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Las balizas luminosas tienen montones de aplicaciones en las señalizaciones, tanto terrestres, como marítimas, o aéreas.
El ritmo (parpadeo) de la luz y/o los colores utilizados se utilizan habitualmente para crear códigos de señales luminosas de toda índole: advertencias, indicaciones, posicionamientos, identificaciones, etc., etc.
En esta lección vamos a aprender a controlar tanto el ritmo como el color de la luz y conseguir infinidad de variantes de balizas de luz para poder aplicarlas a casi cualquier caso práctico… y todo ello sin necesidad de programar absolutamente nada!.
Otras lecciones relacionadas con este tema:
- Osciladores: generadores de ondas.
- Jugando con los osciladores (01): señales luminosas.
- Jugando con los osciladores (02): drivers de potencia.
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Con los osciladores que ya hemos visto es posible conseguir algunas variantes que nos permitan realizar algún tipo de baliza. Sin embargo, por si mismos, no dan demasiado juego para estos fines.
En la fig.A jugamos con 2 osciladores, uno con una frecuencia de 1Hz, que alimenta el LED rojo, y otro con una frecuencia de 7Hz, que alimenta el LED amarillo. Las salidas de estos osciladores podemos verlas en la fig.C: ambos LEDs van a estar parpadeando a la frecuencia de su oscilador.
Podemos hacer un "apaño" para concentrar la salida de esos 2 osciladores en un solo LED, el verde.
Para ello aislamos la salida de cada oscilador con un diodo para evitar cortocircuitos cuando tengamos salidas tipo: “0” y “1” o “1” y “0” en los osciladores.
El diodo solo conduce en un sentido (fig.B) comportándose como un interruptor cerrado. Como en sentido contrario no conduce, se comporta como un interruptor abierto para el paso de la corriente.
Con esos 2 diodos permitimos el paso de los “1” hacia el LED verde, así, cuando cualquiera de los osciladores saca un “1” este llega al LED haciendo que se encienda. Funciona como una puerta lógica OR: si hay un “1” en cualquier entrada, hay un “1” en su salida.
El resultado se puede ver en la fig.C (Osc1 + Osc2): un pulso largo de luz, seguido de una ráfaga de 3 pulsos cortos.
Jugando con la frecuencia de los osciladores podemos conseguir variantes del mismo tipo de código luminoso, pero no es de mucha utilidad este circuito para "fabricar" otro tipo de códigos.
Recuerda el tema de colocar diodos en las salidas que se unan (siempre que exista la posibilidad de haber un “cero” en una salida y un “uno” en la otra) porque tendremos que aplicarlo más adelante.
# El CD4017, un viejo conocido.
Las limitaciones que comentábamos llegan a su fin con la incorporación de un nuevo elemento: el chip CD4017.
Con nuestros osciladores y la ayuda del 4017 se abre la puerta a una infinidad de variantes que se pueden conseguir si lo conocemos bien y si exprimimos un poco nuestra imaginación.
El 4017 no parece ser nada de otro mundo. Simplemente es un contador en anillo que, por cada pulso que se aplica a su entrada (CLK), saca -secuencialmente- un pulso en sus salidas del 1 al 10 (S0-S9), volviendo a empezar cuando llega a su salida 10.
Esta aparente simplicidad abre, sin embargo, infinitas posibilidades para crear diversos circuitos.
Cuando lo conozcas más a fondo y se empiece a disparar tu imaginación lo comprenderás ;-)
El CD4017 puede ser alimentado con una fuente simple de entre 3V y 15V y sus salidas, en su nivel alto (“1”), tendrán una V ligeramente inferior a la Vcc de alimentación del chip. Dichas salidas solo pueden manejar corrientes muy pequeñas; por lo tanto será necesario, en muchos casos, el empleo de drivers que permitan trabajar con niveles de corriente más elevados.
Además de la entrada (CLK) y las salidas (S0-S9), el 4017 tiene una entrada de reset (R), otra entrada (CE) que permite habilitar o deshabilitar la entrada de señal (CLK), y una salida de acarreo (CO).
El reset está deshabilitado con un “0” (o conectado a masa).
