二維彩燈控制器的電路分析與制作

出處：sibaidong 發(fā)布于：2008-01-18 00:00:00 | 2952 次閱讀

本彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮。再逐行遞減熄滅。若將一定數(shù)量的彩色燈組合聯(lián)接．就能營(yíng)造出平面上色彩變化的場(chǎng)景．這比通?？刂埔粭l線上的色彩流動(dòng)更加豐富絢麗。本控制器采用數(shù)字集成塊．外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。只要元器件完好、裝接無(wú)誤．裝后無(wú)須調(diào)試即可一舉成功。
    本文以二維彩燈控制信號(hào)流程為線索，分析了相關(guān)數(shù)宇集成電路基本工作過(guò)程，按電子裝接工藝要求介紹了二
維彩燈控制器的制作過(guò)程。愿此文對(duì)電子技校同學(xué)和電子愛好者了解和熟悉數(shù)字電路的應(yīng)用有所啟示。
    電路工作原理
    二維彩燈控制器電路如圖1所示，主要由非門lCl(CD4069)、計(jì)數(shù)，時(shí)序分配電路IC2(CD4017)、模擬電子開關(guān)IC3(CD4066)及D觸發(fā)IC4(CD40174)等組成。
    CD4069邏輯功能及引腳如圖2a所示，其中非門F1、F2和外接電阻
R2、R3、電容C4構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生約3Hz的脈沖方波。供給CD4017作計(jì)數(shù)脈沖和CD401 74作移位脈沖。 R3、C4為振蕩定時(shí)元件．調(diào)節(jié)這兩個(gè)元件可改變振蕩信號(hào)頻率，從而控制彩燈色彩的流動(dòng)速度．以呈現(xiàn)各種不同的視覺(jué)效果。另外，CD4069的非門3還用作CD40174復(fù)位信號(hào)的倒相器。
    CD4069為CMOS數(shù)字集成電路，是一種高輸入阻抗器件，容易受外界干擾造成邏輯混亂或出現(xiàn)感應(yīng)靜電而擊穿場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。雖然器件內(nèi)部輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，但它們吸收瞬變能量有限。過(guò)大的瞬變信號(hào)和過(guò)高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用．因此，CD4069中未使用的非門F4、F5、 F6的輸入端⑨、⑩、⑩腳均接到Vss接地端，以作保護(hù)。
CD4069多諧振蕩器輸出端④腳送出的脈沖串。一路直接送入CD4017的計(jì)數(shù)脈沖輸入端⑩腳。CD401 7為十進(jìn)制計(jì)數(shù)，時(shí)序分配器．用于產(chǎn)生 CD4066模擬開關(guān)切換的控制信號(hào)。其引腳功能如圖2b所示。Cr為復(fù)位端．當(dāng)Cr端輸入高電平時(shí)、計(jì)數(shù)器置零態(tài)。
CD4017具有自動(dòng)啟動(dòng)功能，即在電路進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)時(shí)。在計(jì)數(shù)脈沖作用下．最多經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期就能回到正常循環(huán)圈中。因此本控制器的CD4017未設(shè)置加電復(fù)位電路。Co為進(jìn)位輸出端．當(dāng)計(jì)數(shù)滿10個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)輸出一個(gè)正脈沖。CD4017有CL和EN兩個(gè)計(jì)數(shù)輸入端。CL端為脈沖上升沿觸發(fā)端。若計(jì)數(shù)脈沖從CL端輸入，則EN端應(yīng)接低電平；EN端為脈沖下降沿觸發(fā)端。若計(jì)數(shù)脈沖從EN端輸入．則CL端應(yīng)接高電平。否則禁止輸入計(jì)數(shù)脈沖。取自CD4069的計(jì)數(shù)脈沖從其CL端⑩腳輸入。故EN端⑩腳接地。Y0～Y9為計(jì)數(shù)器的十個(gè)輸出端。輸出端送出的
