Membuat Rangkaian Lampu Natal LED (kedap kedip)
Natal akan datang dan ini adalah waktu yang paling tepat di tahun ketika siswa elektro atau penggemar hobi elektronika berpikir untuk membuat rangkaian lampu Natal untuk rumah mereka dan terutama yang membuat beberapa lampu.
Ada banyak rangkaian dan peralatan di pasaran yang dapat menyalakan sejumlah lampu secara berkala, acak atau berurutan tetapi satu IC yang sangat serbaguna yang dapat digunakan oleh penghobi atau siswa untuk menghasilkan Rangkaian Lampu Natal sederhana untuk digunakan dalam berbagai tampilan pencahayaan musiman yang berbeda adalah Counter Johnson CMOS 4017B.
4017B adalah beralih cepat 5-tahap Johnson decade counter lengkap dengan sepuluh output sepenuhnya decoded (membuat total 10 sumber cahaya individu). Sepuluh output ini berganti secara berurutan satu per satu pada saat kedatangan setiap sisi positif baru dari pulsa clock.
Hanya satu output pada logika "1" atau "TINGGI" pada satu saat, sementara yang lainnya dibersihkan pada logika "0" atau "RENDAH", sehingga dapat menghasilkan urutan bergerak atau efek chaser, menjadikan 4017 ideal sebagai urutan LED atau tampilan pencahayaan untuk proyek lampu Natal.
4017B pada dasarnya adalah Register Geser yang bersirkulasi di mana output serialnya dihubungkan kembali ke input serialnya untuk menghasilkan urutan tertentu. Counter 4017B Johnson juga dapat digunakan dalam aplikasi pembagian frekuensi serta aplikasi tampilan decade atau decode desimal.
4017B diklasifikasikan sebagai pencacah (counter) karena menunjukkan urutan keadaan tertentu pada penerapan sinyal clock atau pulsa. Karena 4017B digunakan sebagai penghitung sinkron, aksi switching dari semua flip-flop internal berasal dari sinyal clock umum seperti yang ditunjukkan.
Daftar ini tidak ada habisnya. Tetapi satu cara yang sangat sederhana dan efektif untuk menghasilkan sinyal timing gelombang persegi dengan minimum komponen adalah dengan menggunakan inverter trigger Schmitt.
Schmitt Trigger, adalah tingkat tegangan sensitif perangkat dua-keadaan dalam bentuk inverter atau gerbang NOT. Keuntungan menggunakan pemicu Schmitt untuk menghasilkan sinyal timing gelombang persegi variabel adalah bahwa ia menggunakan rangkaian ambang batas khusus yang menghasilkan histerisis, yang mencegah switching tidak menentu dengan "mengkuadratkan" tegangan pemicu saat beralih antar keadaan.
Hal ini memungkinkan peralihan yang andal terjadi antara "TINGGI" dan "RENDAH", atau logika "0" dan logika "1" menjadikannya ideal sebagai sinyal pengaturan waktu gelombang persegi untuk proyek rangkaian lampu Natal kami.
Pertimbangkan Schmitt Inverter seperti yang ditunjukkan. Ketika posisi wiper potensiometer berada di bagian bawah diagram, input tegangan ke inverter Schmitt rendah mewakili level logika "0", dan di bawah level ambang input yang lebih rendah dari Gerbang Logika. Karena pemicu Schmitt adalah inverter, maka output yang dihasilkan akan tinggi pada level logika "1".
Saat penghapus potensiometer bergerak ke arah +5V, ada titik ketika tegangan pada Vi sama atau lebih tinggi dari input ambang batas yang lebih tinggi atau titik trip yang lebih tinggi ( VHTP ) yang menyebabkan inverter Schmitt mengubah keadaan. Sekarang ada situasi dimana input berada pada level logika "1" dan outputnya pada level logika "0". Kemudian pemicu Schmitt bertindak sebagai inverter atau gerbang NOT.
Demikian juga, jika posisi potensiometer penghapus berada pada +5V dan diturunkan ke 0V, ada titik ketika tegangan pada Vi sama atau lebih rendah dari input ambang batas bawah atau titik perjalanan lebih rendah ( VLTP ) yang menyebabkan inverter Schmitt berubah keadaan sekali lagi.