Cuando se le aplica un “1” a esa entrada, el 4017 es reseteado y se sitúa en su posición inicial: con un nivel alto (“1”) en su primera salida (S0).
La entrada de señal (CLK) está habilitada con un “0” (o conectada a masa) en su entrada CE.
Cuando se le aplica un “1” a la entrada CE el 4017 deja de contar y se queda fijo en la última salida que estaba activa en ese momento hasta que que se resetee de nuevo o se vuelva a habilitar CE.
La salida de acarreo (CO) ofrece un nivel alto (“1”) durante el conteo de 0 a 5 y un nivel bajo (“0”) de 6 a 9. Es decir, la mitad del conteo está a “1” y la otra mitad a “0”. Por cada 10 pulsos de entrada, la salida CO saca 1 pulso.
Todos estos detalles pueden observarse en la fig.D.
Es importante remarcar que el 4017 , una vez contado el pulso, mantiene el "1" en la salida que corresponda sin importar ya el nivel del pulso de entrada (si está a "1" o a "0" o, incluso, que desaparezca) y se mantiene así hasta que cuente el siguiente pulso y se desplace a la siguiente salida.
También hay que destacar que el 4017 no dispone de ningún "mecanismo" que permita desconectar todas sus salidas (poner a "0" todas las salidas). A no ser que se le retire la alimentación al chip, siempre va a tener una de sus salidas a "1".
Para conseguir el efecto de que todas sus salidas están a "0" será necesario recurrir a circuitería externa al propio 4017.
# El 4017 en acción.
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En la figura superior podemos ver circuitos que nos permiten hacer desplazamientos de luz.
En todos esos circuitos el conteo que hará el 4017 será de 1 a 10 y volver a empezar, ya que no se actúa en ningún momento sobre las entradas de reset R o CE (observa que ambas están conectadas a masa).
El circuito C.1 nos muestra un desplazamiento secuencial, de la salida 1 a la 10. A la velocidad que le marque el oscilador, el 4017 irá encendiendo los LEDs (de uno en uno) desde su primera salida (Q0) hasta la última (Q9) y, luego, volverá empezar por la salida 1 (Q0).
El circuito C.2 trabaja a la inversa del C.1. Como todos los LEDs están encendidos, en vez de ir encendiéndolos, irá apagando uno, secuencialmente, desde la entrada 1 (Q0) a la 10 (Q9).
El circuito C.3 nos enseña como hacer un desplazamiento de luz tipo “coche fantástico”.
Se encienden, secuencialmente, los LEDs de la salida 1 (Q0) a la 6 (Q5) para, seguidamente, invertir en encendido, esta vez de la salida 6 (Q5) a la 1 (Q0).
En el circuito C.4 podemos ver como hacer un efecto similar al del circuito C.3 pero jugando con el encendido de LEDs por pares.
En estos dos últimos circuitos necesitamos atacar varios de los LEDs desde 2 salidas del 4017; por lo tanto, para evitar cortocircuitos, se usan los diodos como se ha comentado con anterioridad.
Todos estos circuitos es mejor que los observes previamente en el simulador online para ver, de forma más real, como se comportan.
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En la figura superior tenemos varios circuitos que nos permiten crear códigos de luz y color.
En todos esos circuitos el conteo que hará el 4017 será de 1 a 10 y volver a empezar, ya que no se actúa en ningún momento sobre las entradas de reset R o CE (observa que ambas están conectadas a masa).
El circuito C.1 nos muestra como crear un código de luz como el de la fig.A (1 pulso largo, seguido de una ráfaga de 3 pulsos cortos) aplicado a un solo LED.
En este caso, no necesitamos sincronizar osciladores y van a ser EXACTAMENTE: 1 pulso largo, seguido de 3 pulsos cortos.
La duración de los mismos puede ajustarse variando la frecuencia del oscilador de entrada.
El circuito C.2 crea el mismo ritmo (pulsos) de luz que el C.1 pero, esta vez, actuando sobre 2 LEDs de diferente color o sobre un solo LED RGB. Esto nos permite abrir otra parcela del campo luminoso: la creación de códigos de color.
