二维彩灯控制器的电路分析与制作

二维彩灯控制器的电路分析与制作

    本彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。本控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

    本文以二维彩灯控制信号流程为线索，分析了相关数字集成电路基本工作过程，按电子装接工艺要求介绍了二维彩灯控制器的制作过程。愿此文对电子技校同学和电子爱好者了解和熟悉数字电路的应用有所启示。

电路工作原理

    二维彩灯控制器电路如图1所示，主要由非门IC1（CD4069）、计数/时序分配电路IC2（CD4017）、模拟电子开关IC3（CD4066）及Ｄ触发IC4（CD40174）等组成。

    CD4069逻辑功能及引脚如图2a所示，其中非门F1、F2和外接电阻R2、R3、电容C4构成多谐振荡器，产生约3Hz的脉冲方波，供给CD4017作计数脉冲和CD40174作移位脉冲。R3、C4为振荡定时元件，调节这两个元件可改变振荡信号频率，从而控制彩灯色彩的流动速度，以呈现各种不同的视觉效果。另外，CD4069的非门3还用作CD40174复位信号的倒相器。

    CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用，因此，CD4069中未使用的非门F4、F5、F6的输入端{9}、{11}、{13}脚均接到Vss接地端，以作保护。

    CD4069多谐振荡器输出端{4}脚送出的脉冲串，一路直接送入CD4017的计数脉冲输入端{14}脚。CD4017为十进制计数/时序分配器，用于产生CD4066模拟开关切换的控制信号。其引脚功能如图2b所示。Cr为复位端，当Cr端输入高电平时、计数器置零态。CD4017具有自动启动功能，即在电路进入无效状态时，在计数脉冲作用下，最多经过两个时钟周期就能回到正常循环圈中，因此本控制器的CD4017未设置加电复位电路。Co为进位输出端，当计数满10个时钟脉冲时输出一个正脉冲。CD4017有CL和EN两个计数输入端，CL端为脉冲上升沿触发端，若计数脉冲从CL端输入，则EN端应接低电平；EN端为脉冲下降沿触发端，若计数脉冲从EN端输入，则CL端应接高电平，否则禁止输入计数脉冲。取自CD4069的计数脉冲从其CL端{14}脚输入，故EN端{13}脚接地。Y0～Y9为计数器的十个输出端，输出端送出的脉冲方波通过隔离二极管VD3～VD12连接成两路控制信号，加到模拟开关CD4066。

    当第一个计数脉冲到来时，CD4017内电路翻转，{3}脚Y0呈高电平，经二极管VD5加到CD4066{12}脚。CD4066为双向模拟开关，其引脚功能如图2c所示，内部含有A、B、C、D四个独立的模拟开关，本控制器使用了其中B、D两个开关。每个开关有一个输入端和一个输出端，这两端可以互换使用。B开关的输入端{11}脚与电源相连、接入高电平；D开关的输出端{8}脚接地；由于两个开关接成串联形式，B开关的输出端{10}脚与D开关的输入端{9}脚相连，作为高、低电平的切换点。另外，CD4066的{12}脚和{6}脚分别为开关B、D的选通端，输入高电平时、开关闭合；输入低电平时开关断开。开关B在其选通端{12}脚输入的高电平作用下，接通{11}脚和{10}脚，{10}脚变为高电平。与此同时，CD4017其余各输出端Y1～Y9均为低电平，于是CD4066开关D的选通端也为低电平，开关D关断，这样不影响{10}脚的电平状态。

