مدار چراغ چشمک زن چگونه کار می کند؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، 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.

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، ۷۴LS۹۳ است که یک شمارنده چهار بیتی (مقسم بر ۱۶) است. CMOS ۴۰۲۴ هفت بیتی (مقسم بر ۱۲۸) و CMOS ۴۰۴۰ دوازده بیتی (مقسم بر ۴۰۹۶) و نهایتا CMOS ۴۰۶۰ چهارده بیتی (مقسم بر ۱۶۳۸۴) نیز از دیگر آی‌سی‌های شمارنده محسوب می‌شوند؛ بنابراین در این مدارات، خروجی شمارنده Qn، به عنوان طبقه N ام شمارنده تعریف می‌شود. مثلا خروجی Q۶ در طبقه ۶ام و برابر با عدد ۲۶=۶۴ (یا ۱۶۴ فرکانس کلاک) و Q۱۲ برابر با عدد ۲۱۲=۴۰۹۶ (یا ۱۴۰۹۶فرکانس 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 CD۴۰۴۰B 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 ۱۲ خروجی به صورت ترتیبی در هر لبه پایین رونده پالس کلاک تغییر حالت می‌یابند و یک رشته خروجی باینری را تولید می‌کنند.

خروجی آی‌سی ۴۰۴۰ 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 ۴۰۴۰ یک ابزار ایده آل برای تولید یک مدار چراغ چشمک زن یا نمایش‌گر نوری در پروژه‌های الکترونیکی به حساب می‌آید. چون ۴۰۴۰ یک شمارنده موجی ۱۲ بیتی است، هر یک از ۱۲ خروجی در یک دنباله باینری از ۰ تا ۴۰۹۶ (۲۱۲) به سطح HIGH یا LOW تغییر حالت می‌دهند. روند انجام این کار در دیاگرام زمان‌بندی زیر نشان داده شده است.

دیاگرام زمان‌بندی شمارنده موجی ۴۰۴۰.

اما قبل از این‌که بتوانیم از ۴۰۴۰ 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 NE۵۵۵ 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 ۴۰۴۰ را به عنوان بخشی از مدار چراغ چشمک زن انتخاب کنیم و طولانی‌ترین تناوب زمان‌بندی بر روی بیت ۱۲ ام برابر با ۴ ثانیه (فرکانس برابر با ۰ ٫ ۲۵ هرتز) باشد (۲ ثانیه روشن و ۲ ثانیه خاموش)، آن‌گاه فرکانس پالس کلاک ورودی بر روی پین ۱۰ از آی‌سی شمارنده ۴۰۴۰ لازم است که در حدود ۱ هرتز (۰.۲۵ × ۴۰۹۶) باشد. مدار چراغ چشمک زن در شکل زیر نشان داده شده است.

مدار چراغ چشمک زن ساده

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 LED ها، نحوه چشمک زدن لامپ‌ها را می‌توان بنا بر انتخاب طراح تغییر داد.

خروجی شمارنده موجی در مدار چراغ چشمک زن

خروجی‌های Q۱تا Q۱۲شمارنده، قادرند تا جریان بار را تا مقدار بیشینه ۱۵ 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. نمایی از نحوه اتصال شمارنده ۴۰۴۰ در دو مود چاه جریان و منبع جریان در شکل زیر نشان داده شده است.

نحوه اتصال شمارنده ۴۰۴۰ در دو مود چاه جریان و منبع جریان

در مدار اول از سمت چپ، LED بین ترمینال خروجی (که در این حالت پایه Q۸است.) و منبع تغذیه VCCمتصل شده است. در این شرایط جریان به مدار جذب می‌شود یا به عبارت دیگر، به ترمینال خروجی شمارنده ۴۰۴۰ 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 Q۸و 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.

اتصال دو LED به یک خروجی شمارنده

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 ۱۵ 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 ۱۵ 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.

درایو ترانزیستوری شمارنده موجی

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.

همچنین می‌توان تعداد بیشتری LED را به خروجی مدار اضافه کرد، اما به یاد داشته باشید که معمولا هر LED به حدود ۱۵ تا ۲۰ 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 ۴۰۴۰ 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 ۵۵۵ برای ایجاد سیگنال کلاک و شمارنده آسنکرون موجی ۱۲ بیتی CMOS ۴۰۴۰ 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 ۴۰۶۰ 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 ۵۵۵ برای ایجاد سیگنال کلاک نیاز نداریم.