脈沖方波通過(guò)隔離二極管VD3～VDl2連接成兩路控制信號(hào)，加到模擬開關(guān) CD4066。
    當(dāng)個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)。 CD4017內(nèi)電路翻轉(zhuǎn)，③腳Y0呈高電平。經(jīng)二極管VD5加到CD4066⑩腳。 CD4066為雙向模擬開關(guān)，其引腳功能如圖2c所示．內(nèi)部含有A、B、C、D四個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)。本控制器使用了其中B、D兩個(gè)開關(guān)。每個(gè)開關(guān)有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，這兩端可以互換使用。 B開關(guān)的輸入端⑩腳與電源相連、接入高電平；D開關(guān)的輸出端⑧腳接地；由于兩個(gè)開關(guān)接成串聯(lián)形式．B開關(guān)的輸出端⑩腳與D開關(guān)的輸入端⑨腳相連，作為高、低電平的切換點(diǎn)。另外．CD4066的⑥腳和⑥腳分別為開關(guān) B、D的選通端。輸入高電平時(shí)、開關(guān)閉合；輸入低電平時(shí)開關(guān)斷開。開關(guān)B在其選通端⑩腳輸入的高電平作用下．接通⑩腳和⑩腳，⑩腳變?yōu)楦唠娖?。與此同時(shí)。CD4017其余各輸出端Y1～Y9均為低電平，于是CD4066開關(guān)D的選通端也為低電平．開關(guān)D關(guān)斷，這樣不影響⑩腳的電平狀態(tài)。
C04066⑩腳輸出的高電平信號(hào)直接送入D觸發(fā)器CD40174的串行輸入端③腳。CD40174內(nèi)部含有6個(gè)D型觸發(fā)器。如圖2d所示。本控制器將其中的5個(gè)連接成串行輸入、并行輸出的五位移位寄存器。其中D6為位觸發(fā)器．D2為位觸發(fā)器(D1未用)，依次排列。每個(gè)觸發(fā)器都有各自的輸入端和輸出端。高一位觸發(fā)器的輸出端Q與低一位觸發(fā)器的輸入端D相接，只有位觸發(fā)器D6的輸入端CD401 74③腳接收脈沖信號(hào)。CD401 74②④腳、⑤⑥腳、⑦⑨腳、⑩⑩腳、⑩⑩腳分別為各相鄰觸發(fā)器輸人端和輸出端的連接點(diǎn)，作為五位寄存器的并行輸出端。各觸發(fā)器的復(fù)位端連在一起，作為寄存器的總清零端。寄存器工作前低電平復(fù)位有效。工作開始復(fù)位信號(hào)應(yīng)跳變?yōu)楦唠娖?。并在工作期間一直保持。復(fù)位信號(hào)是由電容器C3、電阻器R4及CD4069非門3構(gòu)成的復(fù)位電路提供的。在接通電源瞬間，電源電壓經(jīng)C3、R4微分成一個(gè)正脈沖，此脈沖通
過(guò)非門F3倒相。從CD4069⑥腳輸出．送入CD40174復(fù)位端①腳。用以完成寄存器工作前的置零任務(wù)。隨著時(shí)間的延續(xù)。C3充電結(jié)束。在其負(fù)極端形成一個(gè)穩(wěn)定的低電平，經(jīng)F3倒相后來(lái)滿足寄存器工作期間的需要。各觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端也連接在一起．作為寄存器的移位脈沖輸入端。
移位脈沖取自CD4069④腳的脈沖
串，從CD401 74⑨腳輸入。在個(gè)移位脈沖的上升沿，CD40174③腳輸入的-高電平信8-,~．A觸發(fā)器D6。寄存器的輸出端狀態(tài)由初始的“00000”變?yōu)椤?0000”。CD40174②④腳呈高電平。此高電平經(jīng)隔離電阻R1 1加到三極管 VT1放大、再?gòu)钠浒l(fā)射極輸出，送入雙向晶閘管VS1的控制極，驅(qū)動(dòng)VS1導(dǎo)通。第1路彩燈因其電流回路形成而被點(diǎn)亮。與此同時(shí)，寄存器其余的四個(gè)輸出端均為低電平．雙向晶閘管VS2～VS5無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而阻斷，所控制的四路彩燈11、Ⅲ、1v、V不亮。