Kemudian dengan mengubah nilai tegangan pada input inverter Schmitt antara titik trip batas atas dan bawahnya, kita dapat menyebabkan output berubah keadaan, dan ini adalah ide dasar di balik rangkaian osilator astabil Schmitt. Dengan mengganti potensiometer dengan rangkaian RC (Resistor-Capasitor) seperti yang ditunjukkan, kami dapat mengisi dan melepaskan kapasitor melalui inverter Schmitt.
Dengan asumsi bahwa Kapasitor Timing, CT sepenuhnya habis dan input untuk pemicu Schmitt adalah pada logika “0”, oleh karena itu outputnya adalah pada logika “1”, kapasitor akan mulai untuk mengisi secara eksponensial melalui Resistor Timing, RT dari kanan ke kiri. Kecepatan pengisian kapasitor akan tergantung pada konstanta waktu RC-nya.
Pada titik tertentu, tegangan melintasi plat kapasitor akan mencapai nilai ambang batas yang lebih tinggi dari pemicu Schmitt yang menyebabkan output beralih dari logika “1” ke logika “0”. Sebagai output dari pemicu Schmitt adalah efektif pada potensial 0V, kapasitor mulai melepaskan kembali melalui resistor timing, RT dari kiri ke kanan pada kecepatan yang ditentukan oleh mereka RC waktu konstan.
Ketika tegangan melintasi plat kapasitor pemakaian mencapai nilai ambang batas yang lebih rendah dari pemicu Schmitt, itu menyebabkannya untuk mengubah keadaan dan seluruh proses berulang.
Secara umum, titik ambang yang lebih tinggi, VHTP biasanya terjadi di sekitar 65% (2/3rds) dari tegangan supply sedangkan titik ambang yang lebih rendah terjadi sekitar 35% (1/3) dari tegangan supply. Setiap inverter pemicu Schmitt seperti 4106, 4584, 74LS14, 74LS19, dll dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal timing atau bahkan Schmitt gerbang NAND seperti 4093, 74LS132, dll.
Namun, dengan menggunakan kelompok logika yang berbeda apakah CMOS atau TTL (74LSxx, 74HLSxx, 74HCTxx) akan menghasilkan titik perjalanan atas dan bawah yang berbeda sehingga menghasilkan frekuensi operasi yang berbeda dan rasio mark-to-space dari bentuk gelombang waktu output.
Umumnya kesalahan dalam frekuensi berosilasi untuk sub-keluarga logika yang berbeda bukanlah masalah terutama pada frekuensi yang lebih tinggi, tetapi bisa di mana saja dari 1.2RC ke 1.5RC dengan rumus umum untuk generator gelombang astabil Schmitt yang diberikan sebagai:
Di mana: Beta ( β ) dapat berupa nilai tetap antara 1.2 dan 1.5 tergantung pada keluarga gerbang logika yang digunakan.
Jika kita mengganti resistor timing, RT tetap dengan potensiometer, frekuensi variabel gelombang persegi sinyal waktu dapat diproduksi untuk rangkaian lampu Natal. Jelas kami tidak ingin nilai resistansi waktu sama dengan nol ketika potensiometer diputar sepenuhnya dalam satu arah karena ini akan membuat Schmitt inverter pendek.
Jadi untuk mencegah hal ini terjadi, nilai resistansi tetap yang kecil perlu dihubungkan secara seri dengan potensiometer untuk menyediakan setidaknya beberapa resistansi waktu.
Komponen-komponen jaringan timing RC yang digunakan dalam rangkaian lampu Natal dapat berupa nilai apa pun yang Anda miliki untuk menghasilkan frekuensi osilasi pilihan Anda. Rangkaian astabil Schmitt berikut akan memberikan frekuensi output mulai dari sekitar 10Hz hingga 6kHz ketika potensiometer disesuaikan dari minimum ke maksimum.
Inverter pemicu Schmitt tambahan IC1b digunakan sebagai penyangga pembalik untuk membantu membersihkan gelombang waktu dan meningkatkan kinerja osilator. Karena ada enam inverter per 40106B IC, ada cadangan yang cukup.
Ok, sekarang kita memiliki counter decade dan rangkaian osilator gelombang astabil, kami sekarang membutuhkan beberapa lampu untuk membuat rangkaian lampu Natal baru kita. Ini bisa berupa semua jenis lampu atau lampu yang Anda miliki dari LED hingga lampu filamen mini.
