Les fêtes de Noël approchent et c’est à nouveau le moment de l’année où les pensées des étudiants en électronique ou des amateurs se tournent vers la création d’un circuit de Noël pour leur maison, en particulier un qui clignote avec quelques lumières.
Il existe de nombreux circuits et kits sur le marché capables de faire clignoter un certain nombre de lumières de manière périodique, aléatoire ou séquentielle. Cependant, un circuit intégré très polyvalent que l’amateur ou l’étudiant peut utiliser pour produire un simple Séquenceur de Lumières de Noël pour une variété d’affichages lumineux saisonniers est le compteur Johnson CMOS 4017B.
Le 4017B est un compteur Johnson décadal à 5 étages et à commutation rapide, équipé de dix sorties entièrement décodées (ce qui fait un total de 10 sources lumineuses individuelles). Ces dix sorties s’enclenchent séquentiellement une à une à chaque front montant du signal d’horloge. À tout moment, seule une sortie est à un niveau logique “1” ou “HAUT”, tandis que toutes les autres sont à un niveau logique “0” ou “BAS”, ce qui permet de produire un effet de séquence mobile ou de poursuite, rendant le 4017 idéal pour un affichage séquentiel à LED ou à éclairage pour un projet de lumières de Noël.
Le 4017B est fondamentalement un registre à décalage circulaire dans lequel ses sorties série sont reconnectées à ses entrées série pour produire une séquence particulière. Le compteur Johnson 4017B peut également être utilisé dans des applications de division de fréquence ainsi que dans des applications d’affichage décadique ou décimal.
Le 4017B est classé comme un compteur car il exhibe une séquence spécifique d’états lors de l’application d’un signal ou d’une impulsion d’horloge. Comme le 4017B est utilisé comme compteur synchrone, l’action de commutation de tous les flip-flops internes est contrôlée par le signal d’horloge commun.
Le Compteur Décadal Johnson 4017B
Signal de Synchronisation du Séquenceur
Mais avant de pouvoir utiliser le compteur Johnson 4017B comme partie de notre circuit de séquenceur de lumières de Noël, nous devons produire un signal de synchronisation. Il existe de nombreuses façons de produire un signal d’horloge ou de synchronisation en utilisant des circuits intégrés dédiés comme le NE555 ou des circuits multivibrateurs astables discrets utilisant des transistors ou des oscillateurs à quartz. La liste est interminable. Mais une façon très simple et efficace de produire un signal rectangulaire avec un minimum de composants consiste à utiliser un inverseur à déclenchement Schmitt.
Le Déclencheur Schmitt, nommé d’après son inventeur, est un dispositif à deux états sensible aux niveaux de tension sous la forme d’un inverseur ou d’une porte NON. L’avantage d’utiliser un déclencheur Schmitt pour produire un signal d’horloge rectangulaire variable réside dans le fait qu’il utilise un circuit de seuil spécial qui produit de l’hystérésis, empêchant des commutations erratiques en “rendant bien” la tension de déclenchement lorsqu’elle passe entre les états. Cela permet une commutation fiable entre “HAUT” ou niveau logique “1” et “BAS” ou niveau logique “0”, ce qui le rend idéal pour des signaux de synchronisation rectangulaires pour notre projet de séquenceur de lumières de Noël.
Considérons l’inverseur Schmitt comme montré. Lorsque la position du balai du potentiomètre se trouve en bas du schéma, la tension d’entrée de l’inverseur Schmitt est basse, représentant un niveau logique “0”, et en dessous du seuil inférieur d’entrée de la porte logique. Comme le déclencheur Schmitt est un inverseur, la sortie résultante sera donc haute à un niveau logique “1”.
Alors que le balai du potentiomètre est déplacé vers les +5V, il y a un moment où la tension à Vi est égale ou supérieure au seuil d’entrée supérieur ou au point de déclenchement supérieur ( VHTP ), ce qui amène l’inverseur Schmitt à changer d’état. Nous avons maintenant une situation où l’entrée est à un niveau logique “1” et la sortie est à un niveau logique “0”. Alors le déclencheur Schmitt agit comme un inverseur ou une porte NON.
De même, si la position du balai du potentiomètre est à +5V et qu’elle est abaissée vers 0V, il y a un moment où la tension à Vi est égale ou inférieure au seuil d’entrée inférieur ou au point de déclenchement inférieur ( VLTP ), ce qui amène l’inverseur Schmitt à changer d’état une fois de plus.
