Botões de rádio de intertravamento eletrônico (* aprimorado! *): 3 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

O termo "botões de rádio" vem do design de rádios de carros antigos, onde haveria uma série de botões pré-sintonizados para diferentes canais e mecanicamente interligados de forma que apenas um pudesse ser pressionado de cada vez.

Eu queria encontrar uma maneira de fazer botões de rádio sem ter que comprar alguns interruptores interligados reais, porque eu quero ser capaz de selecionar valores predefinidos alternativos em outro projeto que já tem um interruptor rotativo, então eu queria um estilo diferente para evitar erros.

Interruptores táteis são abundantes e baratos, e eu tenho uma carga desmontada de várias coisas, então eles pareciam a escolha natural de usar. Um flip-flop hexadecimal tipo D, o 74HC174, executa a função de intertravamento muito bem com a ajuda de alguns diodos. Possivelmente algum outro chip poderia fazer um trabalho melhor, mas o '174 é muito barato e os diodos eram gratuitos (puxa a placa)

Alguns resistores também são necessários e capacitores para desestabilizar os interruptores (na primeira versão) e fornecer energia na reinicialização. Desde então, descobri que, ao aumentar o capacitor de atraso do clock, os capacitores de debounce do switch não são necessários.

A simulação "interlock.circ" roda em Logisim, que você pode baixar aqui: https://www.cburch.com/logisim/ (infelizmente não está mais em desenvolvimento).

Eu produzi 2 versões melhoradas do circuito, na primeira, apenas os capacitores de debounce são removidos. No segundo, um transistor é adicionado para permitir que um dos botões seja ativado na hora de ligar, dando uma configuração padrão.

Suprimentos

• 1x 74HC174
• 6x interruptores táteis ou outro tipo de interruptor momentâneo
• 7 resistências de 10k. Eles podem ser SIL ou DIL empacotados com um terminal comum. Usei 2 pacotes contendo 4 resistores cada.
• 6x capacitores de 100n - o valor exato não é importante.
• 1x resistor 47k
• 1x capacitor 100n, valor mínimo. Use qualquer coisa até 1u.
• Dispositivos de saída, por exemplo, pequenos mosfets ou LEDs
• Materiais para montagem do circuito

Etapa 1: construção

Monte usando seu método preferido. Usei cartão perfurado de dupla face. Seria mais fácil de fazer com um chip DIL empacotado através de orifício, mas eu geralmente compro dispositivos SOIC porque eles geralmente são muito mais baratos.

Portanto, com um dispositivo DIL, você não precisa fazer nada de especial, apenas conecte-o e conecte-o.

Para um SOIC, você precisa fazer um pequeno truque. Dobre as pernas alternadas um pouco para cima para que não toquem na prancha. Os pinos restantes estarão no espaçamento correto para coincidir com as almofadas na placa. Aqui está um guia de como dobrei o meu (PARA CIMA significa dobrado para cima, PARA BAIXO significa deixar em paz)

• UP: 1, 3, 5, 7, 10, 12, 14, 16
• PARA BAIXO: 2, 4, 6, 8, 9, 11, 13, 15

Desta forma, 4 dos diodos podem ser conectados às almofadas e apenas 2 precisam ser conectados às pernas elevadas. Parte de mim suspeita que seria melhor ao contrário, no entanto.

Disponha os diodos de cada lado do chip e solde-os no lugar.

Instale os resistores pull-down para cada uma das entradas D. Usei 2 pacotes SIL de 4 resistores cada, Instale o resistor pull-down para a entrada do relógio. Se estiver usando pacotes SIL, conecte um dos resistores sobressalentes em vez de um separado

Encaixe as chaves próximas aos resistores.

Instale os capacitores de compensação dos interruptores o mais próximo possível deles.

Ajuste seus dispositivos de saída. Usei LEDs para teste e demonstração, mas você poderia encaixar algum outro dispositivo de sua escolha para obter vários pólos em cada saída, por exemplo.

• Se você instalar LEDs, eles só precisarão de 1 resistor limitador de corrente na conexão comum, já que apenas 1 LED acende por vez!
• Se você usar MOSFETs ou outros dispositivos, preste atenção à orientação do dispositivo. Ao contrário de uma chave real, o sinal ainda tem uma relação com a conexão 0v deste circuito, de modo que o transistor de saída deve ser referenciado a ele.

Conecte tudo de acordo com o esquema. Usei fio magnético de 0,1 mm para isso, você pode preferir algo um pouco menos fino.

Etapa 2: como funciona

Eu forneci 4 versões do esquema: o original com capacitores de debouncing de interruptores, com e sem mosfets de saída, e outras duas versões onde o capacitor de atraso de clock foi aumentado, de modo que debouncing os switches tornou-se desnecessário, finalmente com a adição de um transistor que virtualmente "pressiona" um dos botões quando o instrumento é ligado.

O circuito usa flip-flops simples do tipo D com um clock comum, convenientemente você obtém 6 deles no chip 74HC174.