Jika Anda berharap output dari counter juga dapat digunakan untuk menggerakkan Optocoupler yang pada gilirannya dapat digunakan untuk mengganti Triac atau Thyristor untuk mengganti lampu tegangan listrik. Untuk tutorial rangkaian lampu Natal sederhana ini kita akan menggunakan LED.
Counter decade 4017B memiliki sepuluh output yang sepenuhnya decoded dengan masing-masing mampu beralih hingga 20mA. Setiap output yang didekodekan biasanya RENDAH (logika "0") dan beralih TINGGI (logika "1") satu per satu secara berurutan.
Keuntungannya di sini adalah bahwa kita dapat menggunakan setiap output untuk menggerakkan satu LED secara langsung dan lebih baik lagi karena hanya satu LED yang menyala pada satu waktu, hanya diperlukan satu resistor pembatas arus untuk semua 10 LED seperti yang ditunjukkan.
Nilai resistor seri 1kΩ dapat dimodifikasi agar sesuai dengan persyaratan tegangan/arus dari tegangan supply yang Anda pilih. Dimungkinkan juga untuk menambahkan lebih banyak seri LED pada output, tetapi ingat bahwa umumnya setiap LED membutuhkan arus maju minimum sekitar 10mA pada 2V untuk menerangi sepenuhnya.
Jika Anda memiliki jenis aplikasi rangkaian lampu Natal lainnya di mana Anda perlu menggerakkan lebih banyak LED atau lebih banyak daya output yang dibutuhkan, maka output yang diterjemahkan dapat digunakan untuk menggerakkan basis transistor switching atau gerbang perangkat MOSFET daya seperti yang ditunjukkan.
Selain hanya mengganti lampu dan LED, transistor, apakah bipolar MOSFET dapat digunakan untuk mengganti coil relai elektromagnetik atau input solid state relay untuk meningkatkan fleksibilitas rangkaian lampu Natal.
Tetapi seperti halnya driving kesepuluh LED, counter Johnson 4017B juga dapat dikonfigurasikan sebagai counter dengan output decode “N”, di mana “N” dapat berupa angka antara 2 dan 9.
Dengan menghubungkan pin reset (pin 15) kembali ke salah satu output alih-alih langsung ke ground, counter dapat dikonfigurasi sebagai counter divide-by-2, divide-by-4 dll, untuk mengarahkan 2, 4, 8 atau sejumlah LED berurutan antara 2 dan 10.
Jadi misalnya kita hanya ingin menyalakan empat LED secara berurutan, kita akan menghubungkan pin reset ke output kelima (pin 10) dan setiap LED akan berkedip pada kedatangan setiap sinyal clock keempat. Demikian juga, jika kita ingin menginstal hanya enam LED, kita akan menghubungkan pin reset ke output ketujuh (pin 5), dan seterusnya.
Tujuan dari tutorial singkat ini adalah untuk menunjukkan bahwa 4017 Johnson Decade Counter dapat digunakan untuk menghasilkan Rangkaian Lampu Natal yang baru atau jenis tampilan "titik bergerak" LED lainnya.
Dimungkinkan juga untuk membuat sejumlah efek terkait cahaya yang berkedip tidak hanya untuk Natal tergantung pada bagaimana Anda mengatur secara fisik (atau lampu) LED dan jumlah yang Anda gunakan.
Kemampuan switching beban rangkaian dapat diperluas lebih lanjut dengan menggunakan transistor bipolar, Darlington atau MOSFET untuk menggerakkan tampilan LED yang lebih besar atau penerangan utama melalui Relai, Optocoupler dan SSR (solid state relay), pilihannya sepenuhnya terserah Anda.
Tapi satu titik keamanan terakhir dan penting untuk dipertimbangkan adalah bahwa perawatan ekstrim harus diambil jika beralih dan bekerja dengan tegangan listrik, jangan lupa, tegangan listrik berbahaya!!, jadi harap berhati-hati.