En changeant la valeur de la tension à l’entrée de l’inverseur Schmitt entre ses points de déclenchement supérieur et inférieur, nous pouvons provoquer un changement d’état à la sortie, et c’est l’idée de base derrière le circuit oscillateur astable Schmitt.
En remplaçant le potentiomètre par un circuit RC (Résistance-Capacité) comme montré, nous pouvons charger et décharger le condensateur à travers l’inverseur Schmitt.
Générateur de Forme d’Onde Astable Schmitt
Supposons que le condensateur de temporisation, CT, soit entièrement déchargé et que l’entrée au déclencheur Schmitt soit à un niveau logique “0”, ainsi sa sortie sera à un niveau logique “1”, le condensateur commencera à se charger de manière exponentielle à travers la résistance de temporisation, RT, de droite à gauche. La vitesse à laquelle le condensateur se charge dépendra de sa constante de temps RC.
À un moment donné, la tension aux bornes du condensateur atteindra la valeur du seuil supérieur du déclencheur Schmitt, provoquant la sortie à passer d’un niveau logique “1” à un niveau logique “0”. Comme la sortie de l’inverseur Schmitt est effectivement à un potentiel de 0V, le condensateur commence à se décharger à nouveau à travers la résistance de temporisation, RT, de gauche à droite à une vitesse déterminée par sa constante de temps RC.
Quand la tension aux bornes du condensateur en décharge atteint la valeur du seuil inférieur du déclencheur Schmitt, cela le fait changer d’état et tout le processus se répète.
En général, le point de seuil supérieur, VHTP se produit typiquement autour de 65% (2/3) de la tension d’alimentation, tandis que le point de seuil inférieur se situe autour de 35% (1/3) de la tension d’alimentation. Tout inverseur à déclenchement Schmitt tel que le 4106, 4584, 74LS14, 74LS19, etc. peut être utilisé pour générer un signal de synchronisation ou même des portes NAND Schmitt comme les 4093, 74LS132, etc.
Cependant, l’utilisation de différentes familles logiques, qu’elles soient CMOS ou TTL (74LSxx, 74HLSxx, 74HCTxx), entraînera des points de déclenchement supérieur et inférieur différents, résultant en différentes fréquences de fonctionnement et rapports d’amplitude des formes d’onde de synchronisation de sortie. En général, l’erreur dans la fréquence d’oscillation pour différentes sous-familles logiques n’est pas un problème, surtout à des fréquences plus élevées, mais peut varier entre 1.2RC et 1.5RC avec la formule généralisée pour un générateur de forme d’onde astable Schmitt donnée comme :
Fréquence de la Forme d’Onde Schmitt
Où : Beta ( β ) peut être n’importe quelle valeur fixe entre 1.2 et 1.5 selon la famille de portes logiques utilisée.
Si nous remplaçons la résistance de temporisation fixe, RT, par un potentiomètre, un signal de synchronisation rectangulaire à fréquence variable peut être produit pour notre circuit de séquenceur de lumières de Noël. Évidemment, nous ne voulons pas que la valeur de la résistance de temporisation soit égale à zéro lorsque le potentiomètre est tourné complètement dans une direction, car cela court-circuite l’inverseur Schmitt. Donc, pour éviter cela, une petite valeur de résistance fixe doit être connectée en série avec le potentiomètre pour fournir au moins une certaine résistance de temporisation.
Les composants du réseau de temporisation RC utilisés dans un séquenceur de lumières de Noël peuvent être de n’importe quelle valeur disponible pour produire la fréquence oscillante de votre choix. Le circuit astable Schmitt suivant donnerait une fréquence de sortie variant d’environ 10Hz à 6kHz lorsque le potentiomètre est ajusté de minimum à maximum. Un inverseur à déclenchement Schmitt supplémentaire IC1b est utilisé comme tampon inverseur pour aider à nettoyer la forme d’onde de temporisation et améliorer les performances de l’oscillateur. Comme il y a six inverseurs par CI 40106B, il y a suffisamment d’unités disponibles.
Générateur de Forme d’Onde du Séquenceur de Lumières de Noël
D’accord, maintenant que nous avons un compteur décadal et un circuit oscillateur astable, nous avons besoin de lumières pour constituer notre circuit de séquenceur de lumières de Noël. Cela peut être n’importe quel type de lampes ou de lumières que vous avez à disposition, allant des LED aux petites lampes à filament. Si vous le souhaitez, la sortie du compteur peut également être utilisée pour alimenter des optocouveurs qui, à leur tour, pourraient être utilisés pour activer des TRIACs ou des thyristors pour alimenter des lampes sous tension principale. Pour ce tutoriel simple sur le séquenceur de lumières de Noël, nous utiliserons des LED.