    CD4066{10}脚输出的高电平信号直接送入D触发器CD40174的串行输入端{3}脚。CD40174内部含有6个D型触发器，如图2d所示。本控制器将其中的5个连接成串行输入、并行输出的五位移位寄存器。其中D6为最高位触发器，D2为最低位触发器（D1未用），依次排列。每个触发器都有各自的输入端和输出端，高一位触发器的输出端Q与低一位触发器的输入端D相接，只有最高位触发器D6的输入端CD40174{3}脚接收脉冲信号。CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚、{7}{11}脚、{10}{13}脚、{12}{14}脚分别为各相邻触发器输入端和输出端的连接点，作为五位寄存器的并行输出端。各触发器的复位端连在一起，作为寄存器的总清零端。寄存器工作前低电平复位有效，工作开始复位信号应跳变为高电平，并在工作期间一直保持。复位信号是由电容器C3、电阻器R4及CD4069非门3构成的复位电路提供的。在接通电源瞬间，电源电压经C3、R4微分成一个正脉冲，此脉冲通过非门F3倒相，从CD4069{6}脚输出，送入CD40174复位端{1}脚，用以完成寄存器工作前的置零任务。随着时间的延续，C3充电结束，在其负极端形成一个稳定的低电平，经F3倒相后来满足寄存器工作期间的需要。各触发器的时钟脉冲输入端也连接在一起，作为寄存器的移位脉冲输入端。

    移位脉冲取自CD4069{4}脚的脉冲串，从CD40174{9}脚输入。在第一个移位脉冲的上升沿，CD40174{3}脚输入的高电平信号移入触发器D6，寄存器的输出端状态由初始的“00000”变为“10000”，CD40174{2}{4}脚呈高电平。此高电平经隔离电阻R11加到三极管VT1放大、再从其发射极输出，送入双向晶闸管VS1的控制极，驱动VS1导通，第Ⅰ路彩灯因其电流回路形成而被点亮。与此同时，寄存器其余的四个输出端均为低电平，双向晶闸管VS2～VS5无驱动信号而阻断，所控制的四路彩灯Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ不亮。

    当第二个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y1呈高电平。此高电平从其{2}脚输出，经二极管VD4加到CD4066{12}脚。保持开关B的接通，从而维持CD40174{3}脚串行输入端的高电平状态。在第二个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“10000”变为“11000”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚呈高电平，经三极管VT1、VT2放大，驱动晶闸管VS1、VS2导通。这样在保持第Ⅰ路彩灯点亮的同时，第Ⅱ路彩灯相继被点亮，而其余三路彩灯则仍为熄灭状态。

    当第三个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y2呈高电平。此高电平从其{4}脚输出，经二极管VD6加到CD4066{12}脚。开关B继续接通，继续维持CD40174{3}脚的高电平。第三个移位脉冲使寄存器的输出状态由“11000”变为“11100”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚、{7}{11}脚同时呈高电平，经三极管VT1、VT2、VT3驱动晶闸管VS1、VS2、VS3导通。第Ⅰ、Ⅱ路彩灯继续点亮，第Ⅲ路彩灯又被点亮。

    同理，当第四、五个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y3、Y4依次呈高电平。CD4066保持开关B的接通， CD40174{3}脚维持高电平状态。第四、五个移位脉冲使寄存器的输出状态依次为“11110”和“11111”，晶闸管在控制点亮前三路彩灯的基础上，又依次点亮了第Ⅳ、Ⅴ路彩灯。

    由此可见，五路彩灯是按逐行递增的方式点亮的。

    当第六个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y5呈高电平。此高电平从其{1}脚输出，经二极管VD3加到CD4066开关D的选通端{6}脚，接通{8}脚和{9}脚，从而使{9}脚接地。同时，CD4017其余的计数输出端均为低电平，CD4066开关B因此而关断，以防止电源被接通的开关D短路。由于CD40174{3}脚与CD4066{9}脚直接相连，于是CD40174寄存器的串行输入端变为低电平。在第六个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“11111”变为“01111”，CD40174{2}{4}脚输出低电平，三极管VT1截止。晶闸管VS1失去触发信号，在交流电源过零瞬间自行阻断，第Ⅰ路灯熄灭。而寄存器其余四路输出端的高电平，通过VT2、VT3、VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5继续控制第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四路彩灯点亮。

    当第七个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y6呈高电平。此高电平从其{5}脚输出，经二极管VD7加到CD4066{6}脚，保持{9}脚接地。以维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。第七个移位脉冲使寄存器的输出状态由“01111”变为“00111”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚同时输出低电平，三极管VT1、VT2截止。晶闸管VS1因无触发信号而维持其阻断状态；VS2因失去触发信号，在交流电源过零瞬间而阻断。第Ⅰ、Ⅱ路彩灯熄灭。而寄存器其余三路输出的高电平，依然控制第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩灯点亮。