Su código es: 1 pulso largo de un color, seguido de una ráfaga de 3 pulsos cortos de otro color.
En el circuito C.3 tenemos otro código diferente de color que puede manejarse con 3 LEDs de diferente color o un solo LED RGB.
Esta vez, el código es: 1 pulso corto de rojo… 1 pulso corto de verde… 1 pulso corto de azul… seguidamente, una ráfaga de rojo, verde y azul.
Dado que el 4017 siempre mantiene una de sus salidas a “1” todo el tiempo, la forma de crear pequeñas pausas o espacios muertos (sin luz) es dejar sin conectar alguna de sus salidas, como se ha hecho en estos circuitos.
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El 4017 no solo puede utilizarse como un contador sino también como un “descontador” o divisor de frecuencia.
La figura superior nos muestra circuitos que permiten dividir la frecuencia de la señal de entrada para aplicarla a otros circuitos.
En el C.1 podemos ver un divisor x2 de la frecuencia de la señal de entrada al 4017. O sea: f de entrada / 2.
Entra el primer pulso y lo cuenta: saca un “1” en su salida 1 (Q0).
Entra el segundo pulso y lo cuenta: saca un “1” en su salida 2 (Q1).
Entra el tercer pulso. Dado que la siguiente salida (Q2) está conectada ahora a la pata de reset (R) y le estamos aplicando un “1”, hace que el 4017 vuelva a empezar el conteo desde la salida 1 (Q0) como si fuera el primer pulso de nuevo.
Como este proceso se repite indefinidamente, si tomamos nuestra salida por la salida 1 (Q0) o 2 (Q1), obtendremos una señal cuya frecuencia será la mitad de la que entra al 4017.
El circuito C.2 nos muestra como dividir la frecuencia de la señal de entrada x3.
Es el mismo proceso que en el C.1, solo que hemos corrido la conexión de reset a la siguiente salida del 4017. Obtenemos nuestra salida desde Q2 (o desde Q0 o Q1) y reseteamos desde la siguiente: Q3.
Corriendo la conexión de reset a las siguientes salidas del 4017 podemos conseguir dividir la frecuencia de la señal de entrada: x4, x5, x6, x7, x8 y x9.
Para dividir x10 hay que hacer alguna modificación, como se muestra en el circuito C.3.
No podemos resetearlo desde la salida 10 (Q9) porque, entonces, contaría solo hasta 9 y volvería a 1.
Como el 4017 se reinicia de forma automática al llegar a 10, ya no es necesario utilizar el reset.
Entonces, podemos tomar directamente nuestra salida desde la salida 10 (Q9) del 4017 (podría ser cualquier otra) o tomarla desde la salida de acarreo (CO) que, como sabemos, saca 1 pulso por cada 10 de entrada.
Cualquiera de estas salidas nos sirve para sacar la señal de entrada dividida x10.
Esta actuación sobre la entrada de reset (R) no solo es válida para hacer divisiones de frecuencia. También puede utilizarse en otros circuitos similares a los vistos con anterioridad cuando no deseamos que cuente hasta 10 y vuelva a 1, que es lo que hace por defecto.
Podemos hacer que el 4017 cuente solo hasta donde nos interese.
P.ej. deseamos que cuente hasta 5:
Conectamos la salida siguiente a la 5, la 6 (Q5), a la entrada reset.
Cuando llegue a contar 6 enviará un “1” a la pata de reset y se activará la salida 1 (Q0) haciendo que ese 6 se convierta en el 1 del siguiente conteo. Por lo tanto, estará contando siempre del 1 al 5.
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Un único 4017 solo puede contar, como máximo, hasta 10. Pero, uniendo varios 4017 en cascada, podemos hacer conteos hasta el número que nos interese.
Aunque le estamos llamando así: “contar”, “conteos”, etc. eso puede traducirse por muchas otras cosas como: “encender o apagar un determinado nº de LEDs”, "controlar tiempos de ejecución", etc. Eso nos permitirá abrir la imaginación y no pensar que se trata únicamente de hacer un conteo de cosas.
En la fig.H vemos un contador en cascada que permite ir contando (independientemente), unidades, decenas, centenas...