Le compteur décadal 4017B dispose de dix sorties entièrement décodées, chacune capable de commuter jusqu’à 20mA. Chacune des sorties décodées est normalement à un niveau BAS (logique “0”) et passe à un niveau HAUT (logique “1”) une à une de manière séquentielle. L’avantage ici est que nous pouvons utiliser chaque sortie pour alimenter directement une LED unique et surtout, comme seule une LED est éclairée à tout moment, une seule résistance limite de courant est requise pour toutes les 10 LED comme indiqué.
Générateur de Forme d’Onde Complet du Séquenceur de Lumières
La valeur de la résistance en série de 1kΩ peut être modifiée en fonction des besoins en tension et courant de votre tension d’alimentation choisie. Il est également possible d’ajouter d’autres LED en série à la sortie, mais rappelez-vous qu’en général, chaque LED nécessite un courant direct minimum d’environ 10mA à 2V pour s’illuminer complètement.
Si vous avez une autre application de séquenceur de lumières de Noël où vous devez alimenter plus de LED ou si plus de puissance de sortie est nécessaire, la sortie décodée peut être utilisée pour alimenter la base d’un transistor de commutation ou la porte d’un dispositif MOSFET de puissance comme montré.
En plus de simplement commuter des lampes et des LED, le transistor, qu’il soit bipolaire ou MOSFET, peut être utilisé pour commuter des bobines de relais électromagnétiques ou les entrées de relais à état solide pour accroître la flexibilité du circuit de séquenceur de lumières de Noël.
Compteur Diviseur par N
Lorsqu’il est connecté comme montré, avec la broche de réinitialisation (broche 15) connectée à 0 volts, le compteur Johnson 4017B agit comme un compteur diviseur par dix, chaque sortie passant au niveau HAUT à chaque dixième signal d’horloge.
De plus, en alimentant les dix LED, le compteur Johnson 4017B peut également être configuré comme un compteur avec des sorties décodées “N”, où “N” peut être n’importe quel nombre entre 2 et 9.
En connectant la broche de réinitialisation (broche 15) à l’une des sorties au lieu de la brancher directement à la terre, le compteur peut être configuré en tant que compteur diviseur par 2, diviseur par 4, etc., pour alimenter 2, 4, 8 ou n’importe quel nombre de LED séquentiellement entre 2 et 10.
Par exemple, si nous voulons uniquement faire clignoter quatre LED séquentiellement, nous connecterions la broche de réinitialisation à la cinquième sortie (broche 10) et chaque LED clignoterait à l’arrivée de chaque quatrième signal d’horloge. De même, si nous voulons faire clignoter six LED, nous connecterions la broche de réinitialisation à la septième sortie (broche 5), et ainsi de suite.
Circuit du Séquenceur de Lumières de Noël
Pour mettre tout cela ensemble, le circuit complet de Séquenceur de Lumières de Noël est montré ci-dessous, avec un oscillateur astable Schmitt, un compteur décadal et des LED. L’utilisation de déclencheurs Schmitt produit un oscillateur astable très simple et économique, mais tout oscillateur ou tout circuit de minuterie 555 fonctionnera. Différentes combinaisons de valeurs RC peuvent être utilisées pour fournir un signal de synchronisation rectangulaire à fréquence variable de votre choix.
L’objectif de ce court tutoriel était de montrer qu’un Compteur Décadal Johnson 4017 peut être utilisé pour produire un circuit de Séquenceur de Lumières de Noël original ou tout autre type d’affichage LED de “point mouvant”. Il est également possible de créer un certain nombre d’effets lumineux clignotants différents, pas seulement pour Noël, selon la façon dont vous organisez physiquement les LED (ou lampes) et le nombre que vous utilisez.
Les capacités de commutation des circuits peuvent être encore étendues en utilisant des transistors bipolaires, des darlingtons ou des MOSFET pour entraîner de plus grands affichages LED ou un éclairage sur le réseau via des relais, des optocouples et des relais à état solide. Le choix vous appartient entièrement. Mais un dernier point de sécurité important à considérer est qu’une extrême prudence doit être exercée si vous commutez et travaillez avec des tensions de réseau. N’oubliez pas, les tensions de réseau sont dangereuses !!, alors, s’il vous plaît, soyez prudent.