Ada banyak rangkaian dan peralatan di pasaran yang dapat menyalakan sejumlah lampu secara berkala, acak atau berurutan tetapi satu IC yang sangat serbaguna yang dapat digunakan oleh penghobi atau siswa untuk menghasilkan Rangkaian Lampu Natal sederhana untuk digunakan dalam berbagai tampilan pencahayaan musiman yang berbeda adalah Counter Johnson CMOS 4017B.
4017B adalah beralih cepat 5-tahap Johnson decade counter lengkap dengan sepuluh output sepenuhnya decoded (membuat total 10 sumber cahaya individu). Sepuluh output ini berganti secara berurutan satu per satu pada saat kedatangan setiap sisi positif baru dari pulsa clock.
Hanya satu output pada logika "1" atau "TINGGI" pada satu saat, sementara yang lainnya dibersihkan pada logika "0" atau "RENDAH", sehingga dapat menghasilkan urutan bergerak atau efek chaser, menjadikan 4017 ideal sebagai urutan LED atau tampilan pencahayaan untuk proyek lampu Natal.
4017B pada dasarnya adalah Register Geser yang bersirkulasi di mana output serialnya dihubungkan kembali ke input serialnya untuk menghasilkan urutan tertentu. Counter 4017B Johnson juga dapat digunakan dalam aplikasi pembagian frekuensi serta aplikasi tampilan decade atau decode desimal.
4017B diklasifikasikan sebagai pencacah (counter) karena menunjukkan urutan keadaan tertentu pada penerapan sinyal clock atau pulsa. Karena 4017B digunakan sebagai penghitung sinkron, aksi switching dari semua flip-flop internal berasal dari sinyal clock umum seperti yang ditunjukkan.
Counter Decade Johnson 4017B
Sinyal Waktu/Timing Rangkaian
Tetapi sebelum kita dapat menggunakan counter Johnson 4017B sebagai bagian dari rangkaian lampu Natal kita, kita perlu menghasilkan sinyal pewaktu. Ada banyak cara untuk menghasilkan sinyal timing atau clock menggunakan IC khusus seperti IC NE555 atau rangkaian Multivibrator Astabil diskrit menggunakan Transistor atau Osilator kristal.Daftar ini tidak ada habisnya. Tetapi satu cara yang sangat sederhana dan efektif untuk menghasilkan sinyal timing gelombang persegi dengan minimum komponen adalah dengan menggunakan inverter trigger Schmitt.
Schmitt Trigger, adalah tingkat tegangan sensitif perangkat dua-keadaan dalam bentuk inverter atau gerbang NOT. Keuntungan menggunakan pemicu Schmitt untuk menghasilkan sinyal timing gelombang persegi variabel adalah bahwa ia menggunakan rangkaian ambang batas khusus yang menghasilkan histerisis, yang mencegah switching tidak menentu dengan "mengkuadratkan" tegangan pemicu saat beralih antar keadaan.
Hal ini memungkinkan peralihan yang andal terjadi antara "TINGGI" dan "RENDAH", atau logika "0" dan logika "1" menjadikannya ideal sebagai sinyal pengaturan waktu gelombang persegi untuk proyek rangkaian lampu Natal kami.
Pertimbangkan Schmitt Inverter seperti yang ditunjukkan. Ketika posisi wiper potensiometer berada di bagian bawah diagram, input tegangan ke inverter Schmitt rendah mewakili level logika "0", dan di bawah level ambang input yang lebih rendah dari Gerbang Logika. Karena pemicu Schmitt adalah inverter, maka output yang dihasilkan akan tinggi pada level logika "1".
Demikian juga, jika posisi potensiometer penghapus berada pada +5V dan diturunkan ke 0V, ada titik ketika tegangan pada Vi sama atau lebih rendah dari input ambang batas bawah atau titik perjalanan lebih rendah ( VLTP ) yang menyebabkan inverter Schmitt berubah keadaan sekali lagi.
Kemudian dengan mengubah nilai tegangan pada input inverter Schmitt antara titik trip batas atas dan bawahnya, kita dapat menyebabkan output berubah keadaan, dan ini adalah ide dasar di balik rangkaian osilator astabil Schmitt. Dengan mengganti potensiometer dengan rangkaian RC (Resistor-Capasitor) seperti yang ditunjukkan, kami dapat mengisi dan melepaskan kapasitor melalui inverter Schmitt.
