مدار چراغ چشمک زن — از صفر تا صد

مدار چراغ چشمک زن را می‌توان با استفاده از LED و یک شمارنده موجی ایجاد کرد، تا به صورت متناوب یک لامپ یا LED را خاموش و روشن کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی نحوه کار این مدار بپردازیم.

دانش آموزان و علاقه‌مندان به الکترونیک همیشه دوست دارند ساخت مدارات متنوع را تجربه کنند. مدار چراغ چشمک زن یکی از رایج‌ترین مداراتی است که توسط کیت‌های (Kit) آماده مختلف پیاده‌سازی شده‌اند و می‌توان آن‌ها را به راحتی تهیه کرد. این مدارات قادرند تا هر تعداد LED را به صورت تناوبی (Periodically) یا تصادفی (Randomly) و یا متوالی (Sequentially) خاموش و روشن کنند. اما یک المان چندکاره که می‌تواند برای ساخت یک مدار چراغ چشمک زن ساده هم مورد استفاده قرار بگیرد، شمارنده باینری موجی نام دارد.

فیلم آموزش طراحی مدارهای منطقی با وریلوگ Verilog در فرادرس

کلیک کنید

شمارنده موجی (Ripple counter)، همان‌طور که در مبحث مقسم‌های فرکانسی نیز توضیح داده شد، اساسا فلیپ فلاپ‌های تاگل یا نوع T هستند که می‌توانند به عنوان مدار مقسم فرکانسی مورد استفاده قرار بگیرند و فرکانس سیگنال کلاک مرجع را بر یک عدد از پیش تعیین شده تقسیم کنند. در نتیجه سیگنال خروجی جدید دارای فرکانس پایین‌تر بوده و می‌توانید از آن در بخشی از مدار چراغ چشمک زن خود استفاده کنید.

این نوع از مدارات شمارنده ذاتا جزو مدارات آسنکرون (Asynchronous) طبقه‌بندی می‌شوند؛ زیرا تمام فلیپ فلاپ‌ها با یکدیگر و توسط اعمال یک پالس کلاک خارجی تغییر وضعیت نمی‌دهند. معمولا تغییر وضعیت در لبه منفی یا پایین رونده پالس کلاک اتفاق می‌افتد.

فلیپ فلاپ نوع T یا تاگل، بلوک پایه‌ای در ساخت تمام شمارنده‌های آسنکرون است که عموما به آن‌ها تحت عنوان شمارنده موجی اشاره می‌شود؛ زیرا به نظر می‌رسد که پالس کلاک ورودی در طول شمارنده به صورت موجی حرکت می‌کند. در واقع دلیل این پدیده این است که ورودی کلاک هر طبقه، از طریق خروجی طبقه قبل از آن تامین می‌شود. نتیجه چنین پیکربندی، ایجاد یک اثر موجی است که هر طبقه به صورت متعاقب با طبقه قبل از خود تغییر حالت می‌دهد. از این عملکرد می‌توانیم در ساخت یک مدار چراغ چشمک زن استفاده کنیم.

شمارنده موجی از تعدادی فلیپ فلاپ نوع T مقسم بر ۲ ساخته می‌شود که به صورت آبشاری به یکدیگر متصل شده‌اند و تشکیل یک مدار مقسم فرکانسی تقسیم‌کننده بر N می‌دهند. در یک مدار شمارنده، N برابر با تعداد بیت‌های شمارش است. یکی از متداول‌ترین آی‌سی‌های شمارنده موجی باینری، 74LS93 است که یک شمارنده چهار بیتی (مقسم بر ۱۶) است. CMOS 4024 هفت بیتی (مقسم بر ۱۲۸) و CMOS 4040 دوازده بیتی (مقسم بر ۴۰۹۶) و نهایتا CMOS 4060 چهارده بیتی (مقسم بر ۱۶۳۸۴) نیز از دیگر آی‌سی‌های شمارنده محسوب می‌شوند.

بنابراین در این مدارات، خروجی شمارنده $$ Q_n $$، به عنوان طبقه Nام شمارنده تعریف می‌شود. مثلا خروجی $$Q_6 $$ در طبقه ۶ام و برابر با عدد $$ 2^6 = 64 $$ (یا $$ \frac{1}{64} $$ فرکانس کلاک) و $$ Q_{12} $$ برابر با عدد $$ 2^{12} = 4096 $$ (یا $$ \frac{1}{4096} $$ فرکانس کلاک) است.

همان طور که گفتیم، شمارنده‌های باینری فراوانی وجود دارند که می‌توانند هر تعداد لامپ را متناوبا روشن و خاموش کنند. اما بعضی از آی‌سی‌‌های چندکاره وجود دارند که می‌توانند برای این هدف مورد استفاده قرار گیرند. CMOS CD4040B یک آی‌سی شمارنده باینری دوازده بیتی است که توسط دوازده خروجی دیکود شده (Decoded)، می‌تواند یک رشته متشکل از ۱۲ LED را خاموش و روشن کند. این 12 خروجی به صورت ترتیبی در هر لبه پایین رونده پالس کلاک تغییر حالت می‌یابند و یک رشته خروجی باینری را تولید می‌کنند.

