Układ CD4047: multiwibrator monostabilny i astabilny

CD4047 jest uniwersalnym układem czasowym CMOS, który może pracować jako multiwibrator monostabilny albo astabilny. Wystarczy dołączyć zewnętrzny rezystor i kondensator, aby uzyskać impuls o określonym czasie trwania lub ciągły przebieg prostokątny.

Układ jest chętnie wykorzystywany w generatorach, dzielnikach częstotliwości, układach opóźniających i sterownikach przetwornic. Komplementarne wyjścia Q i Q' ułatwiają między innymi naprzemienne sterowanie dwoma gałęziami stopnia mocy.

Sam CD4047 nie magazynuje energii ani nie zastępuje źródła zasilania. W układzie przetwornicy wytwarza jedynie sygnały sterujące, a za gromadzenie i przekazywanie energii odpowiadają elementy stopnia mocy. Przyjrzyjmy się jego budowie i zasadzie działania.

Co to jest 4047 IC?

4047 IC, oznaczany również jako CD4047, to energooszczędny multiwibrator wykonany w technologii CMOS. Może pracować w trybie monostabilnym lub astabilnym. Generuje przebiegi prostokątne i impulsy; w przetwornicy DC–AC może sterować zewnętrznymi tranzystorami mocy, lecz sam nie wytwarza sinusoidy ani nie dokonuje konwersji mocy.

Multiwibratory dzieli się na bistabilne, monostabilne i astabilne. CD4047 obsługuje dwa ostatnie tryby: może wygenerować pojedynczy impuls po wyzwoleniu albo pracować jako swobodny generator. Nie jest natomiast samodzielnym multiwibratorem bistabilnym.

Multiwibrator bistabilny ma dwa stany stabilne i zmienia stan po otrzymaniu odpowiedniego sygnału sterującego. Multiwibrator astabilny nie ma stanu stabilnego: samoczynnie przełącza się między dwoma poziomami i działa jak oscylator relaksacyjny.

Multiwibrator monostabilny ma tylko jeden stan stabilny. Impuls wyzwalający przełącza go na określony czas do stanu przejściowego, po czym układ sam wraca do stanu początkowego. Jest to zatem generator pojedynczego impulsu.

Zakres napięcia zasilania układu 4047 wynosi od 3 V do 18 V. Często pracuje on przy 5 V, ale ostateczny poziom zasilania należy dopasować do pozostałych elementów i sprawdzić w nocie katalogowej konkretnego producenta.

Konfiguracja pinów

Rozmieszczenie wyprowadzeń układu CD4047.

Źródło: Wikimedia Commons.

City 4047 IC

Ma buforowane wyjścia Q i Q' o przeciwnych stanach logicznych.

Zapewnia symetryczne przebiegi wyjściowe.

Wejścia układu są buforowane.

Układ jest w 100% testowany pod kątem prądu spoczynkowego przy 20 V.

Może działać w trybie monostabilnym i astabilnym.

Do ustalenia czasu lub częstotliwości wymaga jednego zewnętrznego rezystora i kondensatora.

Dzięki technologii CMOS pobiera niewielką moc.

Charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia.

Parametry katalogowe są podawane między innymi dla napięć 5 woltów, 10 woltów i 15 woltów.

Specyfikacje 4047 IC

Maksymalny prąd wejściowy DC dla pojedynczego wejścia wynosi ± 10mA.

Zakres temperatury pracy wynosi od -55 ° C do +125 ° C.

Układ 4047 może być zasilany napięciem od 3 V do 18 V.

Zakres temperatury przechowywania układu 4047 wynosi -65 ° C do +150 ° C.

Maksymalna podana temperatura lutowania wynosi 260 ° C.

Obliczanie czasów: tryb astabilny i monostabilny

Częstotliwość pracy CD4047 zależy od rezystancji R i pojemności C w obwodzie czasowym. We wzorach należy podawać rezystancję w omach, a pojemność w faradach — wtedy okres i czas impulsu otrzymamy w sekundach, a częstotliwość w hercach.

Tryb astabilny — okres i częstotliwość

W trybie astabilnym okres sygnału na wyjściach Q (nóżka 10) i Q' (nóżka 11) wynosi T = 4,4 · R · C, a częstotliwość f = 1/(4,4 · R · C). Wypełnienie obu przebiegów wynosi 50%. Wyjście oscylatora na nóżce 13 pracuje z dwukrotnie większą częstotliwością: f_osc = 1/(2,2 · R · C). Przy obliczeniach i pomiarach trzeba więc zwrócić uwagę, z którego wyjścia pobierany jest sygnał.

Dla R = 100 kΩ i C = 0,1 µF otrzymujemy T = 4,4 × 100 000 × 0,0000001 = 0,044 s = 44 ms. Odpowiada to częstotliwości około 22,7 Hz na wyjściu Q oraz około 45,5 Hz na nóżce 13.

