i microcircuiti CMOS, è necessario installare un resistore trimmer (R2) con una resistenza di 1 kOhm e sostituire le costanti (R1 e R3 ) con ponticelli. In questo caso, il condensatore non polare C1 viene sostituito da una capacità di ossido fino a 100 μF per mantenere la costante di tempo del generatore.

Quando si alimentano dispositivi da elementi a bassa potenza con una tensione totale di 3 V, lo stabilizzatore integrato e il diodo di protezione devono essere esclusi e i LED devono essere selezionati con la tensione operativa più bassa possibile del bagliore. Quando si utilizza il generatore di chip KR1564TL3 (74HC132N) in loco, la durata della batteria sarà sufficiente per diversi mesi di funzionamento continuo. I dispositivi assemblati da parti riparabili e senza errori non devono essere regolati e funzionano immediatamente all'accensione.

Letteratura.

1. R. Odinets. "Indicatori LED lampeggianti." - "Radio", n. 3, 2006
2. A. Odinetti. "Indicatori LED lampeggianti." - "Radiomir", n. 9, 2007, pp. 18-21, n. 10, 2007, pp. 17-20.

Autore: Odinets A.L.

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