一个简单的LED闪光器电路分析

电子专业的学生或爱好者总是喜欢为他们的家庭或学校制作各种电路，尤其是那些会闪烁几盏灯的电路。市场上有许多电路和套件可以周期性、随机或顺序地闪烁任意数量的 LED 或灯，但是一种非常通用的 IC 可用于制作简单的 LED 闪光器电路，称为二进制纹波计数器。

纹波计数器基本上是切换触发器，可以用作分频器，将参考时钟输入除以设定的量，以提供新的、较低的频率，我们可以将其用作简单LED闪光灯设计。

这些类型的计数器本质上是异步的，因为并非所有触发器都会随着外部时钟脉冲的应用而改变或“切换”。通常切换发生在时钟脉冲的下降沿。

触发器或“T 型”触发器是所有具有异步计数器的计数器的基本构建块通常被称为“波纹计数器”，因为输入时钟脉冲似乎“波纹”通过计数器作为一个时钟输入阶段是从前一阶段的输出生成的。结果是随着每个阶段的顺序变化而产生连锁反应，我们可以将其作为一个简单的 LED 闪光灯电路来实现良好的效果。

纹波计数器由多个 2 分频 T 型触发器级联在一起构成一个 N 分频分频器，其中 N 等于计数器的位数。常用的二进制纹波计数器 IC 包括 74LS93 4 位 (÷16)、CMOS 4024 7 位 (÷128)、CMOS 4040 12 位 (÷4096) 或更大的 CMOS 4060 14 位 (÷16,384)柜台。

然后它们的输出计数 ( Qn ) 将被定义为计数器的“第 N”级。因此，例如，输出 Q6 为 2 6 = 64(时钟频率的1 / 64 )，Q12 为 2 12 = 4096(时钟频率的1 / 4096)等等。

正如我们所见，有许多可用的二进制计数器可以周期性地、随机地或顺序地闪烁任意数量的灯，但是爱好者或学生可以使用一个非常通用的 IC 来制作一个简单的 LED 闪光器，用于各种不同的照明显示是CMOS CD4040B 12 位二进制计数器。

CD4040B是一款快速开关的 12 位二进制纹波计数器，具有十二个完全解码的输出(总共有 12 个单独的 LED 序列)。这十二个输出在时钟脉冲的每个下降沿到达时顺序切换，产生二进制输出序列，如时序图所示。

4040 的输出在每次计数时在逻辑“1”或“高”和逻辑“0”或“低”之间切换，因此它可以产生移动序列、追逐器或随机效果，使 4040 成为简单 LED 的理想选择灯光项目的闪光灯或灯光显示器。

由于 4040 是一个 12 位纹波计数器，十二个输出中的每一个都将以从 0 到 4096 (2 12 )的二进制序列切换高电平或低电平，如下面的时序图所示。

4040纹波计数器时序图

但在我们将 4040B 纹波计数器用作我们简单的 LED 闪光器电路的一部分之前，我们需要产生一个定时信号。产生定时或时钟信号的方法有很多种，不胜枚举。但用最少的元件产生方波定时信号的一种非常简单有效的方法是使用专用定时 IC，例如 NE555非稳态定时器。

时序周期T取决于所选的输入时钟频率，其中T = 1/ƒ。因此，例如，如果我们选择 4040 12 位 (÷4096) 计数器作为我们简单的 LED 闪光器电路的一部分，并且我们希望第 12 位的最长计时周期为 4 秒(2 秒开和 2 秒关)或 0.25Hz，那么我们在 4040 计数器的引脚 10 上的输入时钟频率需要约为 1kHz，(0.25 x 4096)，如图所示。

简单的 LED 闪光灯电路

通过将 LED 连接到不同的输出，它们将一次闪烁一个，但彼此之间的速率不同(每个输出频率是前一个输出频率的一半)并且不会同时全部“打开”或全部“关闭”，因此非常适合我们简单的 LED 闪光灯电路。

通过使用除以 2 的分频器/计数器，将多个 LED 连接到它们的输出，可以产生闪烁的星星或闪烁的灯光效果或您选择的任何 LED 闪烁灯显示，具体取决于您连接 LED 的纹波输出以及您如何安排它们。

纹波计数器输出

计数器输出Q1至Q12能够“灌入”或“拉出”最大约 15mA 的负载电流，足以直接驱动 LED。

4040 计数器“吸收”(吸收)和“源”(供应)电流的能力意味着 LED 可以连接在计数器的输出端子和电源之间以吸收负载电流或连接在输出端子和电源之间地源负载电流。例如：

下沉和输出

在上面的第一个电路中，LED 连接在正电源轨 (+Vcc) 和输出之间，在本例中为Q8。这意味着电流将“吸收”(吸收)或流入 4040 计数器输出端子，并且当输出为“低”时 LED 将“亮起”。

上面的第二个电路显示 LED 连接在输出Q8和地 (0v) 之间。这意味着电流将“源”(供应)或流出 4040 计数器输出端子，并且当输出为“高电平”时 LED 将“亮起”。

纹波计数器吸收和提供其输出负载电流的能力意味着两个 LED 都可以连接到一个输出端子，从而增加了我们可以在简单的 LED 闪光灯电路中使用的 LED 数量。但是，根据输出状态是“HIGH”还是“LOW”，任何时候只有一个 LED 会“ON”。

左边的电路显示了一个例子。两个 LED 将根据输出交替切换“ON”和“OFF”，从而产生交替闪烁动作。如果需要将 LED 电流限制在 15mA 以下，可以使用串联电阻器。

我们之前说过，通过输出引脚吸收或提供负载电流的最大输出电流约为 15mA，这个值足以驱动或切换 LED 或小灯等。但是如果我们想切换或控制更高功率的设备，如电机、电磁铁或继电器，而不是这个简单的 LED 闪光器。然后我们需要使用晶体管来提供足够高的电流来驱动负载。

纹波计数器晶体管驱动器

如果负载电流很高，上述两个示例中的晶体管可以用功率 MOSFET 器件或达林顿晶体管代替。当使用电机、继电器或电磁铁等电感负载时，建议在负载端子之间直接连接一个“续流二极管”，以吸收电感设备在改变状态时产生的任何反电动势电压。

也可以向输出添加更多 LED，但请记住，通常每个 LED 在 1.2V 时需要大约 15 至 20mA 的电流才能完全点亮，因此在将电路连接到电池或电源时请记住这一点。4040 IC 的优势之一是它可以自我限制其最大输入/输出电流，因此可以直接连接 LED 而无需任何限流电阻器。

LED闪光灯总结

我们已经看到，我们可以创建一个非常简单的 LED 闪光器电路，只需使用一些常用组件、一个 NE555 定时器来创建定时时钟信号和一个 CMOS 4040 12 位异步纹波计数器来连接 LED。如果需要，可以仅使用一位 T 型触发器构建最简单的 LED 闪光器电路，因为切换功能自然适合计数操作的实现。

多位纹波计数器可以级联在一起以产生您选择的更大的位纹波分频器(或计数器)或解码以在特定二进制计数后重置。4060B 是一个 14 位二进制纹波计数器，它有自己的内置振荡器电路，因此只需添加一个定时电容器和两个电阻器即可构建一个非常简单的 LED 闪光器电路，而无需额外的 NE555 定时电路。

　　审核编辑：汤梓红