Gelombang Generator Schmitt Astabil
Dengan asumsi bahwa Kapasitor Timing, CT sepenuhnya habis dan input untuk pemicu Schmitt adalah pada logika “0”, oleh karena itu outputnya adalah pada logika “1”, kapasitor akan mulai untuk mengisi secara eksponensial melalui Resistor Timing, RT dari kanan ke kiri. Kecepatan pengisian kapasitor akan tergantung pada konstanta waktu RC-nya.
Pada titik tertentu, tegangan melintasi plat kapasitor akan mencapai nilai ambang batas yang lebih tinggi dari pemicu Schmitt yang menyebabkan output beralih dari logika “1” ke logika “0”. Sebagai output dari pemicu Schmitt adalah efektif pada potensial 0V, kapasitor mulai melepaskan kembali melalui resistor timing, RT dari kiri ke kanan pada kecepatan yang ditentukan oleh mereka RC waktu konstan.
Ketika tegangan melintasi plat kapasitor pemakaian mencapai nilai ambang batas yang lebih rendah dari pemicu Schmitt, itu menyebabkannya untuk mengubah keadaan dan seluruh proses berulang.
Secara umum, titik ambang yang lebih tinggi, VHTP biasanya terjadi di sekitar 65% (2/3rds) dari tegangan supply sedangkan titik ambang yang lebih rendah terjadi sekitar 35% (1/3) dari tegangan supply. Setiap inverter pemicu Schmitt seperti 4106, 4584, 74LS14, 74LS19, dll dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal timing atau bahkan Schmitt gerbang NAND seperti 4093, 74LS132, dll.
Namun, dengan menggunakan kelompok logika yang berbeda apakah CMOS atau TTL (74LSxx, 74HLSxx, 74HCTxx) akan menghasilkan titik perjalanan atas dan bawah yang berbeda sehingga menghasilkan frekuensi operasi yang berbeda dan rasio mark-to-space dari bentuk gelombang waktu output.
Umumnya kesalahan dalam frekuensi berosilasi untuk sub-keluarga logika yang berbeda bukanlah masalah terutama pada frekuensi yang lebih tinggi, tetapi bisa di mana saja dari 1.2RC ke 1.5RC dengan rumus umum untuk generator gelombang astabil Schmitt yang diberikan sebagai:
Frekuensi Gelombang Schmitt
Di mana: Beta ( β ) dapat berupa nilai tetap antara 1.2 dan 1.5 tergantung pada keluarga gerbang logika yang digunakan.
Jika kita mengganti resistor timing, RT tetap dengan potensiometer, frekuensi variabel gelombang persegi sinyal waktu dapat diproduksi untuk rangkaian lampu Natal. Jelas kami tidak ingin nilai resistansi waktu sama dengan nol ketika potensiometer diputar sepenuhnya dalam satu arah karena ini akan membuat Schmitt inverter pendek.
Jadi untuk mencegah hal ini terjadi, nilai resistansi tetap yang kecil perlu dihubungkan secara seri dengan potensiometer untuk menyediakan setidaknya beberapa resistansi waktu.
Komponen-komponen jaringan timing RC yang digunakan dalam rangkaian lampu Natal dapat berupa nilai apa pun yang Anda miliki untuk menghasilkan frekuensi osilasi pilihan Anda. Rangkaian astabil Schmitt berikut akan memberikan frekuensi output mulai dari sekitar 10Hz hingga 6kHz ketika potensiometer disesuaikan dari minimum ke maksimum.
Inverter pemicu Schmitt tambahan IC1b digunakan sebagai penyangga pembalik untuk membantu membersihkan gelombang waktu dan meningkatkan kinerja osilator. Karena ada enam inverter per 40106B IC, ada cadangan yang cukup.
Gelombang Generator Rangkaian Lampu Natal
Ok, sekarang kita memiliki counter decade dan rangkaian osilator gelombang astabil, kami sekarang membutuhkan beberapa lampu untuk membuat rangkaian lampu Natal baru kita. Ini bisa berupa semua jenis lampu atau lampu yang Anda miliki dari LED hingga lampu filamen mini.
Jika Anda berharap output dari counter juga dapat digunakan untuk menggerakkan Optocoupler yang pada gilirannya dapat digunakan untuk mengganti Triac atau Thyristor untuk mengganti lampu tegangan listrik. Untuk tutorial rangkaian lampu Natal sederhana ini kita akan menggunakan LED.
