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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Blinkende LED-Anzeigen auf CMOS-Chips. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Beleuchtung Anmerkung Betriebszustandsanzeiger werden häufig in elektronischen Geräten eingesetzt, beispielsweise als Teil einer Sicherheitsalarmanlage oder in einzelnen Ausführungen auch zur Simulation ihrer Anwesenheit. Ein solcher Blinker kann in elektronischem Spielzeug zur Erzeugung ästhetischer Effekte oder als Steuergerät zur Steuerung von Blinklichtern in Sonderfahrzeugen eingesetzt werden. Als Leuchtelemente empfiehlt es sich, ultrahelle LEDs zu verwenden, die dank der hohen Belastbarkeit der CMOS-Mikroschaltungen der Serien KR1554 und KR1564 ohne Schlüsseltransistoren direkt an ihre Ausgänge angeschlossen werden können.
Arbeitsprinzip. Als grundlegende Schaltungslösungen für LED-Anzeigen werden die einfachsten Designs auf zwei bzw. drei CMOS-Chips mit Standardlogik der KR1554-Serie verwendet, die in [1] und [2] diskutiert werden. Die erste Version (Abb. 1) des Geräts erzeugt zwei Blitze jeder LED mit einem Arbeitszyklus von vier. Das bedeutet, dass die LED-Leuchtzeit 25 % der Blitzdauer beträgt, was subjektiv dem deutlichsten Blitzen der LEDs entspricht. Darüber hinaus verdoppelt ein solcher Arbeitszyklus die Lebensdauer von Elementen mit geringem Stromverbrauch, wenn das Gerät mit Batterien betrieben wird. Wir betrachten den Betrieb des Geräts unter der Annahme, dass sich die Zähler DD2.1 und DD2.2 zu Beginn im Zustand „Null“ befinden. Mit den Elementen DD1.1, DD1.2 entsteht ein Rechteckimpulsgenerator mit einer Folgefrequenz von etwa 10 Hz. Wenn das Element DD1.2 in den entgegengesetzten Zustand geschaltet wird, summiert sich die Spannung an der linken Platte des Kondensators C1 laut Diagramm mit dem vorherigen Wert und erreicht fast das Doppelte der Spannung der Stromquelle. Für die Eingangsschutzdioden des DD1.1-Elements ist dieser Betriebsmodus nicht akzeptabel, daher wird ein Widerstand R1 in das Gerät eingeführt, der die Stromimpulse auf 1 mA begrenzt, was bereits ein völlig akzeptabler Wert ist. Dieser Widerstand verhindert den Ausfall von Schutzdioden und erhöht dadurch die Zuverlässigkeit des Gerätes im Langzeitbetrieb deutlich. Der Zähler DD2.1 wird durch negative Abfälle von Zählimpulsen ausgelöst und erzeugt bei Erreichen des „dritten“ Zustands Pegel logischer Einheiten an den Ausgängen „1“ und „2“ (Pins 11 bzw. 10). Wird den Eingängen des Elements DD1.3 zugeführt, entsteht an seinem Ausgang ein „Null“-Pegel. Dieser Logikpegel wird dem Eingang des Elements DD1.4 zugeführt und bewirkt, zuletzt invertiert, das Aufleuchten der HL2-LED.
Dies geschieht aufgrund der Tatsache, dass sich der Zähler DD2.2, wie oben erwähnt, im anfänglichen „Null“-Zustand befindet und am Ausgang des Elements DD1.4 ein logischer „Eins“-Pegel gebildet wird (siehe Zeitdiagramm in Abb. 2). ). Der Übergang des DD2.1-Zählers in den „vierten“ Zustand führt zum Erlöschen der HL2-LED und der Übergang in den „siebten“ Zustand führt zu deren Wiederzündung. Darüber hinaus wird der DD2.1-Zähler mit dem negativen Abfall des nächsten Zählimpulses in den „achten“ Zustand überführt, und der negative Abfall am Ausgang seines „dritten“ Bits (Pin 4) führt zu einer Erhöhung des Zustands des DD2.2-Zählers um eins. Wenn nun am Ausgang des Elements DD1.3 der logische Nullpegel erscheint, leuchtet die rote LED HL1. Somit kommt es zu zwei aufeinanderfolgenden Blitzen jeder LED. Die Blitzfrequenz kann durch Trimmwiderstand R2 geändert werden, und die Obergrenze des Frequenzbereichs des Generators kann durch Auswahl von Widerstand R3 geändert werden. Wenn Sie nicht zwei, sondern vier Blitze jeder LED benötigen, müssen Sie Zählimpulse an den DD2.2-Eingang vom Ausgang der vierten (Pin 8) und nicht von der dritten Ziffer (Pin 9) des DD2.1 anlegen .XNUMX Zähler.
