LED-Sequenzer mit 555-Timer & 4017-Zähler bauen – Frequenzteilung & Entprellung

Benötigte Bauteile und Materialien

• 4017 Dekaden-Zähler/Teiler (Radio Shack Katalog # 276-2417)
• 555-Timer-IC (Radio Shack Katalog # 276-1723)
• Zehn-Segment-Balkengraph-LED (Radio Shack Katalog # 276-081)
• Ein SPST-Schalter
• Eine 6-Volt-Batterie
• 10 kΩ Widerstand
• 1 MΩ Widerstand
• 0,1 µF Kondensator (Radio Shack Katalog # 272-135 oder gleichwertig)
• Kopplungskondensator, 0,047–0,001 µF
• Zehn 470 Ω Widerstände
• Audiodetektor mit Kopfhörern

Achtung! Der 4017 IC ist CMOS und daher empfindlich gegen statische Elektrizität.

Jeder einpolige Einwurf-Schalter funktioniert; ein Haushaltslichtschalter ist ausreichend und weit verbreitet.

Der Audiodetektor hilft bei der Beurteilung der Signalfrequenz. Falls Sie ein Oszilloskop haben, können Sie darauf verzichten.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 3: „Logikgatter“

Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 4: „Schalter“

Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 11: „Zähler“

Lernziele

• Taktsignale mit einem 555 astabilen Multivibrator erzeugen.
• Einen 4017 Dekadenzähler für eine Eins-aus-Zehn-Impulsfolge nutzen.
• Den 4017 als Frequenzteiler einsetzen.
• Frequenz mit Stoppuhr und Zählerausgang messen.
• Die Rolle eines Pulldown-Widerstands erklären.
• Schalterprell-Effekte auf digitale Schaltungen verstehen.
• 555-basierte Entprellung für einen mechanischen Schalter implementieren.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Der 4017 IC ist ein CMOS-Dekadenzähler mit zehn Ausgängen. Wenn ein Low-High-Übergang an seinem Takteingang (Pin 14) auftritt, schreitet der Chip um einen Schritt voran, setzt den nächsten Ausgang High, während die anderen Low bleiben. Mit einem 555-Timer als astabilem Oszillator durchläuft der Zähler alle zehn Ausgänge, lässt jede LED nacheinander aufleuchten und startet die Sequenz neu. Das Anpassen der 555-Widerstands- und Kondensatorwerte ändert die Blinkrate.

Trennen Sie den Jumper von Pin 14 (Clock) zu Pin 3 (Output) und halten Sie das freie Ende. Umgebende 60-Hz-Netzbrummen treiben den Zähler an, sodass die LEDs schnell blinken und die Empfindlichkeit des Zählers gegenüber externen Hochfrequenzsignalen demonstrieren.

Pin 15 (Reset) und Pin 13 (Clock Enable) sind auf Masse gelegt, sodass der Zähler frei läuft. Das Anziehen von Reset auf High setzt den Zähler auf null zurück (Pin 3 High, andere Low). Das Anziehen von Clock Enable auf High pausiert die Zählung. Das Verbinden von Reset mit einem der Ausgänge verkürzt die Sequenz; experimentieren Sie, indem Sie einen Jumper von Masse zu jedem Ausgang verschieben und beobachten, welche LEDs leuchten.

Da der 4017 ein Frequenzteiler ist, erzeugt ein 200-Hz-Takt vom 555 einen 20-Hz-Impuls an jedem Ausgang, wenn die volle Zehn-Schritt-Sequenz aktiv ist. Im Allgemeinen liefert jeder Ausgang einen Impuls pro zehn Taktschritte.

Um diese Teilung zu hören, verbinden Sie einen 0,047–0,001-µF-Kopplungskondensator von Ausgang 0 (Pin 3) zur Masse und speisen Sie ihn in den Audiodetektor ein. Mit Reset auf Masse hören Sie einen „Klick“ jedes Mal, wenn die 0-LED angeht – ein Zehntel der 555-Frequenz.

Nutzen Sie eine Stoppuhr, um die Klicks in einer Minute zu zählen. Multiplizieren Sie die Anzahl mit zehn und teilen Sie durch 60, um die 555-Frequenz in Hz zu erhalten. In meinem Aufbau (1 MΩ, 0,1 µF, 13 V Versorgung) ergaben 79 Klicks pro Minute 13,17 Hz.

Um den ungeteilten Takt zu hören, verbinden Sie den Audiodetektor mit Pin 3 des 555. Das resultierende Brummen ist die rohe Oszillatorfrequenz.

Indem Sie Reset mit einem mittleren Ausgang verbinden, können Sie Teilungsverhältnisse von 1/9, 1/8, …, 1/2 erzeugen. Zum Beispiel ergibt das Verbinden von Reset mit der sechsten LED ein 1/5-Verhältnis, was etwa die doppelte Klickrate der 1/10-Konfiguration produziert.

Ersetzen Sie den 1-MΩ-Timing-Widerstand durch einen kleineren Wert (z. B. 10 kΩ), um die 555-Frequenz zu erhöhen. Hören Sie die variierenden Töne, während Sie den Reset-Jumper verschieben – Oktaven erscheinen, wenn der Teilungsfaktor 2, 4 oder 8 ist.

Schalterprellen-Demonstration: Trennen Sie den 555 und verbinden Sie einen SPST-Schalter in Reihe mit einem 10-kΩ-Pulldown-Widerstand an Pin 14. Der Pulldown stellt einen definierten Low-Zustand sicher, wenn der Schalter öffnet, verhindert schwebende Eingänge und falsche Zählungen. Beim Betätigen des Schalters kann der Zähler Schritte überspringen aufgrund schnellen Kontaktprellens.

Zur Beseitigung des Prellens nutzen Sie den 555 als Monoflop-Entpreller: Verbinden Sie den Schalter mit dem Trigger-Pin und nutzen Sie den 555-Ausgang, um den Zähler-Takt anzusteuern. Stellen Sie sicher, dass die Kondensator-Ladezeit die Einschwingzeit des Schalters übersteigt, aber kurz genug ist, um schnelle Betätigungen nicht zu verpassen.

Mit dem entprellten Schaltkreis ergibt jeder Tastendruck einen einzelnen Zählschritt, was die erwartete LED-Sequenz wiederherstellt.