Counter decade 4017B memiliki sepuluh output yang sepenuhnya decoded dengan masing-masing mampu beralih hingga 20mA. Setiap output yang didekodekan biasanya RENDAH (logika "0") dan beralih TINGGI (logika "1") satu per satu secara berurutan.
Keuntungannya di sini adalah bahwa kita dapat menggunakan setiap output untuk menggerakkan satu LED secara langsung dan lebih baik lagi karena hanya satu LED yang menyala pada satu waktu, hanya diperlukan satu resistor pembatas arus untuk semua 10 LED seperti yang ditunjukkan.
Generator Gelombang Rangkaian Lampu Lengkap
Jika Anda memiliki jenis aplikasi rangkaian lampu Natal lainnya di mana Anda perlu menggerakkan lebih banyak LED atau lebih banyak daya output yang dibutuhkan, maka output yang diterjemahkan dapat digunakan untuk menggerakkan basis transistor switching atau gerbang perangkat MOSFET daya seperti yang ditunjukkan.
Selain hanya mengganti lampu dan LED, transistor, apakah bipolar MOSFET dapat digunakan untuk mengganti coil relai elektromagnetik atau input solid state relay untuk meningkatkan fleksibilitas rangkaian lampu Natal.
Counter Divide-by-N
Ketika terhubung seperti yang ditunjukkan dengan pin reset (pin 15) yang terhubung ke 0 volt, counter Johnson 4017B bertindak sebagai counter divide-by-sepuluh dengan setiap output menjadi TINGGI pada setiap sinyal clock kesepuluh.Tetapi seperti halnya driving kesepuluh LED, counter Johnson 4017B juga dapat dikonfigurasikan sebagai counter dengan output decode “N”, di mana “N” dapat berupa angka antara 2 dan 9.
Dengan menghubungkan pin reset (pin 15) kembali ke salah satu output alih-alih langsung ke ground, counter dapat dikonfigurasi sebagai counter divide-by-2, divide-by-4 dll, untuk mengarahkan 2, 4, 8 atau sejumlah LED berurutan antara 2 dan 10.
Jadi misalnya kita hanya ingin menyalakan empat LED secara berurutan, kita akan menghubungkan pin reset ke output kelima (pin 10) dan setiap LED akan berkedip pada kedatangan setiap sinyal clock keempat. Demikian juga, jika kita ingin menginstal hanya enam LED, kita akan menghubungkan pin reset ke output ketujuh (pin 5), dan seterusnya.
Rangkaian Lampu Natal
Menyatukan semuanya. Rangkaian Lampu Natal lengkap ditampilkan di bawah ini dengan osilator astabil Schmitt, counter decade, dan LED. Menggunakan pemicu Schmitt menghasilkan osilator astabil yang sangat sederhana dan murah, tetapi rangkaian osilator astabil atau timer 555 mana pun bisa melakukannya. Kombinasi nilai Resistor - Kapasitor yang berbeda dapat digunakan untuk memberikan sinyal timing gelombang frekuensi persegi variabel pilihan Anda.Tujuan dari tutorial singkat ini adalah untuk menunjukkan bahwa 4017 Johnson Decade Counter dapat digunakan untuk menghasilkan Rangkaian Lampu Natal yang baru atau jenis tampilan "titik bergerak" LED lainnya.
Dimungkinkan juga untuk membuat sejumlah efek terkait cahaya yang berkedip tidak hanya untuk Natal tergantung pada bagaimana Anda mengatur secara fisik (atau lampu) LED dan jumlah yang Anda gunakan.
Kemampuan switching beban rangkaian dapat diperluas lebih lanjut dengan menggunakan transistor bipolar, Darlington atau MOSFET untuk menggerakkan tampilan LED yang lebih besar atau penerangan utama melalui Relai, Optocoupler dan SSR (solid state relay), pilihannya sepenuhnya terserah Anda.
Tapi satu titik keamanan terakhir dan penting untuk dipertimbangkan adalah bahwa perawatan ekstrim harus diambil jika beralih dan bekerja dengan tegangan listrik, jangan lupa, tegangan listrik berbahaya!!, jadi harap berhati-hati.