電子輪盤電路

LED Roulette Circuit using 555 Timer and 4017 Decade Counter

電子輪盤電路是由 IC555 無穩態多諧振盪電路 (astable multivibrator)、IC4017 十進制計數器 (Decade Counter with Decoded Output) 以及電晶體 2SC1384 延時電路所組成。完整的電路圖，如圖一所示。

圖一    電子輪盤電路

電路原理

首先我們先分別探討各組成電路的動作原理與其功能，再統合起來以了解整個電子輪盤電路的原理。

IC 555 無穩態多諧振盪電路

IC 555 的內部電路，如圖二所示。

圖二    IC 555 內部電路

如圖三所示的電路，則是可做為時脈 (clock) 產生器的 IC 555 無穩態多諧振盪電路。 

圖三     IC 555 無穩態多諧振盪電路

其工作原理如下：

(1) 電源打開瞬間 $V_2$ 與 $V_6$ 為 $0 V$，此時 IC555 內部 RS 正反器的 $S = "1"$ 且 $R ="0"$，導致 $Q = "1"$ ($\overline Q = "0"$) ，使得 $V_3 = "1"$，且放電電晶體不導通，因此與 IC555 第二腳與第六腳連接的電容會被充電，如圖四所示。 

圖四    IC 555 無穩態多諧振盪電路-充電狀態

(2) 當電容的充電電壓介於 $0V$ 與 $\frac{V_{cc}}{3}$ 之間時，RS 正反器的 $S = "1"$ 且 $R ="0"$，導致 $Q = "1"$ ($\overline Q = "0"$) ，使得 $V_3 = "1"$，放電電晶體不導通，電容的充電動作持續。

(3) 當電容的充電電壓介於 $\frac{V_{cc}}{3}$ 與 $\frac{2V_{cc}}{3}$ 之間時，RS 正反器的 $S = "0"$ 且 $R ="0"$，$Q$ 與 $\overline Q$ 維持原狀態，即 $Q = "1"$ ($\overline Q = "0"$) ，使得 $V_3 = "1"$，放電電晶體不導通，電容的充電動作持續。

(4) 當電容電壓被充至大於 $\frac {2V_{cc}}{3}$ 時，RS 正反器的 $S = "0"$ 且 $R = "1"$，導致 $Q = "0"$ ($\overline Q = "1"$) ，使得 $V_3 = "0"$ ，且放電電晶體導通提供一電容放電路徑，因而該電容的狀態轉成放電，如圖五所示。

圖五    IC 555 無穩態多諧振盪電路-放電狀態

(5)  電容因放電電壓下降，當其電壓介於 $\frac{V_{cc}}{3}$ 與 $\frac{2V_{cc}}{3}$ 之間時，RS 正反器的 $S = "0"$ 且 $R = "0"$，$Q$ 與 $\overline Q$ 維持原態，即 $Q = "0"$ ($\overline Q = "1"$) ，使得 $V_3 = "0"$ ，且放電電晶體導通，因而電容放電路徑持續存在，電容繼續放電。

(6)  持續放電的電容，當電壓放至低於 $\frac{V_{cc}}{3}$ 時，RS 正反器的 $S = "1"$ 且 $R = "0"$，使得 $V_3 = "1"$，並且電容被充電。接下來，第 (2) 點至第 (6) 點就持續重複下去，其波形圖如圖六所示。

圖六    波形圖

IC 4017 十進制計數器

IC 4017 接腳圖如圖七所示。

圖七    IC4017 接腳圖

其本身為一個十進制計數器 IC，當 Clock 訊號進來每發生一次觸發，它將由 0 逐一計數到 9，且其輸出為編碼輸出。 意即數到 0 時，輸出 $Q_0$ 為 $"1"$，其餘輸出為  $"0"$；數到 1 時，輸出 $Q_1$ 為 $"1"$，其餘輸出為  $"0"$，依此類推。我們可以將 IC4017 的輸出接腳連接串接限流電阻的 LED 到地 (ground)，從而可由 LED 的亮與否，來判斷此十進制計數器計數到哪裡。

電晶體 2SC1384 延時電路

圖八所示為電晶體 2SC1384 延時電路。

圖八    電晶體 2SC1384 延時電路

如圖九所示，當 SW 按下不放，電晶體導通進入飽和區，電晶體的 $V_{CE}\approx 0 V$ ，同時 SW 下方的電容電壓瞬間充至 $5V$，且此時，$V_o \approx 5V$。

圖九    電晶體導通進入飽和區，電容充至 $5V$

當 SW 鬆開，SW 下方的電容開始放電，如圖十所示。且電容剛開始放電時，電晶體一樣維持導通進入飽和區，但電容電壓會隨著時間逐漸下降，電晶體不再是在飽和區操作，$V_{CE}$ 電壓會從約等於 $0V$ 開始逐漸變大，且因 $V_o = 5 - V_{CE}$ ，所以 $V_o$ 的值也是從約等於 $5V$ 開始跟著逐漸下降。

圖十    電容放電

綜合分析

如圖十一所示，當電源打開，IC 555 的 $V_2$ 與 $V_6$ 電壓為 $0$，導致 $V_3 = "1"$，且放電電晶體不導通。當電子輪盤電路的按鈕按下不放時，電晶體 2SC1384 導通進入飽和區，電晶體的 $V_{CE}\approx 0V$，與 IC555 第 6 跟第 2 接腳連接的 $1\mu F$ 電容開始被充電。當電容持續被充電， $V_2$ 與 $V_6$ 電壓超過 $\frac{2V_{cc}}{3}$ 時，$V_3 = "0"$ 發生轉態，且放電電晶體導通，放電路徑形成， $1\mu F$ 電容開始放電。一旦該電容因放電電壓降至 $\frac{V_{cc}}{3}$ 以下時，$V_3 = "1"$ 發生轉態，且放電電晶體不導通， $1\mu F$ 電容被充電。如此反覆，IC 555 的第 3 腳就可輸出穩定的矩形波作為 IC4017 計數時脈的來源。IC4017 經由時脈的每一次觸發，計數值遞加一，並由哪一個輸出接腳的 LED 亮，來得知計數值為何。且當計數值為 9 時，直接驅動重置接腳，令計數值回到 0。 

圖十一    電子輪盤電路-按鈕按下

如圖十二所示，當按鈕鬆開，電晶體 2SC1384 的 E 極所接的 $100 \mu F$ 電容放電，繼續維持對與 IC555 第 6 跟第 2 接腳連接的 $1\mu F$ 電容充電。然而，隨著 $100 \mu F$ 電容電壓逐漸下降，要令 $V_2$ 與 $V_6$ 電壓超過 $\frac{2V_{cc}}{3}$ 的時間會拉長，最終因電晶體 2SC1384 不導通，IC 555 再也無法輸出矩形波，連帶使得 IC 4017 也停止計數，點亮的 LED 也會停在某一輸出腳，因而形成電子輪盤的效果。 

圖十二    電子輪盤電路-按鈕鬆開

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