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CD4060 분주 IC와 NE555 IC 활용 One Shot 펄스 만들기

글쓴이 : SOONDORI

’60hz to 50hz AC 전원 공급기 DIY’에 사용했던 CD4060 IC는 참으로 편리한 IC이다. IC 세상의 명품, NE555는 군말이 필요 없는 IC로서 인터넷에 무궁무진한 활용 사례가 있으며…

* 관련 글 : 빈티지 턴테이블용 60hz To 50hz 교류전원 공급장치 만들기 (1), 회로 검토

훗날의 참고를 위해 정리하는바, 1) 가변 주기(Interval Time)에, 2) 펄스폭은 대체로 고정된 One Shot 파형 생성 회로(=Monostable 회로, 단안정 회로)를 만들어보았다. 실용적 한계가 분명하지만, 학습 효과는 좋음.

* 관련 글 : 잭 클레어 킬비가 처음 만든 집적회로, IC

■ 방법론

크리스털 소자 + CD4060 분주 IC로 Base Clock을 생성한다 → NE555 타이머 IC의 트리거 핀, 쓰레숄드 핀, RC 시정수를 이용해서 일련의 Base Clock을 적당히 “끊는다”. 끊는다 함은 공연장의 힘 센 매니저가 입구에 쭉~ 늘어선 사람을 (예) 10명 단위로 끊어서 입장시키는 것과 같다. 물론 단위 입장 인원이 20명, 100명, 1000명이 될 수 있는 것이고… 입장 단위의 인원이 많을수록 시간이 지체되니까 그것을 Interval Time으로 정의.

(▲ CD4060에 반드시 크리스털을 쓸 필요는 없음. CR 발진 가능. || 최초 트리거 펄스 다음의 HIGH/LOW 트리거 펄스는 무시된다. 언제까지? 쓰레숄트 핀의 기준 전압이 충족되어 IC Reset이 걸리기 전까지. || One Shot이 나오기 전까지의 시간인 인터벌 타임은 1.1 × R × C로 계산한다. 예를 들어 50K 오움, 0.1uF을 썼다면 1.1 × 50 000 × 0.000 000 1 = 0.000 55 = 0.55mS = 550uS = 1818.18hz = 1.81818Khz 주기)

펄스를 직접 카운트하는 게 아니라서 생기는 약간의 유동은 어쩔 수 없음. 커패시터는 전해보다 필름이 유리함.

■ 회로 구성

■ 유의점

○ RC 시정수는 공급 전압에 따라 달라진다. 그러므로 가급적 정전압 레귤레이터를 쓰는 게 좋고… 물론, 그마저도 100프로 흔들림 없이, 규칙적으로 10명 입장객을 들여보낼 수는 없음. 레규레이터를 써도 미세 전원 흔들림은 피할 수 없고, 역시  펄스를 직접 카운팅하는 게 아니라서…

(▲▼ 눈으로 봐도 쉽게 출렁거리는 게 보이는, 레귤레이터 회로가 없는… HAM 무선국용, 승용차 발전 전압 상당 13.8V 리니어 전원 공급장치의 반응)

○ 동작 중 갑자기 가변저항을 돌리면 RC 시정수가 흐트러지기 때문에 One Shot 주기가 엉망이 된다. 물론, 잠깐 동안.

이런 것을 어디에 쓸 수 있을까?

오디오 버튼 조작기에서 사용. 튜너 등 검파기에서 사용. 모터나 릴레이 등을 붙이고… 시간 되면 오디오 전원을 내리는 Sleep 타이머, 몇 시간짜리 얼렁뚱땅 알람 장치, 자동으로 금붕어, 거북이, 반려동물에게 밥 주는 장치를 만든다? 아? 그리고… 몹시 한심한 설계의, 소비자 기만형 제품인 태광 에로이카 TA-705BR 인티앰프에 DIY 전원 버튼을 만들어 넣을 수도 있다.

* 관련 글 : 태광 에로이카 TA-705BR, 전원부 채워 넣기


○ 내친김에… NE555는 훗날 NXP에 귀속된 미국 시그네틱스(Signetics)社의 한스 카멘진트(Hans R. Camenzind, 1934년~2012년, 스위스 출생)가 1971년에 설계한… 아니, 발명한 IC. (너무 유익해서 인류 발명품이라고 말하는 게 좋을 듯)

50년 넘게 쓰였고 여전히 쓰이고 있으니 앞으로 1만 년은 더 쓸 수 있을 듯하다. 디지털 펄스를 다루지만 사실은 100프로 아날로그 IC이고 안에 분압용 5K오움 저항 3개가 들어 있어서 ‘555’로 작명했다는, 전설같은 이야기가 있다.