O relógio e cada uma das entradas D do chip são levadas ao solo por meio de um resistor, de modo que a entrada padrão é sempre 0. Os diodos são conectados como um circuito "OR com fio". Você poderia usar uma porta OR de 6 entradas, então você não precisaria puxar para baixo na entrada do clock, mas onde está a diversão nisso?

Quando o circuito é ligado pela primeira vez, o pino CLR é puxado para baixo por meio de um capacitor para reiniciar o chip. Quando o capacitor é carregado, o reset é desabilitado. Eu escolhi 47k e 100nF para fornecer uma constante de tempo de aproximadamente 5x a dos limites de debounce combinados e resistores pull down usados para os interruptores.

Quando você pressiona um botão, ele coloca um 1 lógico na entrada D ao qual está conectado e, por meio de um diodo, aciona o relógio ao mesmo tempo. Este "clica em" o 1, fazendo com que a saída Q fique alta.

Quando o botão é liberado, a lógica 1 é armazenada no flip-flop, de forma que a saída Q permanece alta.

Quando você pressiona um botão diferente, o mesmo efeito ocorre no flip-flop ao qual ele está conectado, mas como os relógios são comuns, aquele que tem um 1 em sua saída agora fica em 0, então sua saída Q vai baixo.

Como os interruptores sofrem de saltos de contato, quando você pressiona e solta um deles, não obtém um 0 claro, depois 1 e depois 0, você obtém um fluxo de 1s e 0s aleatórios, tornando o circuito imprevisível. Você pode encontrar um circuito decente de debouncing do switch aqui:

Acabei descobrindo que, com um capacitor de atraso de clock suficientemente grande, a eliminação de interruptores individuais é desnecessária.

A saída Q de qualquer flip-flop fica alta quando seu botão é pressionado, e a saída não-Q fica baixa. Você pode usar isso para controlar um MOSFET N ou P, referenciado ao barramento de baixa ou alta potência, respectivamente. Com a carga conectada ao dreno de qualquer transistor, sua fonte normalmente seria conectada a 0v ou ao barramento de alimentação, dependendo da polaridade, porém atuará como uma chave referenciada a algum outro ponto, desde que ainda tenha headroom para girar ligado e desligado.

O esquema final mostra um transistor PNP que está conectado a uma das entradas D. A ideia é que, quando a energia é aplicada, o capacitor na base do transistor carrega até chegar ao ponto onde o transistor conduz. Como não há feedback, o coletor do transistor muda de estado muito rapidamente, gerando um pulso que pode definir a entrada D alta e acionar o relógio. Por estar conectada ao circuito por meio de um capacitor, a entrada D retorna ao seu estado baixo e não é afetada de forma perceptível na operação normal.

Etapa 3: prós e contras

Depois de construir este circuito, me perguntei se valia a pena fazer. O objetivo era obter a funcionalidade de botão de rádio sem o custo dos interruptores e da estrutura de montagem, no entanto, uma vez que os resistores pull-down e os capacitores de-bouncing foram adicionados, achei um pouco mais complexo do que eu gostaria.

Os interruptores de intertravamento real não esquecem qual interruptor foi pressionado quando a energia é desligada, mas com este circuito ele sempre retornará à configuração padrão de "nenhum", ou um padrão permanente.

Uma maneira mais simples de fazer a mesma coisa seria usar um microcontrolador, e não tenho dúvidas de que alguém vai apontar isso nos comentários.

O problema de usar um micro é que você precisa programá-lo. Além disso, você precisa ter pinos suficientes para todas as entradas e saídas de que precisa, ou ter um decodificador para criá-los, que adiciona instantaneamente outro chip.

Todas as peças para este circuito são muito baratas ou gratuitas. Um banco de 6 interruptores interligados no eBay custa (no momento da redação) £ 3,77. Ok, então não é muito, mas meu 74HC174 custou 9 pence e eu já tinha todas as outras peças, que são baratas ou grátis de qualquer maneira.

A quantidade mínima de contatos que você normalmente obtém com uma chave de intertravamento mecânico é DPDT, mas você pode obter mais facilmente. Se você quiser mais "contatos" com este circuito, terá que adicionar mais dispositivos de saída, normalmente mosfets.

Uma grande vantagem em comparação com os interruptores de intertravamento padrão é que você pode usar qualquer tipo de interruptores momentâneos, posicionados em qualquer lugar que desejar, ou até mesmo controlar as entradas de sinais totalmente diferentes.

Se você adicionar um transistor mosfet a cada uma das saídas deste circuito, você obterá uma saída SPCO, exceto que ela nem mesmo é tão boa, porque você só pode conectá-lo de uma maneira. Conecte-o de outra maneira e você obterá um diodo de baixa potência.

Por outro lado, você pode adicionar muitos mosfets a uma saída antes que ela fique sobrecarregada, então você pode ter um número arbitrariamente grande de pólos. Usando pares de tipos P e N, você também pode criar saídas bidirecionais, mas isso também adiciona complexidade. Você também pode usar as saídas não-Q dos flip-flops, o que oferece uma ação alternativa. Portanto, há potencialmente muita flexibilidade com este circuito, se você não se importar com a complexidade extra.