خروجی آی‌سی 4040 در هر شمارش، بین سطح منطقی ۱ یا HIGH و سطح منطقی صفر یا LOW تغییر می‌کند و در نتیجه می‌تواند یک رشته متحرک را تولید کند. در نتیجه آی‌سی 4040 یک ابزار ایده آل برای تولید یک مدار چراغ چشمک زن یا نمایش‌گر نوری در پروژه‌های الکترونیکی به حساب می‌آید. چون 4040 یک شمارنده موجی 12 بیتی است، هر یک از 12 خروجی در یک دنباله باینری از ۰ تا ۴۰۹۶ ($$ 2^{12} $$) به سطح HIGH یا LOW تغییر حالت می‌دهند. روند انجام این کار در دیاگرام زمان‌بندی زیر نشان داده شده است.

اما قبل از این‌که بتوانیم از 4040 به عنوان شمارنده موجی در بخشی از مدار چراغ چشمک زن خود استفاده کنیم، نیاز داریم تا یک سیگنال زمان‌بندی ایجاد کنیم. راه‌های بسیار زیادی برای ایجاد سیگنال کلاک یا زمان‌بندی وجود دارند. اما یک راه بسیار ساده و موثر برای تولید سیگنال کلاک مربعی با کم‌ترین قطعات مورد نیاز، استفاده از آی‌سی‌های اختصاصی تولید سیگنال کلاک مانند آی‌سی تایمر آستابل NE555 است.

دوره تناوب T در تایمر، به انتخاب فرکانس کلاک ورودی بستگی دارد: زیرا دوره تناوب، معکوس فرکانس است. به عنوان مثال، اگر شمارنده ۱۲ بیتی 4040 را به عنوان بخشی از مدار چراغ چشمک زن انتخاب کنیم و طولانی‌ترین تناوب زمان‌بندی بر روی بیت 12ام برابر با 4 ثانیه (فرکانس برابر با 0٫25 هرتز) باشد (2 ثانیه روشن و 2 ثانیه خاموش)، آن‌گاه فرکانس پالس کلاک ورودی بر روی پین 10 از آی‌سی شمارنده 4040 لازم است که در حدود ۱ هرتز (0.25 × 4096) باشد. مدار چراغ چشمک زن در شکل زیر نشان داده شده است.

از طریق اتصال LEDها به خروجی‌های مختلف، در هر زمان یکی از آن‌ها چشمک می‌زنند، اما سرعت هر کدام با دیگری متفاوت خواهد بود. به عبارت دیگر، هر خروجی دارای فرکانسی برابر با نصف فرکانس خروجی قبلی است. همچنین تمام LEDها با یکدیگر خاموش یا روشن نمی‌شوند و به همین دلیل است که این مدار برای کاربرد در چراغ چشمک زن بسیار ایده آل خواهد بود.

با استفاده از شمارنده/مقسم فرکانسی تقسیم‌کننده بر ۲ و همچنین اتصال چند عدد LED به خروجی آن، می‌توان چراغ‌ها را به صورت متناوب خاموش و روشن کرد. بسته به نوع خروجی موجی متصل به LEDها و نیز نحوه چیدمان فیزیکی LEDها، نحوه چشمک زدن لامپ‌ها را می‌توان بنا بر انتخاب طراح تغییر داد.

خروجی شمارنده موجی در مدار چراغ چشمک زن

خروجی‌های $$ Q_1 $$ تا $$Q_{12} $$ شمارنده، قادرند تا جریان بار را تا مقدار بیشینه 15 میلی آمپر جذب (Sink) یا تامین (Source) کنند، اما این مقدار برای درایو مستقیم LEDها کافی است. توانایی شمارنده ۴۰۴۰ در کار کردن در هر دو مود چاه جریان و منبع جریان به این معنی است که LEDها می‌توانند بین ترمینال خروجی شمارنده و منبع جریان به صورتی متصل شوند که جریان بار را جذب کنند و یا بین ترمینال خروجی و زمین متصل شوند و جریان بار را تامین نمایند.

فیلم آموزش برنامه نویسی رزبری پای Raspberry Pi با پایتون Python در فرادرس

کلیک کنید

نمایی از نحوه اتصال شمارنده 4040 در دو مود چاه جریان و منبع جریان در شکل زیر نشان داده شده است.

در مدار اول از سمت چپ، LED بین ترمینال خروجی (که در این حالت پایه $$ Q_8 $$ است.) و منبع تغذیه $$ V_{CC} $$ متصل شده است. در این شرایط جریان به مدار جذب می‌شود یا به عبارت دیگر، به ترمینال خروجی شمارنده 4040 وارد می‌شود، در نتیجه زمانی که خروجی در سطح منطقی LOW باشد، LED روشن می‌شود.

در مدار سمت راست در تصویر بالا، دیده می‌شود که LEDها بین خروجی $$ Q_8 $$ و زمین متصل شده‌اند. این نوع اتصال منجر به این می‌شود که آی‌سی در مود منبع جریان قرار گیرد یا به عبارت دیگر جریان از پایه‌های خروجی شمارنده ۴۰۴۰ به بیرون جاری شود و زمانی که ولتاژ خروجی در سطح HIGH باشد، LED روشن شود.