* 사진 출처 & NE555에 대한 상세 분석 자료 열람 : http://www.righto.com/2016/02/555-timer-teardown-inside-worlds-most.html

최대 동작 전압은 +18V, 권장 5V~15V, 펄스 상승 또는 하강 시간은 최대 300nS(대충 1.6Mhz까지 취급 가능?), 전압 등락에 대한 영향도는 서브 모델에 따라서 0.05%/V~0.1%/V. 당연히 전문적인 클럭용으로는 불합격. 그런데… 대체로 막 굴려도 잘 돌아가는 IC.

(▲ JK Flip Flop에 비교되는 RS Flip Flop. RS는 Reset, Set)

동작 규칙은,

1) 전원 투입 직후 기본 상태는 RESET 모드로서, a) #3 OUT 핀 LOW, b) #7 DISCHARGE 핀은 GND 연결 상태가 되어 구조상 커패시터 충전 불가, 3) #2 트리거 핀이 LOW이면 OUT 핀은 HIGH, 4) #6 쓰레숄드 핀이 HIGH(=전원의 2/3)이면 OUT 핀은 LOW.

동작은,

CD4060이 생성한 펄스가 <#2 트리거 핀>에 전달된다. HIGH TO LOW일 때 <동작 규칙>에 따라 OUT핀은 HIGH가 된다 → 그 조건에서 #7 DISCHARGE는 GND 연결이 안 된 조건으로 → 커패시터 방전 회로가 꺼진 셈이니까 곧 충전 가능 상태. 전류는 RA를 거쳐  하단의 커패시터(C)로 이동. 즉, 완만하게 커패시터가 충전된다 → 충전 중 반복 전달되는 CD4060의 HIGH/LOW 트리거 신호는 무시된다. (모노스테이블이 본래 그런 것. 한 번만 트리거 되면 이후 어떤 조건이 성립될 때까지는 옆에서 뭐라고 하든 묵묵히 현상을 유지)

완만하게 충전되는 과정에서… IC는 #6 THRESHOLD 핀으로 충전 중 전압이 전원 전압의 2/3에 도달했는지 확인 → 모자라면 조금 더 기다리고… 도달했으면 즉시 RESET 모드로 진입 → 동작 규칙에 의해 OUT 핀을 LOW로 만든다 → 꺼졌던 #7 DISCHARGE 기능 ON 즉, 내부 GND 연결 → 커패시터 즉시 방전 → 그렇게 모든 프로세스가 완료 된 후… 트리거 핀이 다시 HIGH에서 LOW로 바뀌면 전체 과정이 반복된다.

(▲ B의 시간을 늘이면 A의 시간이 늘어난다. 보라색은 있어도 무시되는 CD4060 전달 트리거 펄스들)

여기서, 충전 Slope의 지속 시간 즉, One Shot이 나타나기까지 기다리는 시간을 결정하는데 <RC 시정수>가 개입된다.

* 관련 글 : 단 채널 아날로그 오실로스코프로 커패시터 용량 측정하기 (1)

예를 들어 아래 조견표에서, 0.1uF 커패시터를 쓰고 Interval Time을 0.001초(1mS) ~ 0.05초(50mS)로 가변하려면 가변 저항 범위는 10K오움~500K오움이 합당하다. 10K오움 트리머 + 500K오움 일반 가변저항 조합으로 적당히…

한편, HIGH 상태 트리거 펄스의 폭이 최소 10uS 이상이어야 한다는 조건이 달려있으므로 최소 Interval Time = 트리거 펄스 주기 – 10uS.

○ CD4060 Q4~Q14의 분주 배율

과거 전화 교환원이 라인 플러그를 푹푹 꽂듯이, NE555 #2핀을 CD4060 Q_x 핀에 아무렇게나 연결하면 된다. 크리스털 소자는 (정수 나누기만 된다면) 12Mhz 이하의 아무것이나 사용해도 되고.

예를 들어, CD4060 #13핀을 NE555 #2핀에 연결하면 트리거 펄스 주파수는 6.4Khz가 되고 NE555가 RESET 모드로 돌아섰을 때, 확률상 최대 0.15625mS의 절반 주기(=HIGH to LOW의 Falling Edge 기준)에서 다음 One Shot 처리가 개시된다. 그 다음은 RC 시정수에 변동이 전혀 없다는 가정 하에 규칙적으로 무한 반복.

(▲ #13핀 0.15mS는 불안정하고 #1핀 1.25mS는 안정적이고…)


 

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