Der elektrische Schaltplan einer Anzeige mit drei LEDs ist in Abb. 4 dargestellt. Das Gerät erzeugt drei aufeinanderfolgende Blitze jeder LED, ebenfalls mit einem Arbeitszyklus von vier. Im Gegensatz zur ersten Version des Geräts wird der DD2.1-Zähler durch einen kurzen positiven Impuls vom Ausgang des DD1.4-Elements auf Null zurückgesetzt, wenn er den „zwölften“ Zustand erreicht. Wenn Sie nicht zurücksetzen, sondern den Reset-Eingang „R“ (Pin 12) mit der „gemeinsamen“ Leitung verbinden, blinkt jede LED nicht dreimal, sondern viermal. Zählimpulse vom Ausgang der höchstwertigen Ziffer DD2.1 werden an den Eingang DD2.2 gesendet, der Codekombinationen zur Auswahl einer der drei blinkenden LEDs HL1...HL3 generiert. Ein Arbeitszyklus von vier wird durch eine Kombination von Steuersignalen erreicht, die von den Ausgängen der niederwertigen Bits des DD2.1-Zählers (Pins 11 und 10) an die inversen „Auflösungs“-Eingänge „V(&)“ des DD3-Zählers kommen DD4-Decoder (Pins 5 und 6). Sein direkter „Enable“-Eingang („V“, Pin 1) ist entsprechend der Betriebslogik mit dem Power-Bus verbunden. In diesem Fall leuchtet eine der drei LEDs HL3…HL3 nur dann auf, wenn an den Eingängen „V(&)“ des Decoders DD4 (Pins 5 und 5) zwei Pegel einer logischen Null zusammenfallen, gemäß dem Zeitdiagramm in Abb. XNUMX.
Jeder vom Ausgang von DD2.2 am Eingang des Zählers DD2.1 ankommende Zählimpuls führt zu einer Erhöhung seines Zustandes um eins. Wenn der „dritte“ Zustand erreicht ist, wird dank der Kette VD1, VD2, R4 der Zähler DD2.2 auf Null zurückgesetzt und dann wird der Betriebszyklus des Geräts vollständig wiederholt. Es ist zu beachten, dass die angegebene Kette (VD1, VD2, R4) ein voll funktionsfähiges Äquivalent zweier in Reihe geschalteter Elemente DD1.3, DD1.4 ist, d. h. übernimmt die Funktion der logischen „Multiplikation“ von Signalen.
Eine verbesserte Version der Drei-LED-Anzeige ist in Abb. dargestellt. 7. Hier wird der DD2.2-Zähler nicht zurückgesetzt, er arbeitet also im zyklischen Modus mit einem vollständigen Satz von Zuständen, was die Erzeugung negativer Impulse an den vier Ausgängen des DD3-Decoders ermöglicht. Die Anzahl der LEDs beträgt immer noch drei, sie sind jedoch nicht direkt mit den Ausgängen des Decoders verbunden, sondern über die Elemente DD4.1…DD4.3. An ihren Ausgängen erscheint ein logischer Nullpegel, und daher leuchtet die entsprechende LED auf, wenn an einem der Eingänge die angegebenen Elemente mit demselben logischen Pegel empfangen werden, gemäß dem Zeitdiagramm in Abb. 8. Wenn der DD2.2-Zähler den „dritten“ Zustand erreicht (an den Ausgängen „1“ und „2“ - Pegel logischer Einheiten), erscheint der gleiche Pegel am Ausgang „3“ (Pin 12) des DD3-Decoders, jedoch nur, wenn die Bedingung, dass die beiden Pegel der logischen „Null“ an den Eingängen seiner Auflösung „V(&)“ (Pins 4 und 5) übereinstimmen. Somit leuchten nach drei aufeinanderfolgenden Blinkvorgängen jeder der drei LEDs HL1...HL3 alle LEDs dreimal gleichzeitig auf. Die Eingänge des Elements DD4.4 (im Diagramm nicht dargestellt) sind mit dem Energiebus verbunden.