توانایی شمارنده موجی در عمل به عنوان چاه و نیز منبع جریان بار خروجی، به این معنی است که هر دو LED می‌توانند به یک ترمینال خروجی متصل شوند که در نهایت باعث می‌شود که بتوانیم تعداد LEDهای مورد استفاده در چراغ چشمک زن را افزایش دهیم. با این حال، در هر لحظه بسته به این که حالت خروجی در سطح HIGH یا LOW باشد، تنها یک LED روشن می‌شود. مدار شکل زیر یک نمونه از چنین حالتی را نشان می‌دهد.

در مدار شکل بالا، دو LED متصل به خروجی بسته به وضعیت خروجی، به صورت متناوب خاموش و روشن می‌شوند و در نهایت یک مدار چراغ چشمک زن ایجاد می‌شود. اگر نیاز باشد که جریان LEDها به زیر 15 میلی آمپر محدود شوند، آن‌گاه می‌توان از مقاومت‌های سری استفاده کرد.

همان طور که قبلا به این موضوع اشاره کردیم، بیشینه جریان خروجی در هر دو مود چاه و منبع جریان بار از طریق پین‌های خروجی، در حدود 15 میلی آمپر است. این مقدار برای درایو کردن LED و لامپ‌های کوچک کافی است. اما اگر بخواهیم ادوات با توان بالاتر مانند موتور، رله‌ و یا آهنربای الکتریکی را به جای LED کلیدزنی و کنترل کنیم، آن‌گاه لازم است تا از ترانزیستورها برای تامین جریان کافی برای درایو بار استفاده کنیم. نمایی از یک مدار با درایو ترانزیستوری برای یک شمارنده موجی در تصویر زیر دیده می‌شود.

اگر جریان بالا باشد، می‌توان ترانزیستورها در دو مدار شکل بالا را با ترانزیستورهای دارلینگتون (Darlington Transistors) و یا ماسفت‌های قدرت (Power MOSFET) جایگزین کرد. زمانی که از یک بار سلفی مانند موتور، رله‌ و یا آهنربای الکتریکی استفاده می‌کنیم، بهتر است که یک دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) را مستقیما به ترمینال بار متصل کنیم تا هر گونه ولتاژ ضد محرکه (Back EMF) تولید شده توسط ادوات سلفی هنگام تغییر حالت را جذب کند.

فیلم آموزش مبانی تعمیر چراغ های ال ای دی LED در فرادرس

کلیک کنید

همچنین می‌توان تعداد بیشتری LED را به خروجی مدار اضافه کرد، اما به یاد داشته باشید که معمولا هر LED به حدود 15 تا 20 میلی آمپر جریان در ولتاژ ۱٫۲ ولت برای روشنایی کامل نیاز دارد. بنابراین باید به این نکته هنگام اتصال مدار به باتری یا منبع تغذیه توجه کرد. یکی از مزایای آی‌سی 4040 این است که به صورت خودکار مقدار بیشینه جریان ورودی و خروجی را محدود می‌کند، بنابراین می‌توان LEDها را به صورت مستقیم و بدون استفاده از مقاومت محدودکننده جریان به خروجی متصل کرد.

بر اساس آن‌چه در این مقاله گفته شد، یک مدار ساده چراغ چشمک زن را می‌توان با استفاده از تعدادی المان متداول و موجود ساخت. المان‌های لازم شامل آی‌سی تایمر 555 برای ایجاد سیگنال کلاک و شمارنده آسنکرون موجی ۱۲ بیتی CMOS 4040 برای ارتباط با LEDها هستند. می‌توان در صورت لزوم یک مدار ساده چراغ چشمک زن را با استفاده از فلیپ فلاپ نوع T تک بیتی نیز ایجاد کرد. زیرا این فلیپ فلاپ دارای ویژگی تاگل یا تغیر وضعیت است که مولفه ذاتی عملکرد شمارش محسوب می‌شود.

شمارنده‌های موجی چند بیتی می‌توانند به صورت آبشاری به یکدیگر متصل شوند تا مقسم‌های موجی چند بیتی بزرگ را بسته به انتخاب طراح ایجاد کنند و یا به صورتی تنظیم شوند که بعد از یک شمارش باینری خاص ریست شوند. آی‌سی شمارنده باینری موجی 4060 که چهارده بیتی است، دارای مدار نوسان‌ساز داخلی است. بنابراین می‌توان فقط با اضافه کردن یک خازن زمان‌بندی و دو مقاومت به آن، یک مدار چراغ چشمک زن ساده را ایجاد کرد. توجه کنید که در این حالت دیگر به آی‌سی تایمر 555 برای ایجاد سیگنال کلاک نیاز نداریم.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مبانی مهندسی برق ۱
• مجموعه آموزش‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• مولتی متر و روش استفاده از آن — به زبان ساده
• برد بورد (Breadboard) چیست؟ — به زبان ساده
• اسیلوسکوپ و روش استفاده از آن — راهنمای جامع

^^