    當(dāng)?shù)诙€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)。 CD401 7計(jì)數(shù)輸出端Y1呈高電平。此高電平從其②腳輸出，經(jīng)二極管VD4加到 CD4066@W。保持開關(guān)B的接通，從而維持CD40174③腳串行輸入端的高電平狀態(tài)。在第二個(gè)移位脈沖作用下．寄存器的輸出狀態(tài)由“10000”變?yōu)椤?1000”，CD40174②④腳、⑤⑥腳呈高電平。經(jīng)三極管VT1、VT2放大，驅(qū)動(dòng)晶閘管VS1、VS2導(dǎo)通。這樣在保持第1路彩燈點(diǎn)亮的同時(shí)。第1J路彩燈相繼被點(diǎn)亮，而其余三路彩燈則仍為熄滅狀態(tài)。
    當(dāng)?shù)谌齻€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)， CD401 7計(jì)數(shù)輸出端Y2呈高電平。此高電平從其④腳輸出，經(jīng)二極管VD6加到 CD4066⑩腳。開關(guān)B繼續(xù)接通，繼續(xù)維持CD401 74③腳的高電平。第三個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)由“11000”變?yōu)椤?1100”。CD40174②④腳、⑤⑥腳、⑦⑩腳同時(shí)呈高電平，經(jīng)三極管VT1、 VT2,VT3驅(qū)動(dòng)晶閘管VS1、VS2,VS3導(dǎo)通。第1、II路彩燈繼續(xù)點(diǎn)亮．第m路彩燈又被點(diǎn)殼。
    同理。當(dāng)?shù)谒?、五個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)．CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y3、Y4依次呈高電平。CD4066保持開關(guān)B的接通，CD401 74@腳維持高電平狀態(tài)。第四、五個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)依次為“11110”和“11111”．晶閘管在控制點(diǎn)亮前三路彩燈的基礎(chǔ)上．又依次點(diǎn)亮了第1V、V路彩燈。
    由此可見，五路彩燈是按逐行遞增的方式點(diǎn)亮的。
    當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)， CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y5呈高電平。此
高電平從其①腳輸出。經(jīng)二極管VD3加到CD4066開關(guān)D的選通端⑥腳。接通⑧腳和⑨腳，從而使⑨腳接地。同時(shí)．CD4017其余的計(jì)數(shù)輸出端均為低電平．CD4066開關(guān)B因此而關(guān)斷，以防止電源被接通的開關(guān)D短路。由于 CD40174③腳與CD4066⑨腳直接相連．于是CD40174寄存器的串行輸入端變?yōu)榈碗娖?。在第六個(gè)移位脈沖作用下。寄存器的輸出狀態(tài)由“11111”變?yōu)椤?1111”。CD40174②④腳輸出低電平。三極管VT1截止。晶閘管VS1失去觸發(fā)信號(hào)，在交流電源過(guò)零瞬間自行阻斷。第f路燈熄滅。而寄存器其余四路輸出端的高電平．通過(guò)V1'2、VT3、 VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5繼續(xù)控制第1I、m、1V、V四路彩燈點(diǎn)亮。
    當(dāng)?shù)谄邆€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)， CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y6呈高電平。此高電平從其⑤腳輸出。經(jīng)二極管VD7加到CD4066⑥腳，保持⑨腳接地。以維持 CD40174寄存器串行輸入端的低電平。第七個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)由 “01111” 變?yōu)椤?0111”， CD4017鋤腳、⑤⑥腳同時(shí)輸出低電平，三極管VT1、VT2截止。晶閘管VS1因無(wú)觸發(fā)信號(hào)而維持其阻斷狀態(tài)；VS2因失去觸發(fā)信號(hào)，在交流電源過(guò)零瞬間而阻斷。第1、Il路彩燈熄滅。而寄存器其余三路輸出的高電平，依然控制第Ⅲ、IV、V三路彩燈點(diǎn)亮。