Cada vez que el primer contador cuenta 10, pasa un pulso al siguiente contador, por medio de su salida de acarreo (CO), y sigue contando.
El segundo contador hará la misma operación, pasando un pulso al siguiente contador cuando cuente 10. También seguirá contando, pero más lento que el primero: un pulso por cada 10 pulsos que entran al primer contador.
El tercer contador contará todavía más lento: un pulso por cada 100 pulsos que entran al primer contador.
Así, estaremos dividiendo la frecuencia de la señal de entrada x10 (primer contador), x100 (segundo contador), x1000 (tercer contador), etc.
Esta disposición nos permite generar un buen número de códigos diferentes de luz y/o color para cualquier baliza.
Aunque, como se puede observar, utilizamos un LED en cada salida (se ha hecho así para monitorizar visualmente todas las salidas), en la práctica no es necesario poner un LED en cada salida ya que eso no afecta al funcionamiento del circuito. Unicamente se pondrán LEDs donde sea necesario.
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El contador en cascada que muestra la fig.I es similar al anterior pero su forma de actuar es diferente.
En este circuito se aplica la misma señal de entrada a cada 4017, por lo que, su velocidad de conteo será la misma en cada contador (no se divide la frecuencia de la señal en ningún momento).
El primer contador empezará a contar de 1 a 10.
Mientras tanto, los otros contadores están reseteados. Tienen a “1” la salida 1 (Q0) pero no hacen el conteo porque las puertas AND impiden la llegada de pulsos a sus entradas.
Para evitar que se vean encendidos esos LEDs rojos de las salidas Q0, no se utilizan en el circuito práctico.
Cuando el primer contador llega a 10 (otro LED rojo que no se utiliza) envía un “1” a su propia entrada CE, la cual bloquea el conteo y mantiene al contador con su salida 10 (Q9) activa de forma indefinida.
Ese “1” de la salida 10 también se aplica a la primera puerta AND, haciendo que esta permita pasar ahora los pulsos del oscilador al segundo contador 4017.
En este momento, tenemos bloqueado el conteo de los contadores 1 y 3, por lo tanto, no contarán.
Al recibir pulsos en su entrada, el segundo contador contará de 2 a 10 encendiendo los correspondientes LEDs.
Al llegar a 10 (otro LED rojo que no se utiliza) se vuelve a repetir la historia.
Envía un “1” a su propia entrada CE, la cual bloquea el conteo y mantiene al contador con su salida 10 (Q9) activa de forma indefinida.
Se le aplica ese mismo “1” a la segunda puerta AND permitiendo el paso de los pulsos del oscilador al tercer contador 4017.
En este momento, tenemos bloqueado el conteo de los contadores 1 y 2, por lo tanto, no contarán.
Al entrar, ahora, pulsos en el tercer contador, este empieza su conteo de 2 a 10.
Al llegar a 10 envía un “1” al reset del primer contador y este empieza su cuenta de 1 a 10. A la vez, el primer contador envía un “1” desde su salida 1 (Q0) al reset del segundo contador para resetearlo y volver a bloquearle el paso de pulsos a través de la primera puerta AND.
A partir de aquí el ciclo se repite indefinidamente.
La secuencia que ofrece este circuito es: el encendido de un LED de 1 a 9 (primer contador), seguido del encendido de un LED de 2 a 9 (segundo contador), seguido del encendido de un LED de 2 a 9 (tercer contador).
Es decir: va encendiendo, secuencialmente, un LED (de izquierda a derecha), entre un total de 25 LEDs. Los LEDs rojos no son operativos.
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El circuito de la fig.J hace exactamente la misma función que el anterior pero de una forma más eficiente y elegante.
Utilizando solo 2 chips 4017 es capaz de controlar hasta 100 LEDs. Como puede apreciarse, no se desaprovecha ninguno de los 10 LEDs de cada bloque, como ocurría en el circuito anterior.
El 4017-A está contando permanentemente de 1 a 10.
El “1” de cada salida activa está llegando al ánodo (A) del LED de cada bloque que está conectado a dicha salida, pero este se podrá encender o no.