W układzie opisanym w artykule zastosowano potencjometr VR1 = 250 kΩ i kondensator C1 = 0,01 µF. Przy ustawieniu rezystancji obwodu czasowego na 250 kΩ obliczony okres wynosi T = 11 ms, czyli częstotliwość na wyjściu Q jest równa około 90,9 Hz. Jest to wynik dla tej konkretnej nastawy rezystancji.

Tryb monostabilny — czas trwania impulsu

W trybie monostabilnym obliczamy czas trwania impulsu wyjściowego po wyzwoleniu układu: t = 2,48 · R · C. Dla R = 100 kΩ i C = 0,1 µF otrzymujemy t = 2,48 × 100 000 × 0,0000001 = 0,0248 s = 24,8 ms.

Przebiegi komplementarne Q i Q'

W trybie astabilnym wyjścia Q (nóżka 10) i Q' (nóżka 11) dostarczają przebiegi komplementarne: gdy na jednym występuje stan wysoki, na drugim jest stan niski. Oba sygnały mają wypełnienie 50% i są przesunięte względem siebie o 180°. Ich częstotliwości są jednakowe i wynoszą połowę częstotliwości oscylatora dostępnej na nóżce 13.

Taka para sygnałów przydaje się do naprzemiennego sterowania dwiema gałęziami układu, na przykład w stopniu przeciwsobnym. CD4047 zapewnia od razu sygnał i jego negację, co upraszcza przygotowanie sterowania. Dobór elementów wykonawczych pozostaje osobnym etapem projektu. Więcej zagadnień związanych z projektowaniem układów elektronicznych znajdziesz na naszym blogu.

Tolerancja RC i pomiar błędu

Wynik obliczeń jest wartością nominalną. Rzeczywista częstotliwość lub czas impulsu zależą od tolerancji rezystora i kondensatora. Przy przybliżonym szacowaniu błędu granicznego tolerancje dodaje się liniowo: dla R ±1% i C ±10% daje to ±11%. Przy statystycznym oszacowaniu metodą pierwiastka z sumy kwadratów tolerancji wynik wynosi około ±10%; nie jest to jednak gwarantowana granica błędu pojedynczego układu.

Dodatkowe odchylenie może powodować zmiana pojemności kondensatora ceramicznego wraz z temperaturą. W obwodzie czasowym warto zastosować kondensator o stabilnej pojemności i małym prądzie upływu, aby ograniczyć dryft oraz wpływ upływności na odmierzany czas.

Sprawdzenie i regulacja gotowego układu

Po uruchomieniu generatora zmierz rzeczywistą częstotliwość oscyloskopem lub częstościomierzem, a następnie skoryguj rezystancję potencjometrem lub rezystorem nastawnym. Jeśli interesuje Cię częstotliwość na Q, wykonuj pomiar na nóżce 10 — na nóżce 13 odczytasz wartość dwukrotnie większą. W trybie monostabilnym sprawdź oscyloskopem czas trwania impulsu i dostrój R do wymaganej wartości.

Regulacja pozwala skompensować początkowy rozrzut wartości elementów, ale nie usuwa ich zależności od temperatury. Jeśli potrzebujesz wsparcia przy realizacji płytki do takiego układu, skontaktuj się z nami.

4047 IC-Różnica między 555 i CD4047

NE555 jest popularnym układem czasowym stosowanym do generowania impulsów, opóźnień i przebiegów okresowych. Pierwszą łatwo zauważalną różnicą między nim a CD4047 jest liczba wyprowadzeń.

CD4047 ma 14 pinów, natomiast 555 ma osiem pinów. Układy są dostępne między innymi w obudowach PDIP, SOIC i VSSOP. W przypadku NE555 funkcje kolejnych wyprowadzeń obejmują masę, wyzwalanie, wyjście, reset, napięcie sterujące, próg, rozładowanie i zasilanie.

Do pozostałych istotnych różnic należą zakres temperatury pracy, napięcie zasilania oraz dostępne tryby działania:

Zakres temperatury pracy 555 wynosi od 0 ° C do 70 ° C, natomiast dla CD4047 podano zakres od -55 ° C do +125 ° C.

Napięcie robocze CD4047 wynosi od 3 V do 18 V, podczas gdy dla porównywanej wersji 555 podano zakres od 5 V do 18 V.

Układ 555 może pracować w konfiguracji bistabilnej, monostabilnej i astabilnej. CD4047 jest przeznaczony do pracy w trybie monostabilnym lub astabilnym.

Układ czasowy NE555.

Jak zbudować obwód multiwibratorowy CD4047?

4047 IC-Prosty generator fal kwadratowych

Prosty generator fali kwadratowej

Jako pierwszy przykład zbudujemy multiwibrator astabilny CD4047, który działa jako prosty generator fali prostokątnej.