Durch die Verwendung einer Mikroschaltung mit vier identischen RS-Triggern mit inversen Steuereingängen in einem Gehäuse konnte der Betriebsalgorithmus des Geräts erheblich verändert werden (Abb. 10). Dies bedeutet, dass der Übergang des RS-Flipflops in den entsprechenden Zustand auf dem Niveau der logischen „Null“ erfolgt, die am entsprechenden Eingang „R“ oder „S“ ankommt. In diesem Fall müssen an den angegebenen Eingängen vor dem Anlegen des aktiven Pegels der logischen Null die Pegel der logischen Einsen zuvor festgelegt werden. Diese Funktionsweise wird durch den DD3-Decoder gewährleistet, dessen aktive Ausgangslogikpegel genau „Null“ sind. Zu Beginn befinden sich die Zähler DD2.1 und DD2.2 im Zustand „Null“, daher wird am Ausgang des Elements DD1.3 ein logischer Eins-Pegel gebildet, der die Dekodierung der Zustände des Zählers DD2.2 verhindert , deren logische Ausgangspegel den Adresseingängen „1“ und „2“ des DD3-Decoders zugeführt werden. Somit werden an allen seinen Ausgängen Ebenen logischer Einheiten gebildet, die dem Ausgangszustand des Geräts entsprechen. Da am Ende des vorherigen Zyklus am Ausgang des Elements DD1.4 ein kurzer negativer Impuls erzeugt wurde, wurden alle RS-Flip-Flops in den „Single“-Zustand versetzt, sodass alle LEDs ausgeschaltet waren. Wenn der Zähler DD2.1 vom „Null“- in den „ersten“ Zustand übergeht, ermöglicht der logische Nullpegel vom Ausgang des Elements DD1.3 die Dekodierung der Zustände von DD3 und an seinem Ausgang erscheint ein logischer „Null“-Pegel. 0“ (Pin 15). Dieser Pegel versetzt den ersten (obersten im Schaltkreis) RS-Trigger, der Teil des DD4-Chips ist, in den Nullzustand und geht gleichzeitig zur Anode der HL1-LED. Allerdings leuchtet die LED zu diesem Zeitpunkt nicht, da die Potentialdifferenz an ihren Anschlüssen Null ist. Wenn der Zähler DD2.1 den vierten Zustand erreicht, wird die Dekodierung der DD3-Zustände wieder unterbunden und an seinem Ausgang „0“ (Pin 15) wird ein logischer Eins-Pegel gebildet. Da am Ausgang „1Q“ (Pin 4) des schaltungsgemäß ersten RS-Triggers DD4 der „Null“-Pegel erzeugt wurde, führt dies zum Aufleuchten der HL1-LED. Es folgen drei Blitze mit einem Tastverhältnis von vier, wie in den vorherigen Fällen, gemäß dem Zeitdiagramm in Abb. 11. In diesem Fall negative Impulse am Ausgang „0“ (Pin 15) der DD3-Decoderleitung Genau bis zum Erlöschen der HL1-LED wird daher beim Übergang des Zählers DD2.2 von Null in den ersten Zustand am angegebenen Ausgang „0“ (Pin 15) des Decoders DD3 ein fester (statischer) logischer Eins-Pegel gebildet , und die HL1-LED bleibt an. Jeder weitere Zählimpuls vom Ausgang des Generators führt zu einer Erhöhung der Zustände des Zählers DD2.1 und danach von DD2.2. In diesem Fall blinken die LEDs HL2...HL4 dreimal hintereinander und werden anschließend im eingeschalteten Zustand fixiert. Wenn der DD2.2-Zähler den „vierten“ Zustand erreicht, wird an seinem Ausgang „4“ (Pin 9) ein kurzer positiver Impuls erzeugt, der, invertiert durch das DD1.4-Element, zum Setzen aller DD4-RS-Flip-Flops führt. wechselt in den „Single“-Zustand und die LEDs erlöschen. Anschließend wird der Betriebszyklus des Geräts vollständig wiederholt.
Eine verbesserte Version der Vier-LED-Anzeige ist in Abb. dargestellt. 13. Es enthält einen einfachen Timer, bestehend aus einem Rechteckimpulsgenerator, der aus den Elementen DD2.1, DD2.2 und den Zählern DD4.1, DD4.2 zusammengesetzt ist. Der Timer erweitert die Funktionalität der LED-Anzeige erheblich und ermöglicht die Auswahl nahezu beliebiger Dauer des Betriebszyklus des Geräts, beginnend mit einem einzelnen Blitz der HL1-LED und endend mit einer bestimmten Zeitverzögerung für das Aufleuchten aller LEDs nach Abschluss des Vorgangs gesamten Betriebszyklus.