Cada bloque de 10 LEDs (hay 4 bloques en el esquema) lleva una conexión común que une los cátodos (K) de los 10 LEDs.
Esos cátodos deben estar conectados a masa para que los LEDs puedan encenderse cuando les llegue un “1” por su otra pata, el ánodo.
Quien va a permitir o impedir que esto suceda será el transistor que controla cada bloque, el cual actuará como un interruptor que se abre o cierra hacia masa dependiendo de si a su base le llega un “0” o un “1”. Es decir, dependiendo de si el transistor está en su estado de corte o de saturación.
El 4017-B, que está contando continuamente de 1 a 4 (en este caso), es el encargado de hacer conmutar los transistores secuencialmente, del 1 al 4 (de izquierda a derecha), con el envío de un “1” por la salida que le corresponda.
Este 4017-B recibe la señal de entrada desde la salida de acarreo (CO) del 4017-A, o sea: 1 pulso por cada cuenta de 10.
La secuencia será la siguiente:
El 4017-B está en su posición de inicio, con un “1” en la primera salida (Q0). Esta salida hace que el primer transistor entre en saturación y conecte a masa los cátodos de los 10 LEDs del primer bloque.
El 4017-A empezará a contar de 1 a 10, encendiendo secuencialmente cada LED del primer bloque.
Los demás bloques de LEDs, al no tener su cátodo conectado a masa, no se encenderán.
Al llegar a 10, el 4017-B recibe un nuevo pulso que le hará sacar un “1” por la segunda salida (Q1), activando ahora el segundo transistor el cual conecta a masa los cátodos del segundo bloque de 10 LEDs.
El 4017-A empezará a contar de nuevo de 1 a 10, encendiendo secuencialmente cada LED, ahora del segundo bloque.
Los demás bloques de LEDs, al no tener su cátodo conectado a masa, no se encenderán.
Lo mismo ocurre con las siguientes salidas: avanza hacia el siguiente transistor, el cual activa su bloque de LEDs.
Cuando el 4017-B llega a la cuenta de 5, envía un “1” a su entrada de reset. Esto hace que aparezca un “1” en su primera salida (Q0) y se vuelva a repetir el ciclo.
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Una de las balizas luminosas de mayor popularidad son los semáforos de circulación.
El semáforo, además de controlar el tiempo (ritmo), genera un código de colores que permite regular la circulación del tráfico.
En la fig. superior podemos ver el esquema de un bloque de semáforos de cruce controlado por un único 4017.
Se utilizan las 10 salidas de conteo del 4017.
Se emplean la mitad de ellas para el rojo del semáforo. La otra mitad, del siguiente modo: 4 para el verde y 1 para el ámbar.
El tiempo que va a permanecer activa cada salida (que será el mismo para todas ellas) se puede regular variando la frecuencia de la señal de entrada proporcionada por el oscilador.
Este circuito no incorpora nada nuevo que no se contemplara ya en circuitos anteriores.
Como es conocido, los semáforos de cruce trabajan por pares: mientras 2 de ellos están en rojo, los otros 2 están en verde … en el proceso siguiente se invierten los colores.
Para conseguir este efecto, se envían simultáneamente las 5 primeras salidas al rojo del semáforo 1 y al verde (una de ellas para el ámbar) del semáforo 2. En el proceso siguiente se envían las restantes salidas al verde (una de ellas para el ámbar) del semáforo 1 y al rojo del semáforo 2.
Importante:
Los esquemas de los circuitos aquí mostrados que llevan el chip 4017, no son todos exactamente iguales a los que aparecen en las simulaciones. Esto es debido a que, para la simulación, se utiliza un contador en anillo genérico que no dispone de la salida de acarreo (CO) y ha sido necesario hacer algunas modificaciones para tratar de simular un auténtico 4017 lo mejor posible.
Si vas a trabajar en la práctica con alguno de estos circuitos, guíate siempre por el esquema de la lección y no por el de la simulación.
También hacer constar que, aunque en los circuitos hemos dispuesto los LEDs en línea para una mejor comprensión, no hay nada que impida colocarlos en círculo, cuadrado, estrella, o cualquier otra disposición que sea oportuna para recrear una baliza real.
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