    同理，當(dāng)?shù)诎?、九、十個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)。CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y7、Y8,Y9依次輸出的高電平控制CD4066開關(guān)D的接通，維持CD40174寄存器串行輸入端的低電平。當(dāng)寄存器的移位脈沖輸入端依次接收到第八、九、十個(gè)脈沖時(shí)。寄存器的輸出狀態(tài)則依次為“00011”、“00001”、“00000”．第3、4、5位的低電平控制晶閘管VS3、VS4、VS5依次阻斷．在第1、II路彩燈熄滅的情況下．第_、IV、V三路彩燈依次熄滅。上述說(shuō)明，五路彩燈是按逐行遞減的方式熄滅的。
    當(dāng)計(jì)數(shù)器CD4017計(jì)數(shù)滿10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端⑥腳輸出一個(gè)正脈沖．直接反饋到其復(fù)位端⑩腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位。然后開始下一輪的計(jì)數(shù)過(guò)程，這樣彩燈就周而復(fù)始地循環(huán)工作。
    電路中的電阻器只1、電容器C1、 C2、二極管VD1、VD2組成電源電路。 AC220V市電通過(guò)電源電路的降壓、整流、濾波及穩(wěn)壓處理．變換成比較穩(wěn)定的DCl2V低壓．為各晶體管和集成電路提供工作電壓。
    元器件選擇
    見附表。
    控制器的制作
1、印刷電路板的裝接
在熟悉元器件型號(hào)、規(guī)格和檢測(cè)元器件性能良好后，即可進(jìn)行印刷電路板的裝接。印制板如圖3所示。
    印制板的裝接是制作成功的關(guān)鍵，為了取得更好的效果和順利裝盒．工藝要求如下：
    集成電路、電阻器、二極管采取水平安裝方式。集成電路的VDo端接電源的正極，Vss端接電源的負(fù)極。即集成塊．切不可插反．同時(shí)注意避免其引腳未完全插入插孔的現(xiàn)象。電阻器、二極管引腳成形時(shí)。應(yīng)在距引腳根部1.5mm處開始折彎．以防止引線折斷；器件應(yīng)貼靠印刷電路板安裝。電容器、三極管、晶閘管垂直安裝。電容器引腳不作成形處理，可直接插入插孔焊接，但電容器底部要緊貼印刷電路板，否則其高度會(huì)給
裝盒造成不便。三極管、晶閘管器件體底部距印刷電路板高度以2～3mm為宜，以利于散熱。焊接時(shí)，要確保焊點(diǎn)無(wú)漏焊、虛焊、搭焊等現(xiàn)象。焊接完成后．要剪去引腳多余的部分，留頭在焊面以上0．5～lmm，且不可損傷焊接面。
2、印刷電路板與五聯(lián)電源插座的連接
    在印刷電路板的焊接面，用絕緣導(dǎo)線將與各晶閘管電極T1相連的焊盤c,d,e、 f,g接在—起。再與電源處的焊盤a相接。
    拆開五聯(lián)電源插座，焊下電源線。斷開各簧片原有的連線。從電源插座同—側(cè)的五個(gè)簧片上分別焊出五條絕緣導(dǎo)線。導(dǎo)線的另一端頭再依次與電路板上的I、 II、_、Iv、V,~-a-相接。電源插座另一側(cè)的各簧片連接在一起。然后用導(dǎo)線將其公共點(diǎn)與電源處的b焊盤相連。接好后理順導(dǎo)線，從穿線孔引出。裝好電源插座。
    電源線為雙股導(dǎo)線，其一端接有電源插頭。另一端懸空。將懸空一端的兩線頭分別焊在印刷電路板的L,N焊盤上。
3、印制板的封裝
取一尺寸不小于100×75x 15mm的空塑料盒，在盒側(cè)面適當(dāng)位置開出一個(gè)穿線口，再剪一塊與印制板面積相當(dāng)?shù)那鄽ぜ垑|在盒底上，然后將電路板元器件面朝上平行置于盒內(nèi)，用502膠在盒內(nèi)側(cè)壁與電路板邊緣處稍加固定。從穿線口中引出導(dǎo)線，合上盒蓋．這樣印制板就被封裝在盒內(nèi)了。
    控制器的使用
    彩色燈選用電壓為220V、功率為5W一25W的小型燈泡，由于受雙向晶閘管的功率限制．每路燈總功率不要超過(guò)300w。如果組合較復(fù)雜的圖形．需要更多的燈泡?？蛇x用額定正向平均電流較大的晶閘管。彩色燈泡也可用相應(yīng)功率的彩色燈串代替。
    使用時(shí)，只要將五路彩燈的電源插頭分別插入控制器組合插座的各插孔內(nèi)，再將控制器的電源插頭插入市電 AC220V的插座內(nèi)即可。

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