7.6: Secuenciador LED

PARTES Y MATERIALES

• Contador/divisor de 4017 décadas (Catálogo Radio Shack # 276-2417)
• 555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• LED con gráfico de barras de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Un interruptor SPST
• Una batería de 6 voltios
• Resistencia de 10 kΩ
• Resistencia de 1 MΩ
• Capacitor de 0.1 µF (catálogo de Radio Shack # 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 sensible a la electricidad estática!

Cualquier interruptor unipolar y de un solo tiro es adecuado. Un interruptor de luz doméstico funcionará bien y está fácilmente 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 es innecesario.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 4: “Interruptores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 11: “Contadores”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de un circuito temporizador 555 para producir pulsos de “reloj” (multivibrador astable)
• 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 división de frecuencia
• Uso de un divisor de frecuencia y un reloj (reloj) para medir la frecuencia
• Propósito de una resistencia “pulldown”
• Conozca los efectos del “rebote” del contacto del interruptor en los circuitos digitales
• Uso de un circuito temporizador 555 para “desrebotar” un interruptor mecánico (multivibrador monoestable)

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

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 cualquier momento dado, siendo todos los demás “bajos”, dando una secuencia de salida “uno de diez”. Si se aplican pulsos de voltaje bajo a alto al terminal de “reloj” (Clk) del 4017, incrementará 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 circulará a través de 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. Siéntase libre de experimentar con los valores de resistencia y condensador en el temporizador 555 para crear diferentes velocidades de flash.

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

Dos terminales en el chip 4017, “Reset” y “Clock Enable”, se mantienen en un estado “bajo” por medio de una conexión al lado negativo de la batería (tierra). Esto es necesario si el chip es para contar libremente. Si el terminal “Reset” se hace “alto”, la salida del 4017 se restablecerá de nuevo a 0 (pin #3 “alto”, todos los demás pines de salida “bajo”). Si el “Habilitar reloj” se hace “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 se cortará o truncará. Puede experimentar con esto desconectando el terminal “Reset” de tierra, luego conectando un cable 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) LEDs se iluminan con el “Reset” conectado a cualquiera de las salidas:

Los contadores tales como el 4017 pueden usarse como divisores de frecuencia digitales, para tomar una señal de reloj y producir un pulso que ocurre en algún factor entero de la frecuencia de reloj. Por ejemplo, si la señal de 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 recuento completo de diez pasos), una señal con un periodo diez veces más largo (20 Hz) estará presente en cualquiera de los terminales de salida de los 4017. En otras palabras, cada terminal de salida ciclará una vez por cada diez ciclos de la señal de 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 condensador muy pequeño (0.047 µF a 0.001 µF). El condensador se utiliza solo para “acoplar” señales de CA, para que pueda detectar de manera audible pulsos sin colocar una carga de CC (resistiva) en la salida del chip del 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 un grado justo de precisión. Usando un cronómetro u otro reloj, cuente el número de clics escuchados en un minuto completo mientras está conectado a la salida “0” del 4017. Usando una resistencia de 1 MΩ y un condensador de 0.1 µF en el circuito de sincronización 555, y un voltaje de fuente de alimentación de 13 voltios (en lugar de 6), conté 79 clics en un minuto de 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). Divide 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 de reloj en Hz.

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

Al conectar el terminal “Reset” del 4017 a uno de los terminales de salida, resultará una secuencia truncada. Si estamos usando 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 a qué terminal de salida conectemos el cable 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 desde la izquierda en el gráfico de barras. Esto debería producir una relación de división de frecuencia 1/5:

Contando de nuevo el número de clics escuchados en un minuto, se debe obtener un número aproximadamente el doble de grande que lo que se contó con el 4017 configurado para una relación 1/10, porque 1/5 es dos veces más grande que 1/10. Si no obtienes un conteo que sea exactamente el doble de lo que obtuviste antes, es por error inherente al método de contar ciclos: coordinar tu sentido del oído con la visualización de un cronómetro u otro dispositivo cronometrador.

Intente reemplazar la resistencia de sincronización de 1 MΩ en el circuito 555 por una de valor mucho menor, como 10 kΩ. Esto aumentará la frecuencia de reloj impulsando el chip 4017. Utilice el detector de audio para escuchar la frecuencia dividida en el pin #3 del 4017, observando los diferentes tonos producidos a medida que mueve el cable 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 lección final que se puede aprender de este circuito es la del contacto del interruptor “rebote”. Para ello, 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 habilitar una secuencia completa de conteo de diez pasos y desconecte la salida del 555 del terminal de entrada “Reloj” del 4017. Conecte un interruptor en serie con una resistencia desplegable de 10 kΩ y conecte este conjunto a la entrada “Reloj” 4017 como se muestra:

El propósito de una resistencia de “pulldown” es proporcionar un estado lógico definido “bajo” cuando se abre el contacto del interruptor. Sin esta resistencia en su lugar, el cable de entrada “Reloj” del 4017 estaría flotando cada vez que se abriera el contacto del interruptor, dejándolo susceptible a la interferencia de tensiones estáticas parásitas o “ruido” eléctrico, ya sea uno capaz de hacer que el 4017 cuente aleatoriamente. Con la resistencia pulldown en su lugar, la entrada “Reloj” del 4017 tendrá una conexión definitiva, aunque resistiva, a tierra, proporcionando un estado lógico estable “bajo” que excluye cualquier interferencia de electricidad estática o “ruido” acoplado desde el cableado cercano del circuito de CA.

Accione el interruptor de encendido y apagado, observando la acción de los LED. Con cada transición de interruptor de apagado a encendido, el 4017 debería incrementarse una vez en su recuento. Sin embargo, puede notar algún comportamiento extraño: a veces, la secuencia de LED “omitirá” uno o incluso varios pasos con un solo cierre de interruptor. ¿Por qué es esto? Se debe al “rebote” muy rápido y mecánico 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 da como resultado que los contactos se hagan y rompan muy rápidamente a medida que “rebotan” entre sí. Normalmente, este “rebote” es muy rápido para que veas 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 incrementa en consecuencia.

Una forma de combatir este problema es usar 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 falsos pulsos causados por el “rebote” del contacto del interruptor se denomina desrebote.

El circuito temporizador 555 es capaz de funcionar como desbouncer, si la entrada “Trigger” está conectada al interruptor como tal:

Tenga en cuenta que ya que estamos usando el 555 una vez más para proporcionar una señal de reloj al 4017, ¡debemos volver a conectar el pin #3 del chip 555 al pin #14 del chip 4017! Además, si ha alterado los valores de la resistencia o condensador en el circuito del temporizador 555, debe volver a los componentes originales de 1 MΩ y 0.1 µF.

Accione nuevamente el interruptor y anote el comportamiento de conteo del 4017. No debería haber más recuentos “omitidos” como antes porque el temporizador 555 emite un solo pulso nítido para cada accionamiento de encendido a apagado (¡observe la inversión de operación aquí!) del interruptor. Es importante que el tiempo del circuito 555 sea apropiado: el tiempo para cargar el condensador debe ser más largo que el período de “asentamiento” del interruptor (el tiempo requerido para que los contactos dejen de rebotar), pero no tanto que el temporizador “perdiera” una secuencia rápida de activación del interruptor, si fueran a ocurrir.