Generator zasilimy z baterii 9 V. Układ udostępnia trzy przebiegi wyjściowe: sygnał oscylatora na pinie 13 oraz komplementarne sygnały Q i Q' na pinach 10 i 11. Wyjścia Q i Q' mają symetryczne wypełnienie 50%.

4047 IC-Wymagania

Płytka stykowa lub uniwersalna płytka PCB.

Przewody

Baterie

Potencjometr

Półprzewodnik: CD4047

Podstawka 14-pinowa.

4047 IC-Jak zbudować

Rozmieść elementy na płytce stykowej lub uniwersalnej i wykonaj połączenia zgodnie ze schematem. Dokładnie sprawdź numerację wyprowadzeń układu oraz polaryzację kondensatora elektrolitycznego przed podłączeniem zasilania.

Następnie zmierz oscyloskopem przebiegi na pinach 13, 10 i 11 i zapisz wyniki. Wartość kondensatora C1 współdecyduje o częstotliwości generatora. Dla podanych zakresów przyjmij:

1UF = 1-10 Hz

0,1Uf = 10Hz-1KHz

0,01UF = 100 Hz-10 kHz

We wszystkich wariantach potencjometr VR1 ma wartość 250k.

Wyniki

Na pinie 13 pojawia się podstawowa częstotliwość oscylatora ustalana przez VR1 i C1 połączone z pinami 1, 2 i 3.

Na pinach 10 i 11 występują przebiegi o częstotliwości równej połowie częstotliwości z pinu 13.

Sygnały na pinach 10 i 11 są wzajemnie komplementarne, dlatego ich fazy różnią się o 180 stopni.

Poniższa grafika przedstawia zależność między przebiegami na trzech wyjściach.

Porównanie przebiegów wyjściowych układu CD4047.

Wypełnienie 50% na wyjściach Q i Q' jest stałe, ale częstotliwość można regulować za pomocą VR1 i C1. Zakres wartości VR1 wynosi od 1K do 1M, natomiast C1 dobiera się do wymaganego pasma częstotliwości.

Do generatora należy wybrać kondensator o małym prądzie upływu i dobrej stabilności. Ograniczy to odchyłkę częstotliwości oraz zniekształcenia przebiegu.

4047 IC-Migające diody LED przy użyciu CD4047

Drugi eksperyment pokazuje praktyczne zastosowanie komplementarnych wyjść CD4047 do naprzemiennego sterowania dwiema diodami LED.

4047 IC-Wymagania

Płytka stykowa lub uniwersalna płytka PCB.

Przewody

Bateria

Rezystory

LED

Potencjometr

CD4047

Jak zbudować

Podstawowa część generatora pozostaje bez zmian. Do wyjść trzeba jedynie dołączyć diody LED z odpowiednimi rezystorami ograniczającymi prąd.

Test I wyniki

Po sprawdzeniu połączeń włącz zasilanie, wyreguluj VR1 i w razie potrzeby zmień C1. Dwie diody LED powinny migać naprzemiennie, a częstotliwość ich przełączania będzie zależeć od ustawionych wartości elementów czasowych.

Inne eksperymenty związane z multiwibratorami astabilnymi

Układ oscylatora 1KHz wykorzystujący bramki NAND CD4011.

Prosty obwód generatora fali kwadratowej z bramką NOR CD4001.

Oscylator 1KHz wykorzystujący wyzwalacz Schmitta.

Prosty obwód generatora zegara 1KHz z użyciem bramek NOT CD4049.

Prosty obwód oscylatora wysokiej częstotliwości z wykorzystaniem bramek NOT.

Obwód generatora fali trójkątnej.

Zastosowania

Płytki elektroniczne z wbudowanymi układami scalonymi

Generowanie impulsów w układach detekcji obwiedni.

Układy współpracujące z dyskryminatorami częstotliwości.

Podział częstotliwości

Mnożenie częstotliwości

Zastosowania opóźnienia czasowego

Obwody czasowe

Sterowanie przetwornicami prądu stałego na przemienny.

Układ znajduje zastosowanie w różnych projektach falowników, na przykład 60W do 100W, 12VDC - 220VAC, w konstrukcji 100W opartej na IC-4047 i IRF540, w falowniku prostokątnym 100W z LM358, CD4047, 2N3055 i 2SC106 oraz w przetwornicy DC-AC 60W sterowanej przez IC4047.

Winooski

CD4047 pracuje w dwóch podstawowych trybach: monostabilnym i astabilnym. Może więc generować pojedynczy impuls albo ciągły przebieg prostokątny, a jego komplementarne wyjścia ułatwiają budowę generatorów, dzielników i sterowników przetwornic.

Zarówno CD4047, jak i NE555 dobrze nadają się do nauki układów czasowych, choć różnią się wyprowadzeniami i dostępnymi konfiguracjami. Jeśli potrzebujesz płytki do własnego generatora, migacza LED lub przetwornicy, skontaktuj się z nami.