Die Betriebslogik des Geräts entspricht vollständig dem in Abb. gezeigten Zeitdiagramm. 11, mit dem Unterschied, dass das Signal zum Setzen der RS-Trigger des DD6-Chips vom Zähler DD4.2 des zusätzlich eingeführten Timers erzeugt wird. Im Gegensatz zum Vorgänger verwendet die verbesserte Version des Geräts zwei unabhängige Rechteckimpulsgeneratoren, deren Frequenz unabhängig voneinander eingestellt wird. Dadurch können Sie sowohl die Häufigkeit der LED-Blitze (mit R3) als auch die Dauer des gesamten Betriebszyklus (mit R6) separat ändern.
Aufbau und Einzelheiten. Alle Geräte werden auf Leiterplatten aus doppelseitigem Folien-Glasfaserlaminat mit einer Dicke von 1,5 mm hergestellt. Abmessungen der Leiterplatten: erste Option (Abb. 3): 35x50 mm; zweite Option: (Abb. 6): 40x70 mm; dritte Option: (Abb. 9): 40x70 mm; vierte Option: (Abb. 12): 40x75 mm; und fünfte Option: (Abb. 14): 50x90 mm.
Die Geräte verwenden Festwiderstände vom Typ MLT-0,125, Abstimmwiderstände SP3-38b in horizontaler Bauform, unpolare Kondensatoren vom Typ K10-17, Oxidkondensatoren vom Typ K50-35 oder importierte. Mikroschaltungen der CMOS-Serie KR1554 verfügen über eine hohe Belastbarkeit (bis zu 24 mA), wodurch Sie LEDs direkt und ohne Schlüsseltransistoren an ihre Ausgänge anschließen können. Wenn keine superhellen LEDs verfügbar sind, können Sie auch LEDs mit Standardhelligkeit verwenden. In diesem Fall müssen Sie jedoch nur die ICs der KR1554-Serie verwenden, deren Ausgangsströme 24 mA erreichen können. In den Schaltungen von Rechteckimpulsgeneratoren können Sie anstelle des KR1564LA3 (74HC00N) auch den KR1564TL3 (74HC132N) verwenden, der vier Schmitt-Trigger enthält. Diese Option ist am meisten zu bevorzugen, wenn batteriebetriebene Geräte verwendet werden, um deren Effizienz zu steigern, indem die Durchgangsströme beim Schalten von Logikelementen deutlich reduziert werden. Aufgrund der hohen Belastbarkeit der CMOS-Mikroschaltungen der Serien KR1564 und KR1554 ist es möglich, Mikroschaltungen der Serien CMOS (KR1564, KR1554, KR1594) und TTLSh (KR1533, K555) und sogar TTL (K155) in einem Gerät zu kombinieren. Nur Mikroschaltungen der Serien K561 und KR1561, deren Belastbarkeit 1 mA nicht überschreitet, sind in Geräten nicht anwendbar, auch nicht für Geräte der Serie CD40xxBN. Anstelle von DD1 (KR1564LA3) kann beispielsweise sein voll funktionsfähiges TTLSH-Analogon vom Typ KR1533LA3 funktionieren. Da die Eingangsströme von Mikroschaltungen der TTLSH-Serie viel höher sind als die entsprechenden Werte für CMOS-Mikroschaltungen, ist es notwendig, einen Trimmwiderstand (R2) mit einem Widerstand von 1 kOhm zu installieren und die Konstanten (R1 und R3) durch Brücken zu ersetzen . In diesem Fall wird der unpolare Kondensator C1 durch eine Oxidkapazität von bis zu 100 μF ersetzt, um die Zeitkonstante des Generators aufrechtzuerhalten. Bei der Versorgung von Geräten aus Kleinleistungselementen mit einer Gesamtspannung von 3 V muss auf den integrierten Stabilisator und die Schutzdiode verzichtet und LEDs mit möglichst geringer Betriebsspannung ausgewählt werden. Bei Verwendung des Mikroschaltungsgenerators KR1564TL3 (74HC132N) vor Ort reicht die Batterielebensdauer für mehrere Monate Dauerbetrieb. Aus wartungsfähigen Teilen zusammengebaute und fehlerfreie Geräte erfordern keine Einstellung und funktionieren sofort nach dem Einschalten. Literatur.
Autor: Odinets A.L.
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