    同理，当第八、九、十个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y7、Y8、Y9依次输出的高电平控制CD4066开关D的接通，维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。当寄存器的移位脉冲输入端依次接收到第八、九、十个脉冲时，寄存器的输出状态则依次为“00011”、“00001”、“00000”，第3、4、5位的低电平控制晶闸管VS3、VS4、VS5依次阻断，在第Ⅰ、Ⅱ路彩灯熄灭的情况下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩灯依次熄灭。上述说明，五路彩灯是按逐行递减的方式熄灭的。
 当计数器CD4017计数满10个脉冲时，其进位端{12}脚输出一个正脉冲，直接反馈到其复位端{15}脚，使计数器复位，然后开始下一轮的计数过程，这样彩灯就周而复始地循环工作。

    电路中的电阻器R1、电容器C1、C2、二极管VD1、VD2组成电源电路。AC220V市电通过电源电路的降压、整流、滤波及稳压处理，变换成比较稳定的DC12V低压，为各晶体管和集成电路提供工作电压。

控制器的制作

1、印刷电路板的装接

    在熟悉元器件型号、规格和检测元器件性能良好后，即可进行印刷电路板的装接。印制板如图3所示。

    印制板的装接是制作成功的关键，为了取得更好的效果和顺利装盒，工艺要求如下：

    集成电路、电阻器、二极管采取水平安装方式。集成电路的VDD端接电源的正极，VSS端接电源的负极，即集成块切不可插反，同时注意避免其引脚未完全插入插孔的现象。电阻器、 二极管引脚成形时，应在距引脚根部1.5mm处开始折弯，以防止引线折断；器件应贴靠印刷电路板安装。电容器、三极管、晶闸管垂直安装。电容器引脚不作成形处理，可直接插入插孔焊接，但电容器底部要紧贴印刷电路板，否则其高度会给装盒造成不便。三极管、晶闸管器件体底部距印刷电路板高度以2～3mm为宜，以利于散热。焊接时，要确保焊点无漏焊、虚焊、搭焊等现象。焊接完成后，要剪去引脚多余的部分，留头在焊面以上0.5～1mm，且不可损伤焊接面。

2、印刷电路板与五联电源插座的连接

    在印刷电路板的焊接面，用绝缘导线将与各晶闸管电极T1相连的焊盘c、d、e、f、g接在一起，再与电源处的焊盘a相接。

    拆开五联电源插座，焊下电源线，断开各簧片原有的连线。从电源插座同一侧的五个簧片上分别焊出五条绝缘导线，导线的另一端头再依次与电路板上的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ焊盘相接。电源插座另一侧的各簧片连接在一起，然后用导线将其公共点与电源处的b焊盘相连。接好后理顺导线，从穿线孔引出，装好电源插座。
 电源线为双股导线，其一端接有电源插头，另一端悬空。将悬空一端的两线头分别焊在印刷电路板的L、N焊盘上。

3、印制板的封装

    取一尺寸不小于100×75×15mm的空塑料盒，在盒侧面适当位置开出一个穿线口，再剪一块与印制板面积相当的青壳纸垫在盒底上，然后将电路板元器件面朝上平行置于盒内，用502胶在盒内侧壁与电路板边缘处稍加固定，从穿线口中引出导线，合上盒盖，这样印制板就被封装在盒内了。

控制器的使用

    彩色灯选用电压为220V、功率为5W～25W的小型灯泡，由于受双向晶闸管的功率限制，每路灯总功率不要超过300w。如果组合较复杂的图形，需要更多的灯泡，可选用额定正向平均电流较大的晶闸管。彩色灯泡也可用相应功率的彩色灯串代替。

    使用时，只要将五路彩灯的电源插头分别插入控制器组合插座的各插孔内，再将控制器的电源插头插入市电AC220V的插座内即可。